03.05 无数铁原子为什么能组成一块铁?那两块铁放在一起为什么不会粘在一块?

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原因就是两块铁即使靠在一起,两者的距离也超过了分子(原子)间引力的作用范围,超过了作用范围,引力也无能为力,所有两块铁无法粘在一起。

四种基本力

自然界中物质之间的相互作用可以概括为四种基本力:从强到弱依次为强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力。

分子间的作用力有范德华力、氢键和金属键等,铁原子间的相互作用力为金属键,金属键存在于金属原子之间,与金属的诸多性质有关,如导电性、延展性、密度和溶解度等。


图释:金属结构示意图

金属键和共价键的性质相似,属于化学键的一种,在四种基本力中属于弱相互作用,这个理论虽然有争议,但我们可以从弱相互作用的角度去理解。

一定条件下两块铁是可以粘到一起的

弱相互作用的特点是作用力弱、作用范围小,如果使得距离进一步减小是可以使两块铁粘在一起的。在我国没有焊接技术的古代,铁匠通过敲击两块铁来减小原子间距离,将两块铁粘到一起。

图释:金属键示意图

破镜难重圆的原因

类似的现象还有我们常说的破镜难重圆,玻璃分子之间的作用力是范德华力,其作用特点是随着距离减小、引力快速增加,但是距离继续减小,引力转化为斥力,且斥力迅速增加。

图释:范德华力随距离变化图

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核先生科普


随便两块铁放在一起,表面杂质,粗糙度。空气分子等影响是很难黏在一起,但你要是将表面清洁抛光再贴合在一起一段时间便会“粘”在一起。在工业上还有利用这个特性的焊接技术——冷焊。

在平常生活中你要是将两块铁夹在一起,在没有生锈的情况下,经过几年他们也是可以“粘”在一起的。

工业界可以将这个“粘”的过程时间大幅缩短,可以很快的“粘”在一起,便是冷焊技术。

比如我对两个洁净处理的平面进行加压处理,就可以进行冷焊。

冷焊有时候还会对一起机器造成危害,其中最主要的危害是航天器。

  • 太空是高真空环境的,金属表面会相互接触引起粘合现象,如果表面达到原子清洁程度,真空作用下即引起冷焊。曾经有航天器因为太阳能板支架发生冷焊现象,直接打不开。


有初有终


铁原子“聚在一块”形成一个完整的铁块,其实质是通过金属键完成的。铁原子和相邻的原子形成了金属键,相当于共享了自己的外层电子,通过这种外层电子的共享,实现了相互之间的联系,从而形成一个完整的铁块。也正是因为每个铁原子外层的电子都是相互共享的,有点类似于大π键的感觉,所以金属里面有很多自由电子,导电性极好。



当然了,金属原子的排列也并不混乱,而是根具周围的环境按照一定的晶型排列。我们常做透射电镜的同学,肯定见过金属的透射电镜形貌,并可以清晰地看到它们的晶格间距以及模糊的原子排列样貌。



虽然铁原子相互之间可以形成金属键,但是两块铁即便相互靠近,其表面的铁原子也很难再次相互形成金属键而链接在一起。因为不同的铁块,其晶型很可能不一样。即便晶型一样,那么不同铁块的表面铁原子晶面性质也不可能一样,相互之间根本就不匹配,所以无法很好地结合在一起再次形成一个规整的晶体。



但是如果把铁原子表面高温融化,则就会破坏表面晶型,使之成为无定形,这样两块铁表面的原子就可以越过金属键形成能垒,相互结合进而变成一个整体。


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听说过“破镜不能重圆”吗?这涉及分子动理论,分子动理论的基本内容:物体是由大量分子组成的,分子都在不停地做无规则的运动,分子间存在着引力和斥力。



固体能保持一定的体积和形状,将一部分与另一部分分开,还比较困难,就是因为分子间存在引力。固体和液体很难被压缩,就是因为分子间存在斥力。分子间的引力和斥力是同时存在的,并且都随分子间距离的增大而很快减小。当分子间的距离大于分子直径的10倍以上时,分子间的作用力就变得十分微弱,就近似地认为分子间不存在作用力了。


完整的镜子,其分子间的距离很小,分子间的作用力很大,所有分子结合成一个整体。当镜子分裂以后,不同部分放在一起,相邻部分的绝大多数分子间的距离不可能小到破裂前那样(几乎都不能小于分子直径的10倍),分子间的作用力很小,难以将不同部分结合在一起。

至于铁块,大家说呢。


甜甜向上314159


答:两块铁的接触面,晶型之间难以完全契合,当铁原子之间的距离不够近时,分子之间的引力非常弱;而且空气中铁表面会被氧化,还会存在空气分子吸附在铁表面,隔阻了铁原子间的契合。


两个表面光滑的铅块,在相互压紧后会粘在一起,这是因为分子间存在引力;在高度真空中,把两块光滑的铁块用力压在一起,铁块也会被粘在一起,这就是铁的冷焊现象。

在铁块内部,相邻铁原子间以金属键连接,相当于共用外层核外电子,形成稳定的晶体结构;原子间在一定范围内会产生吸引力,小于一定距离后会转变为排斥力,如果距离大于10倍原子直径,原子间的吸引力将会非常微弱。

