Definitie, eigenschappen en voorbeelden van metaalbindingen

Een metaalbinding is een soort chemische binding gevormd tussen positief geladen atomen waarin de vrije elektronen worden gedeeld tussen een rooster van kationen. Daarentegen vormen covalente en ionische bindingen tussen twee afzonderlijke atomen. Metaalbinding is het belangrijkste type chemische binding dat zich tussen metaalatomen vormt.

MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Metaalverbindingen worden aangetroffen in zuivere 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. Bijvoorbeeld het kwikhoudende ion (Hg₂²⁺) kan metaal-metaal covalente bindingen vormen. Zuiver gallium vormt covalente bindingen tussen atoomparen die door metaalbindingen zijn verbonden met omliggende paren.

Hoe metalen banden werken

De uiterlijke energieniveaus van metaalatomen (de s en p orbitalen) overlappen. Ten minste een van de valentie-elektronen die deelnemen aan een metaalbinding wordt niet gedeeld met een buuratoom, noch gaat het verloren om een ​​ion te vormen. In plaats daarvan vormen de elektronen wat een "elektronenzee" kan worden genoemd waarin valentie-elektronen vrij zijn om van het ene atoom naar het andere te bewegen.

Het electron zee-model is een over-vereenvoudiging van metaalverbindingen. 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 dat het gedelokaliseerde elektronen heeft (elektronentekort), dus gelokaliseerde niet-gepaarde elektronen kunnen gedelokaliseerd en mobiel worden. De elektronen kunnen de energietoestand veranderen en door een rooster in elke richting bewegen.

Bonding kan ook de vorm aannemen van metaalachtige clustervorming, waarbij gedelokaliseerde elektronen rond gelokaliseerde kernen stromen. Bondvorming is sterk afhankelijk van omstandigheden. Waterstof is bijvoorbeeld een metaal onder hoge druk. Naarmate de druk wordt verlaagd, verandert de binding van metallisch naar niet-polair covalent.

Metaalbanden verbinden met metaaleigenschappen

Omdat elektronen worden gelokaliseerd rond positief geladen kernen, verklaart metaalbinding veel eigenschappen van metalen.

ImageGap / Getty Images

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 elektriciteit om dezelfde reden - elektronen kunnen vrij bewegen.

Warmtegeleiding: Metalen geleiden warmte omdat de vrije elektronen energie van de warmtebron kunnen overbrengen en ook omdat trillingen van atomen (fononen) als een golf door een massief metaal bewegen.

buigzaamheid: Metalen zijn vaak ductiel of kunnen in dunne draden worden getrokken omdat lokale verbindingen tussen atomen gemakkelijk kunnen worden verbroken en ook kunnen worden hervormd. Enkele atomen of hele vellen ervan kunnen langs elkaar schuiven en bindingen hervormen.

kneedbaarheid: Metalen zijn vaak vervormbaar of kunnen in een vorm worden gegoten of gestampt, opnieuw omdat bindingen tussen atomen gemakkelijk breken en opnieuw vormen. De bindingskracht tussen metalen is niet gericht, dus het trekken of vormen van een metaal is minder waarschijnlijk om het te breken. Elektronen in een kristal kunnen worden vervangen door anderen. Verder, omdat de elektronen vrij van elkaar weg kunnen bewegen, forceert het werken van een metaal niet dezelfde geladen ionen, die een kristal 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 metaalbindingen maakt metalen sterk en geeft ze een hoge dichtheid, hoog smeltpunt, hoog kookpunt en lage vluchtigheid. Er zijn uitzonderingen. Kwik is bijvoorbeeld een vloeistof onder normale omstandigheden en heeft een hoge dampdruk. In feite zijn alle metalen in de zinkgroep (Zn, Cd en Hg) relatief vluchtig.

Hoe sterk zijn metaalbanden?

Omdat de sterkte van een binding afhankelijk is van de deelnemende atomen, is het moeilijk om soorten chemische bindingen te rangschikken. Covalente, ionische en metaalachtige bindingen kunnen allemaal sterke chemische bindingen zijn. Zelfs in gesmolten metaal kan de binding sterk zijn. Gallium is bijvoorbeeld niet-vluchtig en heeft een hoog kookpunt, hoewel het een laag smeltpunt heeft. Als de omstandigheden goed zijn, is voor metalen lijmen zelfs geen rooster vereist. Dit is waargenomen in glazen met een amorfe structuur.