Металлическая связь

Золото можно расковать в листок такой тонкий, что сквозь него проходит свет. Металлическая связь гнётся, а не рвётся.

Медный провод несёт электричество в твой дом, алюминиевая сковорода распределяет тепло по дну, а стальная скрепка гнётся и не ломается. Всё это следует из того, как атомы металла связаны друг с другом. Здесь нет ни передачи электронов, как в ионной связи, ни обобществления пар, как в ковалентной. Это третий способ: внешние электроны принадлежат сразу всему куску металла.

Море электронов

У атомов металлов мало внешних электронов, они удерживаются слабо, а электроотрицательность низкая. Когда множество атомов металла плотно упаковано, внешние электроны больше не привязаны к какому-то одному атому. Они перемещаются между всеми атомами, и остаётся правильная решётка положительных ионов металла в общем облаке отрицательных электронов. Притяжение между ионами и этим облаком и есть металлическая связь. Химики часто называют облако электронным газом (морем электронов), а электроны делокализованными, то есть не закреплёнными на одном месте.

Что объясняет электронный газ

Во-первых, электропроводность. Подключи батарейку к медному проводу, и свободные электроны начнут дрейфовать к положительному полюсу. Это и есть электрический ток. Те же подвижные электроны быстро переносят тепло от горячей части металла к холодной. Ещё один пример: блеск. Свободные электроны поглощают и снова испускают свет у поверхности, и поэтому металлы блестят, как зеркало.

Самое полезное свойство: ковкость. Если в ионном кристалле сдвинуть один слой, одноимённые заряды окажутся друг напротив друга, и кристалл раскалывается. В металле при сдвиге слоёв ионов электронный газ просто обтекает их и продолжает всё скреплять. Поэтому металлы можно расковать в листы (ковкость) и вытянуть в проволоку (пластичность). Золото здесь рекордсмен: его можно расковать в листок такой тонкий, что сквозь него видно свет.

Прочная, но не одинаково

Прочность металлической связи сильно различается, и это видно по температурам плавления. Вольфрам, у которого в электронном газе много электронов, плавится при 3695 K, около 3422 °C, поэтому из него делали нити ламп накаливания. Ртуть плавится примерно при −39 °C и на подоконнике остаётся жидкой. Галлий плавится примерно при 29.8 °C, так что кусочек может растаять в руке. Натрий и калий, металлы группы 1 с одним внешним электроном, настолько мягкие, что режутся ножом, и плавятся ниже 100 °C (натрий примерно при 98 °C, калий примерно при 63 °C).

Электронному газу всё равно, какие именно ионы он окружает, поэтому металлы легко смешиваются в сплавы. Сталь представляет собой железо с небольшой добавкой углерода. Бронза получается из меди и олова, латунь из меди и цинка. Атомы разного размера мешают слоям скользить, поэтому сплавы обычно твёрже и прочнее чистых металлов, из которых они сделаны.

Металлическая связь объясняет и место металлов в периодической таблице. Атомы с небольшим числом внешних электронов и низкой электроотрицательностью, слева и в середине, при плотной упаковке отдают эти электроны в общий электронный газ. Неметаллы справа держат свои электроны слишком крепко, поэтому они связываются через общие пары. Металлоиды вдоль лесенки находятся посередине. Кремний держит электроны достаточно крепко, чтобы плохо проводить ток, но достаточно слабо, чтобы нагрев, свет или небольшая примесь освободили часть из них. Так и работает полупроводник.