金属导电和离子导电的区别

金属导电和离子导电的区别和相同点
袁小惠 杜云云 吉祥 校大伟
（西北大学化学系05级化学专业 西安 710069）
摘要：本文对金属导电和离子导电的原因、影响以及二者的区别和联系作了叙述性的分析，并对它们的运用作了相关的介绍。

关键词：金属导电、离子导电、金属价电子理论、离子化合物
一、引言
随着人类对自然的认识的利用，电由最初的自然形式－闪电成为现代社会发展的动力之一。

而导体是对电的利用过程中必备物质。

导体有两类，一类是金属导体，电流的载体是电子，电子流动的反方向，即电流的方向；另一类导体为电解质，电流的载体为离子，在一定的电场推动下，正离子向负极，负离子向正极迁移，电流的方向与正离子的迁移方向一致。

二、金属导电的原因及影响因素
由金属的能带理论可知，依据原子轨道不同，金属晶体中的能级的不同，多数晶体中的能带有满带、导带之分。

满带顶和导带底间隔为禁带从能带理论的观点，一般固体都具有能带结构中禁带宽度和能带中电子填充的状况，可以决定固体材料是导体、半导体或绝缘体。

1)一般金属体的电子能带是半满的或价电子能带虽是全满的，但是有空的能带，而且两个能带能量间隔很小，彼此能发生部分的重叠（图2）当外电场存在时，(1)的情况由于能带中未充满电子，很容易导电，而(2)的情况由于满带中的价电子可以很容易的进入空的能带，因而也能导电。

2)绝缘体不导电因为它的价电子全在满带而导带是空的，而且满带顶与导带底之间的能量间隔(即禁带的宽度)大，E大于等于5eV所以在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁跃迁到导带，故不能导电,如图(3)。

3)半导体的能带如图(4)所示。

满带被电子充满，导带是空的，但这种能带结构中，禁带的宽度很窄（E＜5eV）。

在一般的情况下，半导体是不导电的。

但是在光照或在外加电场的作用下，满带上的电子，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带填充部分电子，同时在满带上留下空位（通常称为空穴），因此使导带
与原来的满带均未充满电子，因而能导电。

图(1) 图(2)
图(3) 图(4)
三、金属导电的微观模型
英国科学家汤姆生发现了电子，为金属导电模型的建立提供了重要的依据。

此后，德国科学家德鲁德根据阿伏伽德罗常数对金属中的自由电子密度进行了估算，发现数值上与标准状况下理想气体的分子密度相近，通过类比大胆地提出了金属导电的“自由电子气模型”。

该模型认为，金属依靠自由电子导电，这些自由电子像气体分子一样无论何时都在做无规则的热运动。

当金属导体两端不加电压时，自由电子沿任意一个截面来说，任何时刻从两侧穿过宽的自由电荷数相等，的作用相互抵消，不倒形成电流；当金属内建立了电场，这些自由电子在恒定的电场力作用穿等于金属阳离子之间，不断地，与金属阳离子磕磕碰碰而受到阻力，电场力和碰撞的阻力达到平衡时，最终形成一个稳定的自由电子的定向移动速度，从而在金属导体中产生了电流。

加电压前加电压后
四、影响金属导电的因素
已知金属导电性同自由运动的电子有关。

在外加电场的影响下，自由电子沿着外加电场定向流动而形成电流。

1) 温度对金属导电的影响。

在金属晶体中由于晶格内的原子和离子不是静止的，而是在晶格结点上作一定幅度的振动，这种振动对电子的流动起着阻碍作用，加上阳离子对电子的吸引，构成了金属特有的电阻加热时原子和离子的振动加强，电子的运动受到更多的阻力，因而在多数情况下，随着温度的升高，金属的电阻加大，即金属的导电性变差。

