Металлические кристаллы

Металлические твёрдые тела имеют следующие особенности: высокую электропроводимость, металлический блеск, который связан с большими коэффициентами отражения электромагнитных волн, высокую пластичность и другие. Удельная электропроводимость металлов при комнатных температурах 10^{8 ―}10⁶ Ом^-1 м^-1, тогда как типичные неметаллы проводят ток в 10²⁴ раз хуже. Для металлов характерно возрастание электропроводимости с понижением температуры. Из 105 элементов таблицы Менделеева 19 не являются металлами.

Эти специфические свойства обусловлены наличием в металлах свободных электронов. Металлическая связь возникает при взаимодействии атомов электроположительных элементов, внешние валентные электроны которых связаны с ядром относительно слабо.

При образовании твёрдого состояния в результате перекрытия волновых функций металлических атомов движение электронов претерпевает радикальное изменение, в результате которого электроны обобществляются (например, у атомов Na). Каждая соседняя пара электронов предпочла бы образовать молекулу, с тем, чтобы поделить себя между двумя атомами, но у каждого атома Na в твёрдом состоянии имеется в среднем восемь соседей и только один валентный электрон, который должен быть поделён с каждым из этих соседей. В отличие от случая ковалентной связи, когда пара электронов курсирует между двумя соседними атомами, коллективизированному электрону в металле приходится совершать довольно сложный путь, посещая по очереди каждый атом (положительный ион) твёрдого тела. В описанной ситуации все ионы обладают всеми электронами вместе, и электроны могут свободно перемещаться от одного иона к другому.

Таким образом, в металле внешние валентные электроны коллективизированы и образуют газ, заполняющий пространство между ионами. Положительно заряженные ионы стягиваются отрицательно заряженным электронным газом в кристалле, т.е. связь в решётке металла возникает в результате взаимодействия положительных ионов с электронным газом.

Взаимодействие положительных атомных остатков друг с другом не сводится только к их взаимному отталкиванию, а заключается также в перекрытии их внешних электронных оболочек, ведущем к образованию валентных связей. Именно это перекрытие и определяет образование того или иного типа кристалла.

Металлы успешно описываются ионной моделью кристалла - положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решётки, а коллективизированные электроны равномерно распределены между ионами.

Свободные электроны в металле определяют как электрические свойства, так и кристаллическую структуру. Металлическая связь ненаправленная и ненасыщенная в результате наличия свободных электронов.

Большинство металлов кристаллизуется в структуры с плотнейшей шаровой упаковкой атомов с максимальными координационными числами (до 12).