Un modèle simple mais puissant
Contrairement aux liaisons covalente (partage localisé) ou ionique (transfert), la liaison métallique repose sur un modèle collectif : les électrons de valence se délocalisent sur l'ensemble du solide. Le métal peut être vu comme un réseau d'ions métalliques positifs baignant dans un gaz d'électrons mobiles (mer d'électrons).
Ce modèle, formulé par Drude et Lorentz au début du XXe siècle, est qualitativement très performant pour expliquer les propriétés macroscopiques des métaux, même s'il ne capture pas les effets quantiques complets (modèle des bandes de valence).
Structure cristalline des métaux
Les ions métalliques s'organisent généralement en empilements compacts :
- Cubique faces centrées (CFC) : Cu, Ag, Au, Al — coordinence 12.
- Hexagonal compact (HC) : Mg, Ti, Zn — coordinence 12.
- Cubique centré (CC) : Fe (α), Cr, W — coordinence 8.
La compacité (fraction de volume occupée par les atomes) est de 74 % pour CFC et HC, 68 % pour CC.
Propriétés expliquées par le modèle
Conductivité électrique : les électrons délocalisés se déplacent librement sous l'effet d'un champ électrique. C'est la propriété la plus directement liée au modèle de Drude.
Conductivité thermique : les électrons libres transportent aussi l'énergie thermique efficacement, d'où les bonnes conductivités thermiques des métaux.
Malléabilité et ductilité : les plans d'ions peuvent glisser les uns par rapport aux autres (déformation plastique) sans que la liaison soit rompue, car le gaz d'électrons s'adapte à la nouvelle géométrie.
Éclat métallique : les électrons libres absorbent et réémmettent les photons visibles de façon non sélective → réflexion métallique brillante.
Points de fusion : variable selon la densité du gaz électronique et l'intensité des interactions ions–électrons. Tungstène W (Tf = 3422 °C) possède 6 électrons de valence et une cohésion exceptionnelle ; sodium Na (Tf = 98 °C) n'en a qu'un.
| Métal | Électrons de valence | Tf (°C) | Conductivité électrique |
|---|---|---|---|
| Na | 1 | 98 | Bonne |
| Al | 3 | 660 | Très bonne |
| Fe | 2 (4s²) + partiel d | 1538 | Bonne |
| W | 6 | 3422 | Moyenne |
Limites du modèle
Le modèle du gaz d'électrons libres ne prédit pas la résistivité (il faudrait la théorie quantique des collisions), ni les propriétés magnétiques (il ignore les spins), ni la supraconductivité. La théorie des bandes (zones de Brillouin, bande de valence vs bande de conduction) est l'extension quantique naturelle.