金属結合：特性、その形成方法と例 - 化学 - 2025

金属結合がしっかりと共に金属元素の原子を保持するものです。それは金属に存在し、硬くて延性があり、可鍛性のある材料であり、熱と電気の優れた導体であると特徴付けるすべての物理的特性を定義します。

すべての化学結合の中で、金属結合は、電子が1組の原子の間に排他的に配置されているのではなく、それらをしっかりと保持する一種の接着剤または「電子の海」の中で数百万の間で非局在化されている唯一の結合です。またはまとまりのある。

銅メタルボンド

たとえば、金属銅を想定します。銅では、そのCu原子が価電子を放棄して金属結合を形成します。この結合の上は、電子（黄色の円）で囲まれたCu ²⁺カチオン（青色の円）として表されます。電子はまだ残っていません。銅の結晶全体を移動します。ただし、金属では、陽イオンについてではなく、中性の金属原子について話します。

金属結合は、金属元素およびそれらの合金の特性を調べることによって検証されます。これらは、一連の光沢のある、銀の、丈夫で硬い材料を統合し、これらも高い融点と沸点を持っています。

金属結合はどのように形成されますか？

亜鉛の金属結合

金属結合は、金属原子の1つのセットまたはグループ間でのみ形成されます。電子が金属結晶全体に移動するためには、電子が移動できる「高速道路」が必要です。これは、隣接する原子のすべての原子軌道のオーバーラップから設計されています。

たとえば、亜鉛原子の行Zn···Zn···Zn···を考えます。これらの原子は、原子価原子軌道と重なり、分子軌道を作成します。次に、これらの分子軌道は、隣接するZn原子の他の軌道と重なります。

各亜鉛原子は2つの電子に寄与し、金属結合に寄与します。このようにして、分子軌道のオーバーラップまたはユニオン、および亜鉛によって提供された原子は、電子が接着剤または電子の海であるかのように、結晶全体に非局在化する「ハイウェイ」を発生させ、すべての金属原子を浸します。

金属結合の特性

構造

金属結合は、原子が密接に結合しているコンパクトな構造を生み出し、それらを隔てる距離はあまりありません。特定の構造のタイプに応じて、さまざまな結晶があり、他のものよりも密度の高いものがあります。

金属構造では、分子についてではなく、中性原子（または他の見方によると陽イオン）について話します。銅の例に戻ると、圧縮された結晶には、Cu-Cu共有結合を持つCu ₂分子はありません。

再編

金属結合には、それ自体を再編成する特性があります。これは共有結合とイオン結合では起こりません。共有結合が壊れても、何も起こらなかったかのように再形成されません。また、化学結合が起こらない限り、イオン結合の電荷は不変です。

この点を説明するために、例えば金属水銀を検討してください。

隣接する2つの水銀原子Hg···Hg間の金属結合は、結晶がそれを変形させる外力を受けた場合、壊れて別の隣接原子と再形成する可能性があります。

したがって、ガラスが変形する間、結合は再編成されます。これにより、金属に延性があり、展性のある材料としての特性が与えられます。さもなければ、高温になってもガラスやセラミックのように破れてしまいます。

熱および電気伝導率

金属結合が持つ電子を非局在化させる特性は、金属に熱と電気を伝導する能力も与えます。これは、電子が非局在化していたるところに移動しているため、波のように原子振動を効果的に伝達するためです。これらの振動は熱に変換されます。

一方、電子が移動すると、空のスペースが残り、他の人が占有できるため、より多くの電子が「流れる」ことができ、電流を発生させることができる電子的空室が生じます。

原則として、現象の背後にある物理理論に対処することなく、これは金属の電気伝導率の一般的な説明です。

金属光沢

非局在化した移動性の電子は、可視光の光子と相互作用してそれを排除することもできます。金属の密度と表面に応じて、灰色または銀のさまざまな色合い、または虹色の輝きを示すこともあります。最も例外的なケースは、特定の周波数の光子を吸収する銅、水銀、金のケースです。

