Metaalbindingen

Goud kan zo dun worden geslagen dat licht erdoorheen schijnt. Metaalbindingen buigen in plaats van te breken.

Een koperdraad brengt elektriciteit je huis in, een aluminium pan verspreidt warmte over zijn bodem en een stalen paperclip buigt zonder te breken. Deze alledaagse feiten komen voort uit de manier waarop metaalatomen met elkaar binden. Het is niet de overdracht van de ionbinding en ook niet het delen in paren van de covalente binding, maar een derde rangschikking waarin de buitenste elektronen tegelijk van het hele stuk metaal zijn.

Een zee van elektronen

Metaalatomen hebben maar een paar buitenste elektronen, die los worden vastgehouden, en een lage elektronegativiteit. Als veel metaalatomen zich samenpakken, zijn die buitenste elektronen niet meer aan één atoom gebonden. Ze drijven tussen alle atomen, en wat overblijft is een regelmatig rooster van positieve metaalionen in een gedeelde wolk van negatieve elektronen. De aantrekking tussen de ionen en de elektronenwolk is de metaalbinding. Scheikundigen noemen de wolk vaak een zee van elektronen, en de elektronen gedelokaliseerd, wat betekent dat ze niet op één plek vastzitten.

Wat de elektronenzee verklaart

Geleiding is het eerste. Sluit een batterij aan op een koperdraad en de vrije elektronen drijven naar de positieve pool, wat een elektrische stroom is. Dezelfde beweeglijke elektronen voeren warmte snel van een heet deel van het metaal naar een koel deel. Glans is een ander: de vrije elektronen absorberen en stralen licht weer uit aan het oppervlak, wat metalen hun spiegelende glans geeft.

Smeedbaarheid is het nuttigste. In een ionkristal brengt het schuiven van één laag gelijke ladingen tegenover elkaar en spat het kristal uiteen. In een metaal stroomt de elektronenzee, als lagen ionen langs elkaar schuiven, gewoon om hen heen en blijft alles bij elkaar houden. Daarom kunnen metalen tot platen worden gehamerd (smeedbaar) en tot draden worden getrokken (rekbaar). Goud is het extreme geval en kan zo dun worden geslagen dat licht erdoorheen schijnt.

Sterk, maar niet even sterk

De sterkte van de metaalbinding verschilt sterk, en smeltpunten laten dat zien. Wolfraam, met veel elektronen in de zee, smelt bij 3695 K, ongeveer 3422 °C, daarom werd het gebruikt voor gloeidraden van lampen. Kwik smelt bij ongeveer −39 °C en is vloeibaar op een vensterbank. Gallium smelt bij ongeveer 29.8 °C, dus een stukje kan in je hand smelten. Natrium en kalium, metalen uit groep 1 met elk maar één buitenste elektron, zijn zacht genoeg om met een mes te snijden en smelten onder 100 °C (natrium bij ongeveer 98 °C, kalium bij ongeveer 63 °C).

Omdat de elektronenzee niet precies uitmaakt welke ionen hij omringt, mengen metalen makkelijk tot legeringen. Staal is ijzer met een kleine hoeveelheid koolstof. Brons is koper met tin, en messing is koper met zink. De verschillende atoomgroottes maken het moeilijker voor de lagen om te schuiven, dus legeringen zijn meestal harder en sterker dan de zuivere metalen waarvan ze zijn gemaakt.

Metaalbinding verklaart ook waar metalen in het periodiek systeem staan. Atomen met weinig buitenste elektronen en lage elektronegativiteit, links en in het midden, geven die elektronen af aan een gedeelde zee als ze zich samenpakken. Niet-metalen rechts houden hun elektronen daar te strak voor vast, dus ze binden door in paren te delen. De metalloïden langs de trap zitten ertussenin: silicium houdt zijn elektronen strak genoeg vast om een slechte geleider te zijn, maar los genoeg dat warmte, licht of een beetje toegevoegde onzuiverheid er een paar vrijmaakt, en zo werkt een halfgeleider.