书城科普读物探索未知丛书-化学天地(二)
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第78章 为什么金属定义会过时

对现代人来说,“金属”是一个多么普通的概念。制作炊具的铝,制造罐头的锌,打制首饰的金,还有制做各种工具的铁……不都是金属吗?

《辞海》中的“金属”条目曰:“具特有光泽而不透明(对可见光强烈反射的结果),富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。”

在门捷列夫的元素周期表中,左下角绝大部分是金属的领域,仅右上角才是非金属的地盘。

在人类至今认识的109种化学元素中,非金属中只有22种,而金属占了近80%。这些金属在常温常压下,都是具有光泽而不透明的固体(除汞外),与上述的金属定义相符合,它们与非金属之间存在着一条泾渭分明的界限。可是,在非常温、常压下,金属与非金属之间,是否仍然是“鸡犬之声相闻,老死不相往来”呢?

科学家发现,金属元素的许多特点,如坚硬、有光泽、致密、敲击时铿锵作声等,也是当代许多陶瓷所共有的特性,它们已不是金属的“专利”了。可是至今为止,金属的定义中还保留着一个“避难所”——电的良导体。

如今,这唯一的“避难所”也已摇摇欲坠。科学家们已合成了许多种称作“分子金属”的物质,这些“分子金属”具有长长的链式分子,能像金属那样导电。不过,目前这些“分子金属”还只能在一个方向上导电,而不能像金属那样在三个方向上导电。但是,科学家们正致力于合成具有三维导电能力的“分子金属”。一旦研制成功,金属的最后“避难所”也将彻底崩溃。

金属与非金属之间的那条“楚河汉界”正在日益消失。在一定的条件下(主要指温度和压力)

,金属和非金属是能够互相转化的。在临界密度之下,电子属于特定的原子,并不显示金属性;而在临界密度以上,电子便自由了,出现了金属所具有自由电子的“海洋”。例如,在硅中掺入少量的磷,尽管是两种非金属,但只要在外界温度低于00003K,电流照样能在其中通行无阻。又如,在固体物理学界身价倍增的超导材料——铱钡铜氧化物,它的真实面目却是一种陶瓷,而并非人们想象中的金属,这正是金属与非金属界线消失的一大明证!

除了外界环境能够改变物质的属性外,物质数量上变化也会戏剧性地改变物质的属性。

我们不妨做一个有趣的数学游戏:银可算是一种典型的金属了吧,但是,一个银原子算不算金属呢?不能算。两个、三个银原子呢?也不行。因为它们都不能形成一个自由电子所需要的化学环境。那么,究竟几个银原子才能满足这一要求呢?

科学家们用高分辨率的电子显微镜拍摄了具有1 500个银原子组成的一簇。发现它呈多面体的结构,具有五重对称性,这下可称它为金属了吧?还是不能,因为这些原子的电子还各有其主,并未形成自由电子的“海洋”。

那么,10 000个银原子组成的簇又怎样呢?科学家们发现,由10 000个银原子组成的簇,它的整个结构经过了一次重整,已变成了名副其实的金属,而不再是高度对称的高能态晶体了,它已是呈线状方式排列的低能态金属。

可见,在1 500—10 000之间,必定存在一个数,在这一点上,银原子簇突然从“非金属”向“金属”过渡了。量变引起了质变,这情形有些类似搭积木,不太高时,积木呈规则堆积,达到一定高度后,它就会崩塌下来。对银原子来说,1 500—10 000之间这一神秘数字究竟是多少呢?科学家们还不能正确告诉我们。

“金属”的定义正在日趋过时,终有一天,人们会感叹地说:“这种关于‘金属’的定义只是上一世纪的事了,它早已进了科学历史的博物馆了。”