Мы уже знаем, что металлам свойственна металличность — стремление атомов приобретать положительный заряд. В простых веществах и сплавах металлов это стремление приводит к тому, что часть валентных электронов теряет связь с «родительскими» атомами и приобретает свободу перемещения по всему кристаллу. В результате на каждом атоме появляется частичный положительный заряд, но все они охвачены одним общим электронным облаком, которое легко «просачивается» сквозь кристалл. Оно заряжено отрицательно и поэтому как бы «склеивает» положительно заряженные атомы друг с другом. Примерно так же во влажном песке, из которого на берегу моря можно строить замки, песчинки «склеены» прослойкой воды между ними, только между песчинкой и водой есть чёткая граница, а между атомом и окружающим его электронным облаком такой границы нет.

Таким образом, металлическая связь представляет собой связывание большого числа атомов общим подвижным электронным облаком. Рассмотрим особенности этого типа связи и характерные свойства материалов, в которых такая связь реализуется.

Для участия в металлической связи, по сути, необходимо одно условие: атому должно быть выгодно отдать часть своего электронного облака в «общее пользование», приобретая частичный положительный заряд. Именно поэтому металлическая связь реализуется в простых веществах и сплавах металлов, а неметаллам участие в такой связи невыгодно. По той же причине металлическая связь может одинаково хорошо объединять атомы разных металлов, то есть металлическая связь не фиксирует состав образующегося материала. Благодаря этому металлы, как правило, хорошо растворяются друг в друге и образуют сплавы произвольного состава.

Интересно знать! Иногда удаётся получить соединения металлов друг с другом вполне определённого состава. Такие соединения называют интерметаллидами. Конкретный состав может быть обусловлен выгодностью упаковки атомов в кристалле, некоторыми отклонениями от металличности и другими причинами; в первую очередь это зависит от того, насколько металлы близки по свойствам. Например, интерметаллид состава Cu₃Au получается замещением каждого четвёртого атома в кристалле меди на атом золота; медь и золото похожи, поэтому состав интерметаллида легко отклоняется от заданного, а свойства при этом меняются незначительно. Интерметаллид же состава CsAu оказывается подобен солям: разница в электроотрицательности цезия и золота столь велика, что вместо образования металлической связи атомы золота забирают электроны цезия себе, и получается аурид цезия, состав которого фиксирован, а свойства очень отличаются от свойств исходных металлов.

Металлическая связь не ограничивает плотность упаковки атомов: ведь чем плотнее атомы расположены в пространстве, тем «гуще» становится связывающее их электронное облако. Именно поэтому из всех веществ наиболее высокие значения плотности имеют простые вещества металлов: например, плотность осмия при обычных условиях равна 22.6 г/см³. В простых веществах металлов каждый атом обычно окружён двенадцатью ближайшими (магний, медь), но часто бывает и восемь ближайших соседей (натрий):

Упаковка атомов в кристаллах магния, меди и натрия

В кристаллах сурьмы и полония каждый атом окружён всего шестью соседями, что объясняется близостью этих элементов к неметаллам, а в кристалле марганца число соседей достигает шестнадцати.

Металлическая связь не нарушается при смещении атомов друг относительно друга: они «проскальзывают» по электронной прослойке, оставаясь связанными ею, аналогично песчинкам, скользящим друг по другу при деформации фигурки из влажного песка. Благодаря этому металлическая связь придаёт материалу пластичность, то есть способность деформироваться без разрушения. Вследствие этого металлические материалы, как правило, прочны и удобны в обработке (ковка, прокатка, штамповка). Не следует путать прочность (сопротивление разрушению) и твёрдость (сопротивление деформациям): твёрдость характерна чаще для неметаллов (алмаз, бор), а чистые металлы деформируются довольно легко, но именно из-за этого прочны в отличие от легко раскалывающихся кристаллов бора или алмаза. Некоторые металлы тверды благодаря примесям: например, хром долгое время считался одним из самых твёрдых металлов, но, когда его научились глубоко очищать, обнаружилось, что хром пластичен.

Подвижность связывающего электронного облака позволяет направленно переносить заряд, то есть придаёт металлическим материалам высокую электропроводность. Величина электропроводности зависит от температуры и обычно понижается при нагревании, потому что тепловые колебания атомов затрудняют движение электронного облака. При плавлении электропроводность большинства металлов скачкообразно падает, но для металлов, которые при плавлении уменьшаются в объёме (это галлий, сурьма и висмут), электропроводность растёт.

Тепловые колебания атомов также легко передаются подвижным электронным облаком по всему объёму металла подобно волнам, распространяющимся по поверхности озера. Поэтому металлические материалы хорошо проводят тепло (но при этом все металлы уступают по теплопроводности алмазу). Среди металлов самые высокие значения тепло- и электропроводности одновременно наблюдаются у серебра, а самые низкие показатели — снова одновременно — у марганца.

Исторически первое свойство, которое объединило в один класс материалов металлы и их сплавы — металлический блеск — также является следствием образования металлической связи. Особенность этого блеска в том, что поверхность металла отражает, но совершенно не пропускает свет, то есть металлы блестят и при этом непрозрачны (в отличие от стекла, например).

Интересно знать! Блеск и непрозрачность металлических материалов прямо связаны с их электропроводностью. Дело в том, что видимый свет является потоком электромагнитных волн — возмущений электрического и магнитного поля, постоянно сменяющих друг друга и таким образом распространяющихся в пространстве. В среде, которая хорошо проводит ток, такое возмущение распространяться не может, потому что его энергия сразу расходуется на смещение зарядов. Но состояние со смещёнными зарядами энергетически невыгодно, поэтому избыток энергии чаще всего «сбрасывается» наружу — электромагнитная волна отражается. Если же избыточную энергию удаётся поглотить (например, превратив в тепловые колебания), то волна поглощается. Некоторые металлы поглощают разные волны видимого света с разной вероятностью, в результате чего приобретают окраску (розово-красная медь, жёлтые золото и цезий, голубоватый осмий).

Существуют и другие виды электромагнитных волн. Все они имеют одну и ту же природу, но отличаются передаваемой энергией и длиной волны — величиной, описывающей пространственный масштаб электромагнитных возмущений. Длина волны обратно пропорциональна энергии и для видимого света находится в диапазоне от 380 до 760 нм; ультрафиолетовые волны короче, инфракрасные — длиннее, микроволны и радиоволны ещё длиннее. Они легко отражаются металлическими материалами, потому что в масштабах длины волны электронное облако металла сохраняет свою подвижность. Например, окошко микроволновой печки защищено сеткой из металла, которая не позволяет микроволнам выйти наружу (отверстия в сетке меньше длины волны), а алюминиевая «тарелка» спутникового телевидения отражает радиоволны в расположенный перед ней приёмник. Рентгеновские и гамма-волны оказываются, однако, настолько короткими, что соответствуют масштабам отдельных атомов и даже атомных ядер, поэтому электронное облако металлической связи их уже не останавливает.

Германий в некоторых учебниках относят к металлам, однако его простому веществу не свойственна металлическая проводимость, кристаллическая решётка повторяет решётку алмаза (у каждого атома только четыре ближайших соседа), а от удара германий раскалывается, совершенно не проявляя пластичности. Блеск германия скорее стеклянный, чем металлический, и напоминает блеск неметаллов кремния и теллура. Для инфракрасного же излучения германий и вовсе прозрачен, благодаря чему из германия производят линзы для оптических приборов, работающих в инфракрасном свете.