Réf. syllabus : 4.5
Dans cette section, nous examinons les forces qui maintiennent une structure métallique. La liaison métallique.
- Délocalisation des électrons
- Formation des ions
- La liaison métallique
- Le réseau métallique
Délocalisation des électrons
Les atomes métalliques, comme tous les autres métaux à l’exception des gaz nobles, ne peuvent pas exister très longtemps par eux-mêmes. Les atomes métalliques s’agrègent et s’attirent les uns les autres pour tenter de se stabiliser.
Les atomes métalliques ont très peu d’électrons dans la coquille extérieure (électrons de valence) et ne peuvent donc pas obtenir une coquille extérieure complète en gagnant des électrons ou en partageant des électrons. Ils ont tendance à perdre des électrons, en les transférant à des atomes non métalliques. Cependant, en l’absence d’atomes non métalliques, la seule façon pour eux d’atteindre la stabilité est de partager tous les électrons de la couche externe dans des orbitales géantes délocalisées. Ce sont ces électrons orbitaux délocalisés qui donnent aux métaux leurs caractéristiques uniques.
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Formation des ions
La perte des électrons extérieurs à une grande orbitale délocalisée laisse les atomes métalliques sous forme d’ions. Ces ions sont alors maintenus en place par l’attraction de la charge négative de l’orbitale délocalisée. Les ions eux-mêmes sont disposés dans un treillis géant (réseau).
La charge des ions dépend du nombre d’électrons de la coquille externe. Les métaux du groupe 1 fournissent un électron par atome à l’orbitale délocalisée et les ions formés ont une charge 1+. Les atomes du groupe 2 ont des ions avec une charge 2+.
Les métaux de transition perdent également des électrons formant des ions, mais le nombre d’électrons ne peut être prédit à partir du numéro de groupe (car ils ne sont pas disposés en groupes). Généralement, les métaux de transition forment des ions 2+.
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La liaison métallique
La mer d’électrons est un nuage de charge négative qui attire tous les ions positifs. C’est un peu comme des billes coincées dans du blu-tack. Les ions métalliques se repousseraient sans le nuage de charge électronique, mais la force d’attraction électrostatique entre les électrons et les ions positifs maintient l’ensemble de la structure.
La force de la liaison métallique est fonction du nombre d’électrons fournis par les atomes et de la charge conséquente des ions métalliques. Le rayon ionique joue également un rôle, car les ions plus petits exercent une plus grande force d’attraction sur le nuage de charge négative.
- Augmentation de la charge ionique = liaison métallique plus forte
- Diminution du rayon ionique = liaison métallique plus forte
L’effet de ces deux facteurs peut être observé en comparant les points de fusion (la température nécessaire pour surmonter les forces au sein de la structure métallique) en bas du groupe 1 et à travers la troisième période.
| Métaux du groupe 1 | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| rayon ionique / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| point de fusion / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
On voit clairement que plus le rayon ionique augmente, plus le point de fusion diminue. Le césium serait un liquide par une chaude journée d’été.
| Métaux de période 3 | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| rayon ionique / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| charge ionique | 1+ | 2+ | 3+ |
| point de fusion / K | 371 | 922 | 936 |
Bien que le magnésium ait un rayon similaire au lithium, son point de fusion est beaucoup plus élevé, ce qui indique que l’effet du doublement de la charge ionique est beaucoup plus important.
L’aluminium a un point de fusion plus élevé que le magnésium, bien qu’il n’y ait pas une telle diférence qu’entre le lithium et le magnésium. On pense que la densité de charge élevée de l’ion aluminium 3+ tire la densité d’électrons en arrière sur les ions aluminium diminuant effectivement leur charge ionique.
L’aluminium est connu pour faire cela dans ses composés, leur donnant un haut degré de caractère covalent, il semble donc raisonnable que des effets similaires s’appliquent à la liaison métallique.
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Le réseau métallique
Comme les ions métalliques dans un réseau d’un élément métallique sont tous du même rayon, ils peuvent facilement s’entasser comme des billes dans un seau.
L’arrangement le plus courant est appelé hexagonal close packing (HCP). C’est la façon la plus efficace pour les sphères de s’empaqueter de façon rapprochée.
Il existe deux principaux systèmes d’empaquetage rapproché, selon la façon dont la troisième couche est placée par rapport aux deux autres. Ces deux systèmes d’empaquetage sont appelés ABA et ABC. Si les ions de la troisième couche sont directement au-dessus de ceux de la première couche, il est appelé ABA. Si les ions de la troisième couche se trouvent dans des « trous » qui ne sont pas directement au-dessus d’un autre ion, l’emballage est appelé ABC. La meilleure façon de visualiser cela est d’utiliser des modèles.
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