金属結合

金は、光が透けるほど薄い箔になるまでたたきのばせます。金属結合は切れずに曲がるのです。

銅線は家に電気を運び、アルミニウムのなべは底全体に熱を広げ、鋼鉄のクリップは折れずに曲がります。こうした身近な事実は、金属原子どうしの結合のしかたから生まれます。それはイオン結合のような電子の受け渡しでも、共有結合のような二つずつの共有でもなく、最外殻の電子が金属のかたまり全体に同時に属するという三つ目の配置です。

電子の海

金属原子は弱く引きつけられた最外殻の電子を少ししかもたず、電気陰性度も小さいです。多くの金属原子が詰まり合うと、その最外殻の電子はもはや特定の原子に縛られません。すべての原子のあいだをただよい、あとには、共有された負の電子の雲の中に正の金属イオンが規則正しく並んだものが残ります。イオンと電子の雲のあいだの引力が金属結合です。化学者はこの雲を電子の海とよぶことが多く、その電子を非局在化した電子、つまり一か所に固定されていない電子とよびます。

電子の海で説明できること

まずは電気の通しやすさです。銅線に電池をつなぐと、自由な電子が正極のほうへ移動します。これが電流です。同じ動きやすい電子が、金属の熱い部分から冷たい部分へすばやく熱を運びます。つやもそうです。自由な電子が表面で光を吸収して放ち直すので、金属は鏡のような光沢をもちます。

いちばん役に立つのは展性と延性です。イオン結晶では一つの層がずれると同じ電荷どうしが向かい合い、結晶は割れてしまいます。金属では、イオンの層どうしがずれても電子の海がそのまわりを流れ、すべてをつなぎとめ続けます。だから金属はたたいて板にしたり（展性）、引きのばして針金にしたり（延性）できるのです。金はその極端な例で、光が透けて見えるほど薄い箔にたたきのばせます。

強いが、強さは同じではない

金属結合の強さは大きく異なり、融点にそれが表れます。電子の海に多くの電子をもつタングステンは3695 K、約3422 °Cで融解し、そのため電球のフィラメントに使われていました。水銀は約−39 °Cで融解し、窓辺では液体です。ガリウムは約29.8 °Cで融解するので、ひとかけらが手の中でとけることがあります。最外殻電子をそれぞれ一つしかもたない1族の金属のナトリウムとカリウムは、ナイフで切れるほどやわらかく、100 °Cより低い温度で融解します（ナトリウムは約98 °C、カリウムは約63 °C）。

電子の海は、どのイオンを囲んでいるかをあまり問わないので、金属は混ざり合って合金になりやすいのです。鋼は鉄に少量の炭素を加えたものです。青銅は銅とスズ、黄銅（真ちゅう）は銅と亜鉛です。大きさのちがう原子が層をずれにくくするので、合金はふつうもとの純粋な金属よりかたく強くなります。

金属結合は、周期表で金属がどこにあるかも説明します。最外殻電子が少なく電気陰性度が小さい、左側と中央の原子は、詰まり合うとその電子を共有の海に差し出します。右側の非金属は電子を強く引きつけすぎていてそれができないので、かわりに二つずつ共有して結合します。階段状の境目に沿った半金属はその中間です。ケイ素は電子をかなり強く引きつけているので電気をあまり通しませんが、熱や光、少量の不純物を加えると電子の一部が自由になるくらいには弱く、これが半導体のしくみです。