2) 由金属导电模型可知，电流是自由电子的定向移动形成的，因而电流的大小与导体中自由电子的多少及其定向运动快慢有关。

设导体的横截面积为S，单位体积导体中的自由电子N，每个自由电子的电量为E，自由电子做定向移动的速度为V，那么在T时间内电子定向移动的距离为L＝V×T。

即在时间T内，体积V＝SVT内的自由电子全部通过了横截面积A，根据电流定义式，得
I＝Q/T＝(SVTNE/T)＝NEVS
这个式子是金属导体的微观表达式。

由此，自由电子通过不同截的定向移动速度与截面 在小成反比，即V1/V2＝S2/S1。

五、离子导电的原因及影响因素
离子化合物包括大多数的盐类以及许多的金属氧化物。

在通常的情况下，大多数是晶体。

它们的沸点很高，融化后可以导电，有的离子化合物能溶于水中，其水溶液也导电。

总之，导电性是它们的重要特征。

根据近代的观点，认为这些物质中都包含两种相反的离子－正离子和负离子。

如在氯化钠晶体内，由氯离子和钠离子通过相互作用形成离子键。

像这种由离子键形成的物质称为离子化合物。

1916年，柯尔塞提出下列观点，认为元素在形成化合物时可以失去或获得电子，以便达到稳定的惰性气体结构。

例如，钠原子的电子排列为2、8、1，它有失去电子的倾向，而变成2、8的电子排列，即氖的电子排列。

氯原子的电子排列为2、8、7，它就有获得一个电子的倾向，而变成2、8、8，的电子排除列。

柯尔塞认为各元素都有达到最稳定的电子排列的倾向。

而这个倾向就是促使原子失去电子的倾向，非金属元素有获得电子的倾向。

金属原子失去电子后就成为正离子，非金属原子就成为负离子，正、负离子借助静电作用力而形成离子化合物。

离子化合物有两种导电类型：
1) 离子化合物的熔融状态导电。

离子化合物在熔融状态时，外加电压会使正离子聚集在负极，负离子聚集在正极，从而有电流回路形成。

2) 电解质溶解于水后的导电。

被溶解的物质发生电离，产生大量的自由离子，在外加电压的作用下产生定向运动而导电。

对于电解质，习惯上以电导L、电导率κ来表示导电的能力，即L=1/R，κ为电阻率的倒数。

根据欧姆定律U=I/R，得到：κ=(I·L)/A=(I/A)/(V/1).该式表明电导池一定（电极表面积A与两个平行电极间距离l为定值），κ与L成正比，电导率κ是单位长度及面积所包围的那一部分电解质的电导，或者说是导体在单位长度上有1V的电压变化时，单位体积上的电流，其量纲为每欧姆每米。

六、金属导电和离子导电的运用
表1列出了金属导电和离子导电特点的差异及本质区别。

表1 金属导电和离子导电有其本质的不同，具体表现在比较内容金属溶液
导电原因金属内部存在大量
的自由电子
被溶解的物质发生电离
产生大量的自由离子
导电微粒自由电子带正电的阳离子和带负电的阴离子
通电时导电微
粒的移动方向
负极正极阳极阴极导电物质
发生的变化
物理变化物理、化学变化影响导电性
能的因素
金属的结构、温度离子浓度、温度
金属导电在日常生活中发挥极大的作用。

半导体用于制光敏电阻，热敏电阻等等。

离子导电可运用于电池的制造和研究，电镀等。

熔融导电在提取钠等活泼金属中发挥极大的作用。

参考文献
1. 甘若兰离子化合物和离子间有哪些特点化学通报 1978（2）：45；
2. 陈虹绵主编无机与化学分析第六章第四节金属键理论.
3. 屠旭滨例说金属导电模型的运用中学物理教学参考第33卷第六期.
4. 物理化学第四版下册第十六章第五节.
5. 朝德刚，高执棣，高盘良物理化学第21章第3节电导；
6. 溶液导电与离子导电的区别张绍河中学生理科月刊 V ol.11 No.24 1997 22.。