金屬為什么有光澤

在已發(fā)現(xiàn)的100余種化學(xué)元素中，金屬元素約占80%。金屬單質(zhì)中除汞在常溫下為液態(tài)外，其他均以固態(tài)形式存在。金屬單質(zhì)如被加工成具有平滑的表面時，則絕大多屬都為銀白色，僅少數(shù)例外，如純金為黃色、純銅為淡紅色，所有金屬都具有特有的金屬光澤。金屬單質(zhì)在顏色上的這一共同特性仍是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。固態(tài)的金屬為金屬晶體，由于金屬原子一般半徑較大，最外層電子個數(shù)為1～3個，因此在晶體中這少數(shù)的外層電子較易失去，金屬晶體中有不少金屬原子失去外層電子形成金屬陽離子，而那些脫離原子核吸引的電子能夠在金屬晶體的內(nèi)部較為自由的運動，形成所謂的“自由電子”。正是憑借著金屬陽離子和自由電子之間較強的相互作用，金屬原子間形成金屬鍵，金屬原子才相互結(jié)合構(gòu)成金屬晶體。

有大量的自由電子存在，是金屬晶體不同于離子晶體、原子晶體和分子晶體的結(jié)構(gòu)特征，金屬單質(zhì)的許多物理性質(zhì)，如金屬光澤、金屬良好的傳熱、導(dǎo)電性，都與自由電子的存在有關(guān)。由于金屬晶體中大量金屬原子之間的相互作用，使得各原子原有的每一能級，在晶體中形成了數(shù)量可觀、能量間隔極小的大量能級，這些能級在能量分布上幾乎建成一個整體，即構(gòu)成一個“能帶”。除金屬導(dǎo)體外，絕緣體、半導(dǎo)體也都存在著能帶，但金屬晶體的能帶結(jié)構(gòu)特征是具有“導(dǎo)帶”，即該能帶中僅部分能級被電子占據(jù)，還有大量未被電子占據(jù)的空能級。由于能帶內(nèi)相鄰能級的能量差極小，因此當(dāng)可見光照射金屬時，任何波長的可見光都會將金屬導(dǎo)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上部的某個空能級。但這些處于較高能級的電子很不穩(wěn)定，很快又會跳回原來的低能級，并放出各種能量的光子，形成了包括所有可見光波長的反射波，因而使絕大多數(shù)金屬呈銀白色，且有特殊的金屬光澤。圖4—3是一些金屬對各色可見光的反射率圖。

圖4－3　一些金屬，包括類金屬的黃鐵礦（愚人金）FeS₂的反射

從4—3圖可以看出：金屬銀、鋁和鐵對全部可見光都有幾乎大體相同的較強反射率，因此這3種金屬為銀白色；而銅和金對于藍(lán)光和紫光反射率較低，即對短波可見光有較大吸收，因而分別是淡紅色和黃色。這兩種金屬反射光譜的這一特點也是由它們各自原子結(jié)構(gòu)的特點決定的，這里就不再多述。

除金屬晶體外，某些其他晶體也具有類似金屬的能帶結(jié)構(gòu)，如一些晶體結(jié)構(gòu)生長很好的黃鐵礦（FeS₂），由于其反射光譜與金相似，因此從外觀上看，還真有點像金，故得名“愚人金”。這一事實也告訴我們，鑒別物質(zhì)時，不僅要考察其外觀，還要考察其諸多的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，這時再下結(jié)論也不遲，因物質(zhì)世界中這種外表相似，化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全不同的情況也是常見的。