Métaux
Le dernier grand type de solide est un métal. Un métal est caractérisé par son éclat, la facilité avec laquelle il peut être déformé (plutôt que brisé) par le martelage, et ses conductivités électrique et thermique élevées. Les métaux ont également tendance à avoir des densités plus élevées que les autres types de solides. Le point de départ des théories sur la structure des métaux est de considérer qu’ils sont constitués de cations d’atomes métalliques noyés dans une mer formée par les électrons de valence rejetés. La mobilité de ces électrons explique les propriétés mécaniques, optiques et électriques des métaux. Les cations sphériques peuvent s’entasser étroitement les uns sur les autres tout en donnant lieu à des assemblages électriques localement neutres. Cela s’explique par la capacité des électrons à se répartir entre les cations et à neutraliser leurs charges, quelle que soit la proximité des cations. L’étroitesse de l’emballage des atomes explique les densités élevées des métaux.
Dans le contexte des théories de la liaison chimique, un métal est une molécule homonucléaire extrêmement grande. (Pour un point de vue alternatif, voir cristal.) Si l’on considère qu’un échantillon de sodium métallique est constitué de n atomes de sodium où chaque atome possède une orbitale 3s à utiliser dans la construction des orbitales moléculaires et où chaque atome fournit un électron à un pool commun, alors à partir de ces n orbitales atomiques, on peut construire n orbitales moléculaires. Chaque orbitale a une énergie caractéristique, et la gamme d’énergies couverte par les n orbitales est finie, quelle que soit la valeur de n. Si n est très grand, il s’ensuit que la séparation énergétique entre les orbitales moléculaires voisines est très faible et se rapproche de zéro lorsque n s’approche de l’infini. Les orbitales moléculaires forment alors une bande d’énergie. Une autre bande similaire peut être formée par le chevauchement des orbitales 3p des atomes, mais il existe une bande interdite substantielle – c’est-à-dire une région d’énergie dans laquelle il n’y a pas d’orbitales moléculaires – entre les deux bandes.
Bien que la bande 3s soit virtuellement continue, elle est en réalité constituée de n orbitales moléculaires discrètes, dont chacune, en vertu du principe d’exclusion de Pauli, peut contenir deux électrons appariés. Il s’ensuit que la bande 3s du sodium, qui est occupée par le pool de n électrons, n’est qu’à moitié pleine. Il existe des orbitales moléculaires vides immédiatement au-dessus des orbitales remplies les plus hautes, et il est facile pour une perturbation, telle qu’une différence de potentiel appliquée ou un champ électromagnétique oscillant de lumière incidente, de déplacer les électrons dans ces niveaux inoccupés. Par conséquent, les électrons sont très mobiles et peuvent conduire un courant électrique, réfléchir la lumière, transmettre de l’énergie et migrer rapidement vers de nouveaux emplacements lorsque les cations sont déplacés par martelage.
La théorie complète de la structure des métaux est un sujet hautement technique (comme le sont les théories complètes des autres sujets abordés ici). Cette brève introduction a eu pour seul but de montrer que les idées de la théorie des orbitales moléculaires peuvent être naturellement étendues pour rendre compte des caractéristiques générales des structures et des propriétés des solides.