Wiązanie metaliczne to rodzaj wiązania chemicznego utworzony między dodatnio naładowanymi atomami, w których wolne elektrony są wspólne dla sieci kationów. W przeciwieństwie, kowalencyjny i wiązania jonowe tworzą się między dwoma odrębnymi atomami. Wiązanie metaliczne jest głównym rodzajem wiązania chemicznego, które powstaje między atomami metali.
Wiązania metaliczne są widoczne w czystej postaci metale oraz stopy i niektóre metaloidy. Na przykład grafen (alotrop węgla) wykazuje dwuwymiarowe wiązanie metaliczne. Metale, nawet czyste, mogą tworzyć inne rodzaje wiązań chemicznych między atomami. Na przykład jon rtęciowy (Hg22+) może tworzyć wiązania kowalencyjne metal-metal. Czysty gal tworzy wiązania kowalencyjne między parami atomów, które są połączone wiązaniami metalicznymi z otaczającymi parami.
Jak działają wiązania metaliczne
Poziomy energii zewnętrznej atomów metali ( s i p orbitale) pokrywają się. Co najmniej jeden z elektronów walencyjnych biorących udział w wiązaniu metalicznym nie jest dzielony z sąsiednim atomem ani nie jest tracony w celu utworzenia jonu. Zamiast tego elektrony tworzą coś, co można nazwać „morzem elektronów”, w którym elektrony walencyjne mogą swobodnie przemieszczać się z jednego atomu na drugi.
Model elektronów morskich jest nadmiernym uproszczeniem wiązania metalicznego. Obliczenia oparte na elektronicznej strukturze pasma lub funkcjach gęstości są dokładniejsze. Wiązanie metaliczne może być postrzegane jako konsekwencja tego, że materiał ma znacznie więcej zdelokalizowanych stanów energetycznych niż on ma zdelokalizowane elektrony (niedobór elektronów), więc zlokalizowane niesparowane elektrony mogą ulec delokalizacji i mobilny. Elektrony mogą zmieniać stany energii i poruszać się po sieci w dowolnym kierunku.
Wiązanie może również przybrać formę tworzenia klastrów metalicznych, w których zdelokalizowane elektrony przepływają wokół zlokalizowanych rdzeni. Tworzenie się wiązań zależy w dużej mierze od warunków. Na przykład wodór jest metalem pod wysokim ciśnieniem. W miarę zmniejszania ciśnienia wiązanie zmienia się z kowalencyjnego metalicznego na niepolarny.
Powiązanie wiązań metalicznych z właściwościami metalicznymi
Ponieważ elektrony są delokalizowane wokół dodatnio naładowanych jąder, wiązanie metali wyjaśnia wiele właściwości metali.
Przewodnictwo elektryczne: Większość metali jest doskonałymi przewodnikami elektrycznymi, ponieważ elektrony w morzu elektronów mogą się swobodnie poruszać i przenosić ładunek. Przewodzące niemetale (takie jak grafit), stopione związki jonowe i wodne związki jonowe przewodzą elektryczność z tego samego powodu - elektrony mogą się swobodnie poruszać.
Przewodność cieplna: Metale przewodzą ciepło, ponieważ wolne elektrony są w stanie przenosić energię z dala od źródła ciepła, a także dlatego, że drgania atomów (fononów) przemieszczają się przez stały metal w postaci fali.
Plastyczność: Metale są zazwyczaj ciągliwe lub mogą być wciągane w cienkie druty, ponieważ lokalne wiązania między atomami można łatwo zerwać, a także przekształcać. Pojedyncze atomy lub całe ich arkusze mogą przesuwać się obok siebie i przekształcać wiązania.
Ciągliwość: Metale są często ciągliwe lub nadają się do formowania lub wbijania w kształt, ponownie, ponieważ wiązania między atomami łatwo pękają i przekształcają się. Siła wiązania między metalami jest niekierunkowa, więc ciągnięcie lub kształtowanie metalu jest mniej prawdopodobne, że go złamie. Elektrony w krysztale mogą być zastąpione innymi. Ponadto, ponieważ elektrony mogą swobodnie oddalać się od siebie, obróbka metalu nie wymusza ze sobą naładowanych jonów, które mogłyby rozbić kryształ w wyniku silnej odpychania.
Metaliczny połysk: Metale wydają się błyszczące lub mają metaliczny połysk. Są nieprzezroczyste po osiągnięciu określonej minimalnej grubości. Morze elektronów odbija fotony od gładkiej powierzchni. Istnieje górna granica częstotliwości światła, która może być odbijana.
Silne przyciąganie atomów w wiązaniach metalicznych czyni metale mocnymi i nadaje im wysoką gęstość, wysoką temperaturę topnienia, wysoką temperaturę wrzenia i niską lotność. Istnieją wyjątki. Na przykład rtęć jest cieczą w zwykłych warunkach i ma wysoką prężność pary. W rzeczywistości wszystkie metale z grupy cynku (Zn, Cd i Hg) są stosunkowo lotne.
Jak silne są wiązania metaliczne?
Ponieważ siła wiązania zależy od atomów jego uczestników, trudno jest uszeregować rodzaje wiązań chemicznych. Wiązania kowalencyjne, jonowe i metaliczne mogą być silnymi wiązaniami chemicznymi. Nawet w stopionym metalu wiązanie może być silne. Na przykład gal jest nielotny i ma wysoką temperaturę wrzenia, nawet jeśli ma niską temperaturę topnienia. Jeśli warunki są odpowiednie, wiązanie metaliczne nawet nie wymaga siatki. Zaobserwowano to w szkłach, które mają amorficzną strukturę.