Металлическая связь представляет собой особый тип химической связи, характерный для металлов и их сплавов. Она основана на коллективизации валентных электронов атомов, которые теряют индивидуальную принадлежность и образуют так называемое «электронное облако» или «электронный газ». В такой системе катионные узлы металлической решётки удерживаются вместе за счёт притяжения к общему электронному фону, обеспечивающему прочность кристаллической структуры.
Классическое представление о металлической связи основано на модели свободных электронов. Предполагается, что внешние электроны атомов металлов слабо связаны с ядрами и легко отрываются, образуя общую делокализованную систему. Эти электроны свободно перемещаются по всему объёму кристалла, подобно частицам в газе. Атомные ядра с внутренними электронами образуют узлы решётки, вокруг которых существует равномерно распределённое электронное облако.
Главное следствие этой модели — высокая электрическая и теплопроводность металлов. Электроны, свободные в движении, быстро переносят электрический заряд и энергию, реагируя на внешние электрические и тепловые поля.
Более точное объяснение природы металлической связи даёт зонная теория твёрдого тела. Согласно ей, при сближении атомов в кристалле их атомные орбитали перекрываются, образуя энергетические зоны. Валентные электроны переходят в зону проводимости, что приводит к высокой подвижности электронов.
Особенностью металлов является частично заполненная зона проводимости или перекрывание валентной зоны с зоной проводимости. Это обеспечивает лёгкость перемещения электронов и объясняет характерные свойства:
Прочность металлической связи зависит от числа делокализованных электронов и от плотности упаковки атомов. Чем больше атомов участвует в создании общего электронного облака, тем выше энергия связи. Например, у переходных металлов благодаря наличию d-электронов связь более прочная, чем у щелочных металлов, где в формировании связи участвует только один электрон на атом.
Энергия металлической связи определяет физические свойства: температуру плавления, твёрдость, модуль упругости. Металлы с сильной связью (вольфрам, молибден) имеют высокие температуры плавления и значительную твёрдость. Металлы с относительно слабой связью (натрий, калий) характеризуются мягкостью и низкой температурой плавления.
Металлы образуют простые типы кристаллических решёток: кубическую гранецентрированную (Cu, Al), кубическую объёмноцентрированную (Na, Fe при высоких температурах), гексагональную плотноупакованную (Mg, Zn). Упаковка атомов в таких структурах максимальна, что позволяет эффективно удерживать катионы электронным газом.
Сочетание металлической связи с высокой плотностью упаковки объясняет пластичность металлов: атомные слои могут смещаться относительно друг друга без разрушения кристалла, так как электронное облако остаётся связующим фактором.
В сплавах металлическая связь сохраняет общую природу, но распределение электронов усложняется. Если атомы компонентов близки по радиусам и электроотрицательности, то образуется твёрдый раствор с равномерным распределением атомов в решётке. При значительных различиях возникают интерметаллические соединения с более сложной зонной структурой.
Металлическая связь в сплавах объясняет такие свойства, как высокая прочность, коррозионная стойкость и разнообразие физических характеристик.
Металлическая связь отличается от ковалентной и ионной прежде всего делокализацией электронов. В ковалентной связи электроны принадлежат строго определённой паре атомов, в ионной — передаются от одного атома другому. В металлах же они распределены по всему кристаллу, что делает связь коллективной и недирекционной.
Именно эта особенность придаёт металлам их уникальные свойства: пластичность, ковкость, способность к сплавообразованию и широкий диапазон электропроводности.
Металлическая связь определяет фундаментальные свойства металлов, лежащие в основе их практического применения. Высокая теплопроводность делает их незаменимыми в теплообменных системах, электропроводность — в электротехнике, пластичность — в металлургии и машиностроении. Знание природы металлической связи позволяет прогнозировать свойства новых сплавов, создавать материалы с заданными характеристиками и объяснять наблюдаемые закономерности в физике твёрдого тела.