金属結合

「金属結合」とは、集合的に発生する多くの正に帯電した金属イオン間で価電子の海を共有することを指す言葉です。

化学結合の一種である金属結合は、光沢のある光沢、可鍛性、熱伝導性、電気伝導性など、金属に固有の多くの性質を担っています。

一部の金属サンプルには、金属結合と共有結合の両方があり、場合によっては観察できます。例としては、互いに共有結合したガリウム原子や、金属結合によって一緒に保たれた結晶構造を形成するガリウム原子などがあります。水銀イオンは、金属結合および共有結合を形成することもできます。

以下は、金属結合の強度に影響を与える要因の一部です:

• 非局在化された電子の総数
• 金属陽イオンによって運ばれる正電荷の量は、ボルトで測定されます。
• 陽イオンのイオン半径はミクロン単位で測定されます。

以下の図は、電子が金属結合に関与しているときに、金属イオンの硬い格子上で電子がどのように非局在化するかを説明するものです。

金属が溶融状態に加熱されると、金属の原子間の結合は破壊されません。代わりに、金属イオン間の結合が弱まり、規則正しい配列の金属イオンが定義された固体構造を失い、流動的になります。しかし、金属が沸点まで加熱されると、これらの接続は完全に破壊されます。

金属結合による特性

金属のいくつかの重要な特性は、金属結合によって付与され、商業的に有用です。これらの特性の一部については、このセクションの後半で詳しく説明します。

電気伝導度は、電荷が容易に通過できるようにする能力を示す物質の特性です。電子の海での電子の移動性は規制されていないため、金属を通過する電流は金属を通過します。

電位差が金属に適用されると、非局在化した電子が正に帯電した電荷の方向に移動し始めます。この理由は、金属は一般に電流の良導体であると考えられているためです.

2. 熱伝導率

一般的に言えば、熱を伝達または伝達する材料の能力は、その熱伝導率の観点から測定されます。一方の金属物質の電子の運動エネルギーを増加させると、その領域の電子の運動エネルギーが増加します。これらの電子と海中の他の電子との衝突により、それらの運動エネルギーが他の電子に伝達されます。

電子の移動度が高いほど、運動エネルギーの伝達速度が速くなります。これらの非常に可動性の高い非局在電子は、金属結合によって可能になります。その結果、他の電子と相互作用することにより、金属物質を通して熱を輸送することができます。

3. 材料の可鍛性と延性

イオン結晶（塩化ナトリウム結晶など）をハンマーで叩くと、多数の小さな破片に砕けます。これは、結晶内の原子が、容易に歪まない硬い格子に閉じ込められているためです。力 (ハンマーによって加えられるような) が存在する場合、これにより結晶構造が破壊され、最終的には結晶が粉砕されます。

金属を考えると、金属結合の電子の海が格子構造の変形を可能にします。その結果、金属をハンマーで繰り返し叩くと、硬い格子は粉砕されずに変形します。これが、スペースを節約するために金属を薄いシートに打ち込むことができる理由です。金属は、格子構造が簡単に壊れないため、非常に延性が高いと言われています。

4. 金属光沢

金属表面に光が入射すると、光子のエネルギーは金属結合を構成する電子の海に吸収されます。エネルギーを吸収すると、電子がさらに励起され、エネルギー準位が増加します。これらの励起された電子は短時間で基底状態に戻り、その過程で光を生成します。電子の脱励起によって引き起こされる発光は、金属に光沢と反射性のある金属光沢を与えます。

5. 高い融点と沸点

金属原子間の引力は、それらの間に存在する強い金属結合の結果として非常に高くなります。この引力に打ち勝つには、かなりのエネルギーを消費する必要があります。これが、そもそも金属の融点と沸点が高い理由の 1 つです。亜鉛、カドミウム、および水銀は、この規則の例外の例です (ns2 で終わる電子配置によって説明されます)。

金属同士の結合は、金属が溶けた状態でも強度を保つことができます。たとえば、ガリウムは摂氏 29.76 度で溶けますが、摂氏 2400 度でしか沸騰しません。その結果、溶融ガリウムは不揮発性液体に分類されます。

結論

金属結合は、これら 2 つの状態の間で発生する、非局在化した電子と正に帯電した原子核の間の引力です。圧倒的な存在感を放ち、あらゆる方向から見られます。発光スペクトルは、電子が励起状態からより低いエネルギー準位に遷移する結果として生成されます。金属塩の簡単な火炎試験は、塩の発光スペクトルに基づいています。