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化学定组成定律与合金

(2019-05-17 20:34:43)
标签:

化合物

共价结构

定组成

金属

电磁力

分类: 物理新视点

认识金属材料(一) 

                化学定组成与合金

                                                晏成和

内容提要: 化合物是由多种元素按价和结构组合而成,必定是按精确的比例、严格地遵循化学的定组成定律。可同样是由多种元素的组成的合金,是由电磁力结合而成,形成了多种金属的比例可以是任意的。

 

关键词:化合物  共价结构  定组成  金属   电磁力

 

初中,我是化学课代表,对老师讲的每一个化学概念、理论,力求融会贯通,严格遵循化学的规则、竭力领会科学现象内在的规律。

中学化学的“定组成”定律令我惊叹:两种或多种元素组合成化合物必须是有固定的比例,必定严格遵守化学分子式所规定的份额。这是继平面几何之后,再一次被科学的逻辑和严谨所震撼,令我虔诚崇拜。

如:水H2O,一定是一个氧、两个氢的组合,少一个氢、则在自然界不存在;盐-氯化钠NaCl,一定是一个氯原子与一个钠的化合,永远的1:1,即使是溶解在水里这个比例不会改变、也不会分开。每一种化合物必定是由确定的元素定量、定比例、精确地组成,我们能根据分子式精准的计算其中各种元素所占的比例、质量。“定组成”大自然的铁律令我刻骨铭心。

 

到了大学,学习金属材料,学习了合金:把一种金属与其它金属或者非金属元素互熔就形成了合金。如铜、锌融合成黄铜;铜、锡、铅融合成青铜;铁、碳合金就是钢。然而,在金属物质之间,铜、锌、锡、铅,却可以按任意比例互熔,形成各种合金;碳在铁中,可以在一定范围内以任意比例“化合”,形成高碳钢、低碳钢、合金钢。

合金也是几种元素原子的结合,为什么这些合金就可以不遵守定组成定理?这是我一直没有弄清楚的问题,现代教科书对此也没有解释;或者用自由电子、金属键糊弄,从来也没有讲清楚金属键如何构成合金的实质原因。我冥思苦想,希望给自己一个合乎逻辑、言之有理的交代。

 

大自然的化合物,水、二氧化碳、甲烷,以及非金属晶体,硅、石墨的结构与价电子数精确对应的事实提示我们:价电子的个数在物质构成中有重要作用。原子相互吸引价电子组成结构元、继而构成物质[1]。元素价电子数、所结合成的结构元、多个结构元构成化合物的结构,同时也决定了这些物质的定组成。

由于化合物的构成是由价和电子所形成的价和结构。一般是使化合物共有的价电子达到8 ,或8的整数倍,存在着多个价电子按比例的相互连接,必定严格遵循定组成定理。例如图一A(水,中间红色是氧,绿色是氢)、B(水蒸气)

虽然水只有两个结构元,可是凝结成六边形的雪花,是因为水蒸气在骤冷时,H2O中氧的6个价电子也与相邻氧的价电子结合,所以就展现为六边形。[2]

        化学定组成定律与合金

      C(甲烷,棕色是碳)   D(乙烷)        E(丙烷)

                     图一

图一下面的化合物,甲烷、必定是一个碳的4个价电子与4个氢的定组成。乙烷有两个碳,必定是与6个氢的定组成(C2H6),一碳两氢、一碳三氢;两碳5氢或7氢,都不存在、都不可能构成化合物。价和结构是化合物及价电子数大于3的元素构成物质必然方式。因此,由价和电子形成的价和结构的化合物,如:二氧化碳(6+6+4)、氯化钠(7+1)等等,必定严格遵循定组成定理。

由此,我们可以理性、清晰地解读化合物的结构方式是定组成规则的内因。并由此(物质结构方式)找到合金不受定组成规则约束的缘由。

 

金属元素价电子少、结构元少,只能是由电磁力构成金属物质。

而金属物质只有一至三个价电子,同类金属只能构成一至两个结构元,不能形成共价结构,而是靠高速旋转的价和电子所产生的电磁力而结合,如图二。

化学定组成定律与合金

           图二  棕色是铜、蓝色是锌,二者是由电磁力结合

各种金属各自形成结构元,高温混合成液态合金后,所有金属结构元自持的自组织能力形成不同的结构元分散、均布、互熔。凝固时只要有稳定的电磁力就能结合,形成稳定的合金。所以金、银、铜、锌等多种金属的结构元就是一个个微型“磁铁”,能够以任意比例形成相互吸引,形成多种元素、各种比例的合金,完全与“定组成”无关。

正是由于金属材料是由电磁力结合而成,所以铁丝、铜丝能够弯曲,金属材料具有延展性。金属结构元在强大外力之下产生位移,并且在新的位置重新结合、建立新的结构。

化合物及非金属物质的价和结构与金属材料及合金的电磁力结构,虽然结构形式不同,但还是有其共同点——都是由电子的价和运动构成了其物质的结构。并且价和电子在平面运转的速率越高,结构元的结合能越大,物体的强度越高;金属的价电子在平面运转的速率越高,电磁力越大,金属物体的强度就越高。

 

在消费市场,人们用纯金、纯银体现价值。在工程中,人们喜爱合金。是因为合金材料的强度、硬度等机械性能比纯的金属有显著的提高。合金比单一金属具备更多种优良性能,青铜剑削纯铜、如同刀削萝卜,这是因为:

一、在合金中不同元素的原子间距很近,从溶液到结晶全过程中,各原子都加强对自己电子的控制,以免被其它元素的原子吸引去,于是价电子速率加快,电磁力增大、合金材料的强度增大。

二、合金中掺入价电子速率较高元素的原子,如:铁中渗碳、渗氮,在与基本元素的结合成结构元的过程中,较强的电磁力激活了基础元素的价电子,使其价和电子速率增加。

三、若掺入元素的价电子数多,将使合金中结构元增多,强度得以大提高。如:铁中渗4价的碳、5价的氮。

四、在合金中不同元素的原子还能够改变主体的化学性状(加强对自己电子的控制),使价电子速率稳定,氧化反应不能继续进行。如:在铁中参入一定量的镍、铬就成为了不锈钢。

五、在合金中不同元素的原子还能够造就主体特有的力学特征,有特定温度下的复原能力。如:钛合金中参入一定量的镍就成为了神奇的记忆合金。

合金材料一般特征是熔点升高,强度、硬度增加,电子空位少(时间短),导电率下降。

磷、硫等元素因其价电子速率很低,只能在钢铁中起降低价和电子速率,降低金属强度的作用;磷、硫中较多的价电子,虽然使得金属中的结构元增多,但是这些结构元连接力度不大、而导致脆性增加。于是人们把它们叫做杂质。

事物有两面性,降低价和电子速率不见得都是不好,最近人们研制的碲铜合金因为降低了价电子速率使导电能力增加、导热能力增加。


                                   2019/5/15修改发表


参考文献

[1]晏成和,化学键——一个世纪的迷茫(二)科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-840717.html

[2]晏成和,雪花怎样形成? 科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-850021.html

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