金属結合

金属結合

金属結合とは、金属の固体内部で原子を結びつけている主要な化学結合です。共有結合やイオン結合とは異なる独特の形態を持ち、金属が示す多様な物理的性質の根源となっています。

結合の仕組み

金属原子は、その持つ最外殻の電子（価電子）の一部を放出しやすい性質を持っています。固体状態では、これらの電子は特定の原子核に強く束縛されず、結晶全体にわたって非局在化した状態となります。電子を放出した金属原子は正の電荷を帯びた金属陽イオンとなり、結晶の格子点に規則正しく配置されます。

一方、原子から離脱した電子は、結晶構造の内部を自由電子として自由に動き回ります。この自由電子は負の電荷を帯びており、結晶全体に一様に分布していると見なすことができます。規則的に並んだ金属陽イオン（正電荷）と、その間を満たす自由電子（負電荷）の間には、強い静電気力（クーロン力）が働きます。この相互作用こそが、金属全体を一つのまとまりとして cohesive な状態に保つ金属結合の本質です。

自由電子が集団として存在している状態は、気体の分子のように結晶内を動き回る様子から「電子ガス」と例えられることもあります。自由電子のエネルギー準位は連続的な広がりを持ち、「エネルギーバンド」を形成します。

金属の物性との関連

金属が示す多くの特徴的な物性は、自由電子の存在と金属結合の性質に深く関連しています。

優れた導電性・熱伝導性: 自由電子は結晶内をほとんど抵抗なく移動できるため、金属は優れた電気の導体となります。電圧をかけると、電子が一斉に移動することで電流が生じます。また、自由電子はエネルギーの運び手としても優れており、熱の伝導にも大きく寄与します。そのため、金属は高い熱伝導性も示します。

金属光沢と反射率: 自由電子は入射した光（光子）と強く相互作用し、これを容易に吸収・再放出（散乱）します。特に可視光領域において高い反射率を示すため、金属特有のきらめく光沢（金属光沢）として観測されます。この光学的な性質も、自由電子のエネルギーバンド構造が反映されたものです。

高い展性・延性: 金属は力を加えても壊れにくく、薄く広げたり（展性）、細く引き伸ばしたり（延性）することができます。これは、金属結合が方向性を持たない（等方的である）ことに起因します。陽イオンが自由電子の海の中に浮かんでいるような状態であるため、原子の層がずれても、結合全体が維持されやすく、破壊に至りにくい構造となっています。自由電子が原子位置のずれを補償するように分布を調整するため、原子が滑り動く際のエネルギー的な障壁が比較的低いことも、高い展延性の要因と考えられています。

他の化学結合との比較

金属結合は、特定の二原子間に電子を共有する共有結合や、電子のやり取りによって生じるイオン結合とは異なります。

共有結合との違い: 共有結合では通常、特定の二原子間で電子が共有され、結合に強い方向性が生じます。一方、金属結合における自由電子は結晶全体に非局在化しており、原子集団によって電子が共有されていると見なせます。この非局在性と等方性が、典型的な共有結合とは異なる特性を生み出します。

π結合との関連: グラファイトのような物質に見られる非局在化したπ電子は、特定の原子間に留まらず多数の原子にわたって結合軌道を形成します。このような電子の非局在化は金属結合における自由電子の状態と類似性があり、グラファイトの高い導電性の一因となっています。

結合の強さ

金属結合の強さは、金属の種類によって大きく異なります。これは、結合に関与する自由電子の数や、内殻電子が結合にどの程度寄与するかなどによって変動します。

一般的に、金属結合のエネルギーは数十から数百 kJ/mol の範囲にあります。
例えば、アルカリ金属（ナトリウム、カリウムなど）では、結合に関与するのは主に最外殻の価電子のみであるため、比較的結合が弱く、結合エネルギーは80〜160 kJ/mol程度です。
一方、タングステンのように融点が高い遷移金属では、内殻の一部の電子も金属結合に関与するため、結合エネルギーは非常に強く、850 kJ/molにも達します。

合金

異なる種類の金属元素を混ぜ合わせることで作られる合金も、基本的には金属結合によって構成されています。複数の金属原子が混在した状態でも、価電子は結晶全体に非局在化し、金属陽イオン間を動き回ることで全体が結びつけられます。合金は、元の金属単体とは異なる、改良された物性（硬さ、耐食性など）を持つことが多く、様々な用途に利用されています。

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