電子の非局在化

金属結合を理解するには、電子の非局在化が何を意味するかを理解する必要があります。電子の位置を特定することは不可能です。ただし、それらが見つかる可能性が高い空間の領域は推定できます。共有結合ABでは、電子のペアは原子AとBを隔てる空間に分布しています。これらは、AとBの間にあるとされます。

しかし、AB金属結合では、電子がAB共有結合と同じように振る舞うとは言えません。それらは、AとBの2つの特定の原子の間に位置するのではなく、密集している、つまりAとBの原子が密集している固体の他の部分に拡散または誘導されます。

これがそうである場合、金属結合の電子は非局在化されていると言われます。それらは、銅原子とその電子を含む最初の画像に示すように、AとBの原子がある任意の方向に移動します。

したがって、金属結合では、これらの電子の非局在化について話します。この特性は、金属が持つ多くの特性の原因です。電子の海の理論もそれに基づいています。

金属結合の例

日常生活で一般的に使用されるいくつかの金属リンクは次のとおりです。

-金属元素

亜鉛

亜鉛の金属結合

遷移金属である亜鉛では、その原子は金属結合によって結合されています。

ゴールド（Au）

純金は、この材料と銅および銀との合金のように、現在、高級ジュエリーでよく使用されています。

銅（Cu）

この金属は、その優れた電気伝導特性のおかげで、電気アプリケーションで広く使用されています。

シルバー（Ag）

その特性を考えると、この金属はファインジュエリーの用途と産業分野の両方で広く使用されています。

ニッケル（Ni）

純粋な状態では、通常、コイン、電池、鋳造、またはさまざまな金属部品の製造に使用されます。

カドミウム（Cd）

それは非常に有毒な材料であり、バッテリーの製造に使用されます。

プラチナ（Pt）

ファインジュエリー（金を含む合金）、および実験室の測定機器や歯科用インプラントの製造に使用されます。

チタン（Ti）

この金属は、エンジニアリングだけでなく、骨接合インプラントの製造、産業用アプリケーション、およびジュエリーにも一般的に使用されています。

鉛（Pb）

この材料は、導電体の製造、より具体的には電話および通信ケーブルの外側ジャケットの製造に使用されます。

-金属化合物

普通鋼

鉄と炭素の反応により、鉄と比較して機械的ストレスに対してはるかに耐性のある一般的な鋼が生成されます。

ステンレス鋼

上記の材料のバリエーションは、一般的な鋼とクロムやニッケルなどの遷移金属を組み合わせることによって見つけることができます。

ブロンズ

銅とスズをそれぞれ約88％と12％の割合で組み合わせて製造されます。それは、コイン、道具、装飾品の製造に使用されます。

水銀合金

銀、銅、亜鉛などの他の遷移金属と水銀のさまざまな合金は、歯科で使用されるアマルガムを生成します。

クロムプラチナ合金

このタイプの合金は、かみそりの刃を作るために広く使用されています。

ピエルトル

スズ、アンチモン、封筒、ビスマスのこの合金は、家庭用品の製造によく使用されます。

真鍮

銅と亜鉛をそれぞれ67％と33％の割合で組み合わせて生成されます。ハードウェアアイテムの製造に使用されます。

海の電子理論

電子の海の単純な表現。出典：Muskid

上の画像は、電子の海の概念を示しています。電子の海の理論によれば、金属原子は価電子（負の電荷）を放出して原子イオン（正の電荷）になります。放出された電子は、金属結晶の1インチごとに非局在化する海の一部になります。

ただし、これは金属がイオンで構成されていることを意味するものではありません。その原子は実際には中性です。液体水銀中のHg ⁺イオンについてではなく、中性Hg原子について説明します。

電子の海を視覚化する別の方法は、原子の中立性を仮定することです。したがって、それらは電子を与えて、それらをしっかりと凝集性に保つ金属結合を定義しますが、結晶の他の領域から他の電子も即座に受け取るため、正の電荷を獲得することはありません。

この理論は、金属が延性があり、展性がある理由と、結合を再配置して、破壊せずに結晶を変形させる方法を説明しています。一部の人々は、この電子の海を移動することができるので「電子セメント」と呼びますが、通常の条件下では、それは固化し、金属原子をしっかりと固定します。

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