1. 개요
金屬結合 / Metallic bond화학 결합의 일종.
금속에 해당하는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 원소들은 대부분 1, 2개 정도의 최외각전자수를 가지고 있으며 그렇지 않더라도 실질적으로 화학반응에 참여하는 최외각전자의 수가 적은 원소들이다. 이 때문에 금속은 금속 결합이라는 독특한 방식으로 결합하여 결정을 이루게 된다. 그래서 보통 최외각전자가 늘어날수록 금속의 성질을 조금씩 잃게 되며 이를 대충 준금속으로 묶어 부른다. 여기서 더 늘어나면 비금속이 된다.
다만 팔라듐처럼 최외각전자가 18개나 되어 다양한 산화수의 이온을 형성하는 금속도 있으므로 늘 그런것은 아니다. 비스무트처럼 5개나 되는 최외각전자수를 가지는 원소도 전이 원소라면 금속의 성질을 띠는데, 이는 비활성 전자쌍 효과 때문에 최외각 s오비탈의 전자 2개가 비스무트 양이온에 묶여있고 3개의 d오비탈 전자가 대신 자유전자로서 탈출하기 때문이다.
최외각전자가 적은 원자들은 전자를 한두개정도 내놓으면 최외각 오비탈을 온전히 채워[1] 안정될 수 있기 때문에 적극적으로 전자를 교환하려 한다. 따라서 같은 원자끼리, 또는 같은 금속끼리 접촉하면 원자가 전자를 한두개 정도 내놓고 원소 자체는 양이온이 된다.
물론 고체 상태의 두 금속을 그냥 붙혀놓기만 해서는 서로 붙지 않는데, 이는 금속 표면의 전자간에 발생하는 전자기적 척력 때문이다. 따라서 두 금속 덩어리를 서로 세차게 비벼주면 표면의 전자들이 서로의 표면에 있는 양이온과 전기적으로 결합할 확률이 높아져 결국 달라붙게 된다. 이를 거시적으로는 마찰 용접이라 부른다. 용접은 아예 금속 표면을 살짝 녹이는 방식으로 유동화시켜 전자 교환의 확률을 극단적으로 높이는 화학반응이다. 이때 분자의 진동이(온도) 충분히 많지 않으면 금속간 전자 교환에 실패해 용접이 잘 안될 수 있다.
원자핵의 속박으로부터 풀려난 전자들은 자유 전자가 되며, 금속의 양이온 사이를 자유롭게 이동한다. 그러면 여러 양이온 사이사이를 반대되는 극성을 가진 전자가 돌아다니며 끈끈한 전자기력의 다리를 촘촘히 형성해 금속물질은 쉽게 녹지 않고 끊어지지 않는 물리적 특성을 가지게 된다. 금속 특유의 높은 강도, 전성, 연성, 광택, 열전도성과 전기전도성은 이 금속 결합의 원리에서 기원한다.
참고로 최외각전자 8개의 옥텟 규칙을 만족하는 공유결합이 아니라 양이온과 자유 전자가 적당히 전자기적 인력으로 서로를 끌어당기고 있을 뿐이기 때문에, 이하 서술된 특성과 더불어 순수 금속은 엄청나게 반응성이 좋다. 대기중에서는 이미 얇은 산화막을 가지고 있는 상태지만, 산화막이 없는 상태라면 다른 금속들끼리 전자를 교환해 서로 붙어버릴 수 있을 정도이다.
2. 전도도
금속은 전기 전도도와 열전도도가 크다. 이는 금속 결합과 관련이 있다. 금속 결정에 전류를 흘리면, 자유전자들 덕분에 전기 전도도가 높아진다. 역시 높은 열전도도 또한 자유전자 때문이다. 자유전자가 열에너지를 전달해주는 매개체가 되는 것이다.이러한 자유 전자는 원자가전자띠와 전도띠 사이의 띠틈이 무시될 때 발생한다. 띠틈이 무시해도 될 정도로 작기 때문에 전자가 원자가전자띠에서 전도띠로 이동이 쉽다. 그런 연유로 전자가 언제든 이동이 가능하게 된다.
3. 연성, 전성
금속은 연성과 전성이라는 특별한 성질을 갖고 있다. 이 또한 자유전자와 관련이 있다. 연성은 뽑힘성이라고 하며, 엿가락처럼 길게 늘어나는 성질이다. 전성은 펴짐성이라고도 하며, 동전처럼 납작해 질 수 있는 성질을 말한다. 금속 결정은 외부로부터 힘이 가해져서 변형이 일어나도 결합이 잘 끊어지지 않아 이런 성질들이 나타난다. 자유 전자가 금속을 떠다니면서 양이온들을 전자기적으로 결합시켜주기 때문이다.물론 모든 금속이 전도도와 연성 및 전성이 좋은 것은 아니다. 비스무트처럼 잘 깨지는 금속도 있기때문에 어디까지나 일반적인 경향성일 뿐이다. 자유전자도 없고 대체로 공유하는 전자쌍도 없는 이온 결합으로 이루어진 결정은 연성이 없어 힘을 주면 형태가 변하기 전에 분자간 전자기적 척력이 발생해 깨져버린다.