Liaisons métalliques

L'or peut être battu en feuilles si fines que la lumière les traverse. Les liaisons métalliques se plient au lieu de se rompre.

Un fil de cuivre amène l'électricité dans ta maison, une casserole en aluminium répartit la chaleur sur tout son fond, et un trombone en acier se plie sans casser. Ces faits de tous les jours viennent de la façon dont les atomes de métal se lient entre eux. Ce n'est ni le transfert de la liaison ionique ni le partage par paires de la liaison covalente, mais un troisième arrangement, dans lequel les électrons externes appartiennent en même temps à tout le morceau de métal.

Une mer d'électrons

Les atomes de métal n'ont que quelques électrons externes, faiblement retenus, et une faible électronégativité. Quand de nombreux atomes de métal s'empilent, ces électrons externes ne sont plus attachés à un atome particulier. Ils circulent entre tous les atomes, et il reste un arrangement régulier d'ions métalliques positifs dans un nuage commun d'électrons négatifs. L'attraction entre les ions et ce nuage d'électrons est la liaison métallique. Les chimistes appellent souvent ce nuage une mer d'électrons, et les électrons sont dits délocalisés, c'est-à-dire non fixés à un endroit.

Ce qu'explique la mer d'électrons

D'abord la conductivité. Relie une pile à un fil de cuivre et les électrons libres se déplacent vers la borne positive : c'est un courant électrique. Ces mêmes électrons mobiles transportent rapidement la chaleur d'une partie chaude du métal vers une partie froide. Ensuite l'éclat : les électrons libres absorbent la lumière à la surface puis la réémettent, ce qui donne aux métaux leur aspect brillant, comme un miroir.

La malléabilité est la plus utile. Dans un cristal ionique, faire glisser une couche met des charges de même signe face à face et le cristal se brise. Dans un métal, quand des couches d'ions glissent les unes sur les autres, la mer d'électrons coule simplement autour d'elles et continue de tout maintenir. C'est pourquoi on peut marteler les métaux en feuilles (ils sont malléables) et les étirer en fils (ils sont ductiles). L'or est le cas extrême : on peut le battre en feuilles si fines que la lumière passe au travers.

Solides, mais pas tous autant

La force de la liaison métallique varie beaucoup, et les températures de fusion le montrent. Le tungstène, avec beaucoup d'électrons dans la mer, fond à 3695 K, environ 3422 °C, et c'est pourquoi on l'utilisait pour les filaments des ampoules. Le mercure fond vers −39 °C et il est liquide sur un rebord de fenêtre. Le gallium fond vers 29.8 °C : un morceau peut fondre dans ta main. Le sodium et le potassium, métaux du groupe 1 avec un seul électron externe chacun, sont assez mous pour être coupés au couteau et fondent en dessous de 100 °C (le sodium vers 98 °C, le potassium vers 63 °C).

Comme la mer d'électrons se moque de savoir exactement quels ions elle entoure, les métaux se mélangent facilement en alliages. L'acier, c'est du fer avec un peu de carbone. Le bronze, c'est du cuivre avec de l'étain, et le laiton du cuivre avec du zinc. Les atomes de tailles différentes empêchent les couches de glisser facilement, donc les alliages sont en général plus durs et plus solides que les métaux purs dont ils sont faits.

La liaison métallique explique aussi la place des métaux dans le tableau périodique. Les atomes qui ont peu d'électrons externes et une faible électronégativité, à gauche et au milieu, cèdent ces électrons à une mer commune quand ils s'empilent. Les non-métaux, à droite, retiennent trop fort leurs électrons pour cela : ils se lient donc plutôt en partageant des paires. Les métalloïdes, le long de l'escalier, sont entre les deux. Le silicium retient ses électrons assez fort pour être un mauvais conducteur, mais assez faiblement pour que la chaleur, la lumière ou un peu d'impureté ajoutée en libère quelques-uns : c'est ainsi que fonctionne un semi-conducteur.