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]

               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。

           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