Een metalen band is een soort chemische binding gevormd tussen positief geladen atomen waarin de vrije elektronen worden gedeeld door een rooster van kationen. In tegenstelling tot, covalent en Ionische bindingen vorm tussen twee afzonderlijke atomen. Metaalbinding is het belangrijkste type chemische binding dat zich vormt tussen metaalatomen.
Metaalbindingen worden gezien in puur metalen en legeringen en sommige metalloïden. Grafeen (een allotroop van koolstof) vertoont bijvoorbeeld tweedimensionale metaalbinding. Metalen, zelfs pure, kunnen andere soorten chemische bindingen tussen hun atomen vormen. Het kwikion (Hg22+) kunnen metaal-metaal covalente bindingen vormen. Zuiver gallium vormt covalente bindingen tussen atomenparen die door metalen bindingen zijn verbonden met omringende paren.
Hoe metallic obligaties werken
De uiterlijke energieniveaus van metaalatomen (de s en p orbitalen) overlappen. Ten minste één van de valentie-elektronen die deelnemen aan een metalen binding, wordt niet gedeeld met een buuratoom en gaat ook niet verloren om een ion te vormen. In plaats daarvan vormen de elektronen een zogenaamde "elektronenzee" waarin valentie-elektronen vrij zijn om van het ene atoom naar het andere te bewegen.
Het model van de elektronenzee is een te grote vereenvoudiging van de metaalbinding. Berekeningen op basis van elektronische bandstructuur of dichtheidsfuncties zijn nauwkeuriger. Metaalbinding kan worden gezien als een gevolg van een materiaal met veel meer gedelokaliseerde energietoestanden dan het heeft gedelokaliseerde elektronen (elektrondeficiëntie), waardoor gelokaliseerde ongepaarde elektronen kunnen worden gedelokaliseerd en mobiel. De elektronen kunnen van energietoestand veranderen en in een willekeurige richting door een rooster bewegen.
Binding kan ook de vorm aannemen van metallische clustervorming, waarbij gedelokaliseerde elektronen rond gelokaliseerde kernen stromen. De vorming van bindingen is sterk afhankelijk van de omstandigheden. Zo is waterstof een metaal onder hoge druk. Als de druk wordt verlaagd, verandert de binding van metallisch naar niet-polair covalent.
Metaalbindingen relateren aan metaaleigenschappen
Omdat elektronen zijn gedelokaliseerd rond positief geladen kernen, verklaart metalen binding veel eigenschappen van metalen.
Elektrische geleiding: De meeste metalen zijn uitstekende elektrische geleiders omdat de elektronen in de elektronenzee vrij kunnen bewegen en lading kunnen dragen. Geleidende niet-metalen (zoals grafiet), gesmolten ionische verbindingen en waterige ionische verbindingen geleiden om dezelfde reden elektriciteit: elektronen kunnen vrij bewegen.
Warmtegeleiding: Metalen geleiden warmte omdat de vrije elektronen energie van de warmtebron kunnen afvoeren en ook omdat trillingen van atomen (fononen) als een golf door een vast metaal bewegen.
Buigzaamheid: Metalen hebben de neiging ductiel te zijn of in dunne draden te worden getrokken omdat lokale bindingen tussen atomen gemakkelijk kunnen worden verbroken en ook kunnen worden hervormd. Enkele atomen of hele vellen ervan kunnen langs elkaar glijden en de banden hervormen.
Buigzaamheid: Metalen zijn vaak kneedbaar of kunnen worden gevormd of in een vorm worden geslagen, ook al omdat bindingen tussen atomen gemakkelijk breken en hervormen. De bindingskracht tussen metalen is niet-directioneel, dus het tekenen of vormen van een metaal zal het minder snel breken. Elektronen in een kristal kunnen worden vervangen door andere. Bovendien, omdat de elektronen vrij zijn om van elkaar weg te bewegen, dwingt het werken van een metaal geen gelijk geladen ionen samen, wat een kristal zou kunnen breken door de sterke afstoting.
Metallic glans: Metalen hebben de neiging glanzend te zijn of metaalachtige glans te vertonen. Ze zijn ondoorzichtig zodra een bepaalde minimale dikte is bereikt. De elektronenzee reflecteert fotonen van het gladde oppervlak. Er is een bovenfrequentielimiet voor het licht dat kan worden gereflecteerd.
De sterke aantrekkingskracht tussen atomen in metalen bindingen maakt metalen sterk en geeft ze een hoge dichtheid, een hoog smeltpunt, een hoog kookpunt en een lage vluchtigheid. Er zijn uitzonderingen. Zo is kwik onder normale omstandigheden een vloeistof en heeft het een hoge dampspanning. In feite zijn alle metalen in de zinkgroep (Zn, Cd en Hg) relatief vluchtig.
Hoe sterk zijn metallic obligaties?
Omdat de sterkte van een binding afhangt van de atomen van de deelnemer, is het moeilijk om soorten chemische bindingen te rangschikken. Covalente, ionische en metallische bindingen kunnen allemaal sterke chemische bindingen zijn. Zelfs in gesmolten metaal kan de hechting sterk zijn. Gallium is bijvoorbeeld niet-vluchtig en heeft een hoog kookpunt, ook al heeft het een laag smeltpunt. Als de omstandigheden goed zijn, is er voor metaalverlijming zelfs geen rooster nodig. Dit is waargenomen bij glazen met een amorfe structuur.