金属結合：定義、特性、および例

金属結合の仕組みを理解する

金属結合は、 化学結合の一種 自由電子が格子間で共有されている正に荷電した原子間で形成される カチオンの .対照的に、 共有結合 と イオン結合 2 つの離散原子間で形成されます。金属結合は、金属原子間に形成される主なタイプの化学結合です。

マーク・ガーリック/サイエンスフォトライブラリー/ゲッティイメージズ

純粋に金属結合が見られる 金属 および合金および一部の半金属。たとえば、グラフェン (炭素の同素体) は、2 次元の金属結合を示します。金属は、純粋なものであっても、原子間に他の種類の化学結合を形成できます。たとえば、水銀イオン (Hg₂²⁺) 金属間共有結合を形成することができます。純粋なガリウムは、金属結合によって周囲のペアにリンクされている原子のペア間に共有結合を形成します。

金属結合のしくみ

金属原子の外側のエネルギー準位 ( s と p 軌道）が重なります。金属結合に関与する価電子の少なくとも 1 つは、隣接する原子と共有されず、イオンを形成するために失われることもありません。代わりに、電子は「電子の海」と呼ばれるものを形成します。この海では、価電子が 1 つの原子から別の原子に自由に移動できます。

電子海モデルは、金属結合を単純化しすぎています。電子バンド構造または密度関数に基づく計算は、より正確です。金属結合は、材料が非局在化した電子よりも多くの非局在化エネルギー状態を有する結果として見られる場合があり (電子欠乏)、局在化した不対電子が非局在化して可動性になる可能性があります。電子はエネルギー状態を変化させ、格子内を任意の方向に移動できます。

結合は、非局在電子が局在コアの周りを流れる金属クラスター形成の形を取ることもあります。結合形成は条件に大きく依存します。たとえば、水素は高圧下の金属です。圧力が低下すると、結合は金属結合から無極性共有結合に変化します。

金属結合と金属特性の関連付け

電子は正に帯電した原子核の周りに非局在化しているため、金属結合によって金属の多くの特性が説明されます。

イメージギャップ/ゲッティイメージズ

電気伝導性 : ほとんどの金属は、電子海の電子が自由に動き、電荷を運ぶため、優れた電気伝導体です。導電性の非金属 (グラファイトなど)、溶融イオン化合物、および水性イオン化合物は、電子が自由に動き回るという同じ理由で電気を伝導します。

熱伝導率 : 金属が熱を伝導するのは、自由電子がエネルギーを熱源から遠ざけることができるためです。また、原子の振動 (フォノン) が固体金属を波として移動するためです。

延性 : 金属は、原子間の局所的な結合が容易に切断され、再形成されるため、延性があり、細い線に引き伸ばされる傾向があります。単一の原子またはそれらのシート全体が互いにすり抜けて、結合を再形成することができます。

可鍛性 : 金属は、原子間の結合が容易に壊れて再形成されるため、多くの場合、可鍛性があり、型に成形したり叩いたりすることができます。金属間の結合力は無方向性であるため、金属を引き伸ばしたり成形したりしても、金属が破損する可能性は低くなります。結晶内の電子は、他の電子に置き換えられることがあります。さらに、電子は互いに離れて自由に移動できるため、金属を加工しても、強い反発力によって結晶を破壊する可能性のある、同じ電荷を帯びたイオンが一緒になることはありません。

金属光沢 : 金属は光沢があり、金属光沢を示す傾向があります。一定の最小厚さが達成されると、それらは不透明になります。電子の海は、滑らかな表面から光子を反射します。反射できる光には周波数の上限があります。

金属結合における原子間の強い引力により、金属は強くなり、高密度、高融点、高沸点、および低揮発性が得られます。例外があります。例えば、水銀は通常の状態では液体であり、蒸気圧が高いです。実際、亜鉛族のすべての金属 (Zn、Cd、および Hg) は比較的揮発性があります。

金属結合の強度はどのくらいですか?

結合の強さは参加原子に依存するため、化学結合の種類をランク付けすることは困難です。共有結合、イオン結合、および金属結合はすべて、強い化学結合である可能性があります。溶融金属でも強力に結合できます。例えば、ガリウムは融点が低くても不揮発性で沸点が高い。条件が正しければ、金属結合は格子さえ必要としません。これは、アモルファス構造を持つガラスで観察されています。