把两块铁合在一起时,铁块表面的晶型结构无法完全契合,接触面之间的分子距离,远远达不到吸引力起作用的范围,所以无法粘在一起。

而且在空气中,接触面的铁原子会被氧化,形成氧化铁;空气分子本身也会吸附在铁的表面,这会进一步阻碍铁块之间的接触。


如果把铁块的接触面处理得非常光滑,然后立刻放到高度真空中,施加一定压力让铁块接触,会大大增加铁块间铁原子的接触面积,就有可能使铁块之间的分子引力起作用,从而粘在一起。

或者把铁表面加热至熔融状态,破坏铁块表面的晶型结构再合到一起,当铁块冷却时,会形成新的晶型结构,也能使铁块粘在一起。


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( 1 )首先,题主平时看到的所谓"铁" 其实是"钢”。铁这种物质是"单质",它由铁元素组成,化学符号是Fe ; 钢是由多种元素组成的“合金",组成最简单的一种钢都包括6种元素: 铁Fe、碳C、硅Si、锰Mn、磷P、硫S,100%的纯净的铁,非专业的研究人员是接触不到的。

( 2 )铁是单质、钢是合金,但它们都是“物质"。何以两塊铁(题主看到的其实是钢)合起来不会粘在一起,这就涉及到物质的构造《原子分子论》和钢的内部结构原理。

( 3 )铁和钢在固体状态下都是结晶体,在液体状态下是非结晶体。由液体冷却到固体的过程中,组成它们的原子排列成一个个立方体形状的单元,呌做“晶格”,许许多多的晶格就组成了铁或者钢,这就是题主说的“很多铁原子能组成一塊铁” 的全过程。该过程的最低温度是723摄氏度,低于723度,"铁" 和 "钢"中的原子不再有位置的移动,这就是“两塊铁合在一起不能粘在一起“ 的道理。对这个过程的详细描述是由 《铁碳平衡图》完成的。只要是讲钢铁的科技书籍里都有《铁碳平衡图》,你翻来看一下就全明白了。


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化学研究物质的原子与分子的关系学科。所以只能用化学解释。铁原子之间形成化学键构成分子。由于铁的化学键特别,是一层平面原子上下各一层大派键,相当于一个极大的分子,所以铁原子层与层之间可以滑动,所以铁可以延展,弯曲,有弹性。当打铁时,铁内部的没有形成大分子的部分铁原子被反复揉搓中分离出来,最后可能合成只剩下一个大分子,所以宝剑经过锻造就特别坚固,就是因为铁中的杂质出来了。如果铁杂质在铁内部都不能形成大分子,那么二块铁放在一起怎么可能形成一个大分子呢?除非打铁利用撞击将二块铁结合一起,这时铁原子撞击后,距离足够近,可能结合形成大派键,从而实现二块铁合成一块。通常物体互相靠近达不到非常近的程度,以至于近到可以产生形成化学键的程度。人类可以看到的近,对于原子来说都是非常遥远,所以二块铁没有近到可以结合的程度。


蜜蜂11605


这个问题有意思。

其实,无数铁原子组成一块铁的这种说法是不严谨的,确切的说,无数铁原子通过与其他“尚未可见”的粒子或物质发生了彼此之间的相互作用,最终才组成了一个铁块。

那么,两块体为什么不能粘在一起呢?

答,作为一块铁而言,是不具有与自身完全同类的物质发生作用关系的可能的,即使两块看似一样的铁,也绝不是同类的,不发生彼此的作用也是不可能的,只不过因为条件不适配而作用效果不明显罢了。

其二,所谓,铁原子粘合在一起组成了铁,这只不过是我们目前所能看到的现象而已,并不是用胶水粘在一起的,而且,并没有一个完全相同的铁原子。

其三,无论是可见的,还是不可见的物质或粒子,其都是唯一性的独立的个体,没有任何一个是完全同样的,只不过人们现在的探知能力有限而认为是一样的罢了。

其四,个体之间发生作用,一定是源于“不一样”。


北京得明


铁是金属晶体,理论上是一个巨型分子,别人说的很全了。

第二个问题

我说一个,卡西米尔效应,这与真空量子场有关,需要一些比较高等的数学计算手段。

具体的可以百度。简单讲就是波产生的压力,只要是平行金属板都可以被整合。

再加上各种别的力,所以理论上只要是纯的铁,就可以压成一个整体,所以是有可能可以粘到一起的只要条件足够。

第一个问题

金属原子构成金属晶体的原理很简单,就是金属原子两两结合形成金属键,电子到一起拉帮结派形成电子气。电子气像润滑油,于是金属有了延展性,电子气还能定向移动,于是金属通性还有导电性。 整个金属其实看起来像是一个巨型分子。


偷学使我骄傲


一堆散乱的铁原子放在一起和两个铁块放在一起一样,都不会成一个整体,而是单个的铁原子。


物质是由原子分子构成的,粒子间有相互作用力,但不论是引力还是斥力都是在一定的距离范围内才起作用。



分散的原子间的距离远远大于引力和斥力的作用范围,铁块间的缝隙也是如此。所以它们不会成为一体。想要将它们合为一个整体必须强行使他们彼此更近,然后先克服掉斥力,然后再近一步到了原子引力的范围内,这时它们就结合在一起了。成为了一个整体。


所以无论是散乱的原子、分子、宏观物质都不会简单的放在一起就成为一个整体。必须要彼此接近到克服了斥力达到引力作用范围内才能成为一个整体。


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