Syllabus ref: 4.5

このセクションでは、金属構造を保持する力について考察します。 金属結合です。

• 電子の非局在化
• イオンの形成
• 金属結合
• 金属格子

電子の非局在化

貴ガス以外のすべての金属と同様に金属原子も単独では長くは存在しえません。 金属原子は凝集し、互いに引き合うことで安定化を図ろうとする。

金属原子は外殻の電子（価電子）が非常に少ないので、電子を得たり共有したりして外殻をいっぱいにすることができない。 電子を失い、非金属原子に電子を移動させる傾向がある。 しかし、非金属原子がない場合、外殻電子を巨大な非局在軌道で共有することでしか、安定性を得ることができないのである。

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イオンの形成

大きな非局在軌道に外側の電子を失うと、金属原子はイオンとして残ります。 これらのイオンは、非局在化軌道の負電荷の引力によって所定の位置に保持されます。 イオン自体は巨大な格子（ネットワーク）の中に配置されている。

イオンの電荷は、外殻電子の数に依存する。 1族金属は非局在軌道に1原子あたり1個の電子を供給し、形成されるイオンは1+の電荷を持つ。

遷移金属も電子を失ってイオンを形成しますが、電子の数は（グループに配置されていないので）グループ番号から予測することはできません。 一般に遷移金属は2+イオンを形成する。

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金属結合

電子の海は、すべての正イオンを引き寄せる負電荷の雲である。 それはむしろ青鋲に刺さったビー玉のようなものである。 金属イオンは、電子の電荷雲がなければ互いに反発し合うが、電子と正イオンの間の静電引力は、構造全体を一緒に保持する。

金属結合の強さは、原子と金属イオンの結果電荷によって提供される電子の数の関数である。

• イオン電荷の増加=金属結合の強化
• イオン半径の減少=金属結合の強化

これら二つの要因の効果は、第1グループから第3グループにわたる融点（金属構造内の力を克服するのに必要な温度）の比較で確認することができます。

第1族金属	Li	Na	K	Rb	Cs
イオン半径 / nm	0.068	0.098	0.133	0.148	0.167
融点 / K	454	371	337	312	302

イオン半径が大きくなると融点も低くなることがよく分かる。 セシウムは暖かい夏の日には液体になる。

Period 3 metals	Na	Mg	Al
ionic radius / nm	0.098	0.065	0.045
イオン電荷	1+	2+	3+
融解点 / K	371	922	936

マグネシウムはリチウムと似た半径を持つが。 融点がはるかに高く、イオン電荷を2倍にした効果がより大きいことを示しています。

アルミニウムはリチウムとマグネシウムほどの差はないものの、マグネシウムよりも融点が高い。 これは、アルミニウム3+イオンの高い電荷密度が、アルミニウムイオンに電子密度を引き寄せ、イオン電荷を効果的に減少させるためと考えられています。

アルミニウムはその化合物でこのような作用をすることが知られており、高い共有結合性を与えているので、同様の効果が金属結合にも適用されると考えるのが妥当であろうと思います。

最も一般的な配列は六方最密充填（HCP）と呼ばれるものです。 球体が密集する最も効率的な方法です。

3層目が他の2層と比較してどのように配置されるかに応じて、2つの主要な密着パッキングシステムがあります。 この2つのパッキングシステムはABAとABCと呼ばれます。 第3層のイオンが第1層のイオンの真上にある場合、ABAと呼ばれます。 3層目のイオンが他のイオンの真上にない「穴」に位置している場合、そのパッキングはABCと呼ばれます。 これを視覚化するには、模型を使うのが最も良い方法です。

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