茅以升(1896～　　)

[拼音]：yuansu zhouqibiao he jinshu xingzhi

[英文]：periodic table of elements and properties of metals

在元素週期表中（見非鐵金屬），元素按原子序數

Z

值遞增的次序排列。殼層數n相同的元素被排列在一橫行，稱為週期，如n＝1的橫行稱第一週期，氫就在第一週期內；n＝2稱為第二週期，有鋰、鈹等；n＝3稱第三週期，有鈉、鎂、鋁等。每個週期都以一種惰性氣體元素作為結束。對惰性氣體元素來說，對應於某一主量子數的一切電子態全部填滿。豎直的各列叫做族；屬同一族中的元素，具有相同數目的最外殼層電子。也常用屬於第幾族來說明元素在週期表中的位置。

金屬分佈於元素週期表的廣大區域。參考各金屬元素在週期表中的位置，再結合金屬電子論和晶體結構，可以對金屬的某些性質和行為得到更為系統的理解。金屬可以有不同的分類方法和相應的名稱，如鐵和非鐵金屬；簡單金屬和過渡金屬；一價金屬和多價金屬（或叫做開金屬和實金屬）；在一價金屬中鹼金屬和貴金屬等等。

鹼金屬

鹼金屬中的鋰、鈉、鉀、銣和銫的固體，都具有體心立方結構。從一般理解的金屬特性來說，它們是接近理想金屬的，即它們中的傳導電子的狀態，最接近金屬電子論所闡述的情況。圖1中ρ(r)表示電子雲密度，r表示對原子核的距離，可以看出，鋰和鈉的離子、電子雲密度在金屬中二原子間距中點處幾乎為零；其他幾個鹼金屬的離子電子雲密度，在間距中點處也不很大。注意到體積與半徑的立方成正比，就很容易理解。這些金屬的離子實（原子去掉最外層電子後所剩餘的部分）所佔的體積，只是金屬晶體中原子體積的很小一部分，其他空間都為傳導電子所佔據。所以鹼金屬可以想象為在自由電子氣的空間排布著小的離子群，這些金屬因此得到虛空金屬或開金屬的名稱。離子的電子雲既然重疊很少（即在間距中點處密度低），所以它們在決定鹼金屬結合能和原子間距方面起的作用不大。鹼金屬的性質主要決定於傳導電子（價電子）。

鉀和銣、鉀和銫、銣和銫之間原子半徑相差不大，晶體結構相同，又都是一價金屬，所以可形成連續固溶體，IA族中的其他各元素原子半徑差都較大，相互溶解度很低。鹼金屬正電性很強，故很少能和其他金屬形成固溶體。

銅和貴金屬

貴金屬和鹼金屬一樣都是一價金屬，但貴金屬呈面心立方結構，它們遠不像鹼金屬那樣虛空。圖2是銅的自由離子的ρ(r)和r的變化。在相當於金屬中兩相鄰原子間距中點處，電子雲的密度很大，也就是說離子的電子雲重疊很大，電子雲間有很強的排斥力。與鹼金屬相比，銅的壓縮係數是很低的；銀和金的情況也類似。

銅和金、銀和金兩兩之間的原子半徑差都小於14％，形成連續固溶體，銅銀二元系中有典型的共晶反應，固溶度非常有限。這可能是由於銀的 4d10電子殼層比較穩定而不容易極化，難以適應形成固溶體所要求的變化。金離子電子雲比較容易畸變極化，有利於形成金銀、金銅連續固溶體，金比銅難以在各向同性壓力下壓縮，但在單向張應力下，卻比銅容易形變。當以銅或銀為基，與鋁、鍺、鋅、鎵組成二元合金時，能生成一系列合金相。根據電子濃度(在合金中每原子平均分到的傳導電子數)的變化，常可以說明各種合金相的出現或消失。

過渡族金屬

過渡族金屬存在於長週期中。在這些元素中，裡面的軌道（如3d等）尚未填滿的情況下，一個或兩個電子已經進入更外面的一層軌道(如4s等)。以後再增加的電子則又進入裡面未填滿的軌道。這樣就間斷了週期表中主量子數和次量子數序列的規律性。

實驗證明，在過渡族金屬中自由原子的 ns、np 和(n－1)d.電子殼層在形成金屬時相互重疊而形成雜化帶(spd)。鐵、鈷、鎳是具有鐵磁性的金屬，它們都存在於第一長週期中，這些金屬和以它們為基的合金的性質及其規律，在科學理論和工業技術方面都曾進行廣泛深入的研究，具有很大的實用意義。當其他過渡族金屬溶入鐵中時，引起液相線和固相線的降低，溶質元素離溶劑元素在週期表中的距離越遠，引起的下降越大。

金屬性質的週期性

從圖3可以看出，金屬的性質隨元素在週期表中的位置而變化的情況，過渡族金屬的熔點都比較高。熔點高低是原子間結合力強弱的一種標誌。以原子的昇華熱表示結合能更為確切，昇華熱就是從固體把一個原子移到氣態所需要提供的能量。高結合能通常表示可壓縮性低，但是並沒有簡單的定量關係。過渡族金屬的晶體結構也存在一些規律性。

在每一週期首位的鹼金屬，每個原子有一個外層電子，原子體積又很大，每一參加鍵聯的電子佔據的體積也大。沿著一個週期向右移動，原子體積逐漸下降，而參加鍵聯的電子數卻逐漸增多，於是每個電子分到的體積就小多了。在過渡族金屬序列的中間和後端的元素，原子間距與正常泡令共價離子半徑是同數量級的，使得有些研究者猜想，這些過渡族金屬中的結合力可能與金剛石等共價晶體中的結合力的性質相象。

參考書目

W.Hume-Rothery，Atomic theory for students of metallurgy，3rd rev.ed.，The Institute of Metals，London，1960.

C.S.Barrett & T.B.Massalski，Structure of Meta- ls，3rd rev.ed.，Pergamon，Oxford，1980.