Définition, propriétés et exemples des liaisons métalliques

Une liaison métallique est un type de liaison chimique formée entre des atomes chargés positivement dans laquelle les électrons libres sont partagés entre un réseau de cations. En revanche, des liaisons covalentes et ioniques se forment entre deux atomes discrets. La liaison métallique est le principal type de liaison chimique qui se forme entre les atomes métalliques.

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Les liaisons métalliques sont observées dans les métaux et alliages purs et certains métalloïdes. Par exemple, le graphène (un allotrope de carbone) présente une liaison métallique bidimensionnelle. Les métaux, même purs, peuvent former d'autres types de liaisons chimiques entre leurs atomes. Par exemple, l'ion mercureux (Hg₂²⁺) peut former des liaisons covalentes métal-métal. Le gallium pur forme des liaisons covalentes entre des paires d'atomes qui sont liées par des liaisons métalliques aux paires environnantes.

Fonctionnement des obligations métalliques

Les niveaux d'énergie extérieure des atomes de métal (le s et p orbitales) se chevauchent. Au moins un des électrons de valence participant à une liaison métallique n'est pas partagé avec un atome voisin, ni perdu pour former un ion. Au lieu de cela, les électrons forment ce qui peut être appelé une "mer d'électrons" dans laquelle les électrons de valence sont libres de se déplacer d'un atome à l'autre.

Le modèle de la mer d'électrons est une simplification excessive de la liaison métallique. Les calculs basés sur la structure électronique des bandes ou les fonctions de densité sont plus précis. La liaison métallique peut être considérée comme la conséquence d'un matériau ayant beaucoup plus d'états d'énergie délocalisés qu'il n'a d'électrons délocalisés (déficience électronique), de sorte que les électrons non appariés localisés peuvent devenir délocalisés et mobiles. Les électrons peuvent changer les états énergétiques et se déplacer dans un réseau dans toutes les directions.

La liaison peut également prendre la forme d'une formation de grappes métalliques, dans laquelle des électrons délocalisés circulent autour de noyaux localisés. La formation de liaisons dépend fortement des conditions. Par exemple, l'hydrogène est un métal sous haute pression. À mesure que la pression diminue, la liaison passe de covalente métallique à covalente non polaire.

Relier les obligations métalliques aux propriétés métalliques

Parce que les électrons sont délocalisés autour de noyaux chargés positivement, la liaison métallique explique de nombreuses propriétés des métaux.

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Conductivité électrique: La plupart des métaux sont d'excellents conducteurs électriques car les électrons dans la mer d'électrons sont libres de se déplacer et de porter des charges. Les métaux non conducteurs (tels que le graphite), les composés ioniques fondus et les composés ioniques aqueux conduisent l'électricité pour la même raison: les électrons sont libres de se déplacer.

Conductivité thermique: Les métaux conduisent la chaleur parce que les électrons libres sont capables de transférer l'énergie loin de la source de chaleur et aussi parce que les vibrations des atomes (phonons) se déplacent à travers un métal solide comme une onde.

Ductilité: Les métaux ont tendance à être ductiles ou à pouvoir être tirés en fils fins car les liaisons locales entre les atomes peuvent être facilement brisées et également reformées. Des atomes uniques ou des feuilles entières peuvent glisser les uns sur les autres et reformer les liaisons.

Malléabilité: Les métaux sont souvent malléables ou capables d'être moulés ou pilés en forme, encore une fois parce que les liaisons entre les atomes se brisent et se reforment facilement. La force de liaison entre les métaux n'est pas directionnelle, donc le dessin ou la mise en forme d'un métal est moins susceptible de le fracturer. Les électrons d'un cristal peuvent être remplacés par d'autres. De plus, parce que les électrons sont libres de s'éloigner les uns des autres, le travail d'un métal ne force pas ensemble les ions chargés, ce qui pourrait fracturer un cristal par la forte répulsion.

Lustre métallique: Les métaux ont tendance à être brillants ou à afficher un éclat métallique. Ils sont opaques une fois qu'une certaine épaisseur minimale est atteinte. La mer d'électrons réfléchit les photons sur la surface lisse. Il y a une limite de fréquence supérieure à la lumière qui peut être réfléchie.

La forte attraction entre les atomes dans les liaisons métalliques rend les métaux solides et leur donne une densité élevée, un point de fusion élevé, un point d'ébullition élevé et une faible volatilité. Il y a des exceptions. Par exemple, le mercure est un liquide dans des conditions ordinaires et a une pression de vapeur élevée. En fait, tous les métaux du groupe du zinc (Zn, Cd et Hg) sont relativement volatils.

Quelle est la force des obligations métalliques?

Parce que la force d'une liaison dépend de ses atomes participants, il est difficile de classer les types de liaisons chimiques. Les liaisons covalentes, ioniques et métalliques peuvent toutes être de fortes liaisons chimiques. Même dans le métal en fusion, la liaison peut être forte. Le gallium, par exemple, est non volatil et a un point d'ébullition élevé même s'il a un point de fusion bas. Si les conditions sont réunies, le collage métallique ne nécessite même pas de treillis. Cela a été observé dans des verres qui ont une structure amorphe.