Chapitre 4: Liaison métallique

 

Chapitre IV : Liaison Métallique

I. Théorie de la Liaison Métallique

La liaison métallique est un type de liaison chimique qui se forme entre les atomes de métaux. Cette liaison se caractérise par une mise en commun des électrons de valence des atomes métalliques, formant ainsi une "mer" d'électrons délocalisés autour des noyaux métalliques fixes.

1.1. Nature de la Liaison Métallique

  • Electrons Délocalisés : Dans une liaison métallique, les électrons de valence des atomes métalliques ne sont pas attachés à un atome spécifique mais sont libres de se déplacer dans tout le réseau cristallin.
  • Cations Fixes : Les atomes métalliques perdent leurs électrons de valence pour former des cations, qui sont arrangés de manière ordonnée dans une structure cristalline.
  • Attraction Electrostatique : La liaison métallique résulte de l'attraction électrostatique entre les cations métalliques fixes et les électrons délocalisés.

1.2. Modèle de la Mer d'Electrons

  • Conductivité : Les électrons délocalisés peuvent se déplacer librement, ce qui permet aux métaux de conduire l'électricité et la chaleur efficacement.
  • Malléabilité et Ductilité : Les métaux peuvent être déformés sans se casser car les couches de cations peuvent glisser les unes sur les autres tout en restant liées par la mer d'électrons.

II. Propriétés Physiques des Métaux

Les métaux présentent des propriétés physiques distinctives en raison de la nature de la liaison métallique.

2.1. Conductivité Electrique et Thermique

  • Conductivité Electrique : Les électrons délocalisés peuvent se déplacer librement dans le métal, permettant un flux continu de courant électrique.
  • Conductivité Thermique : Les électrons mobiles transportent également l'énergie thermique à travers le métal, permettant une distribution efficace de la chaleur.

2.2. Malléabilité et Ductilité

  • Malléabilité : Les métaux peuvent être martelés ou pressés en feuilles minces sans se casser, car les cations peuvent glisser les uns sur les autres.
  • Ductilité : Les métaux peuvent être étirés en fils fins sans se rompre.

2.3. Densité et Point de Fusion

  • Densité : Les métaux ont généralement une densité élevée en raison de la forte attraction entre les cations et les électrons délocalisés.
  • Point de Fusion : La plupart des métaux ont des points de fusion élevés en raison des liaisons métalliques fortes qui nécessitent beaucoup d'énergie pour être rompues.

III. Théorie des Bandes d'Energie

La théorie des bandes d'énergie explique les propriétés électroniques des métaux, des semi-conducteurs et des isolants en termes de niveaux d'énergie des électrons.

3.1. Bandes de Valence et de Conduction

  • Bande de Valence : La bande d'énergie occupée par les électrons de valence.
  • Bande de Conduction : La bande d'énergie au-dessus de la bande de valence où les électrons peuvent se déplacer librement, permettant la conduction électrique.

3.2. Structure de Bande dans les Métaux

  • Chevauchement des Bandes : Dans les métaux, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent, permettant aux électrons de passer librement d'une bande à l'autre.
  • Conductivité Métallique : Ce chevauchement des bandes est responsable de la conductivité électrique élevée des métaux.

IV. Isolants, Semi-conducteurs et Métaux

Les propriétés électriques des matériaux sont déterminées par la structure de leurs bandes d'énergie.

4.1. Isolants

  • Large Bande Interdite : Les isolants ont une large bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction, empêchant les électrons de passer d'une bande à l'autre.
  • Absence de Conductivité : En raison de cette large bande interdite, les isolants ne conduisent pas l'électricité.

4.2. Semi-conducteurs

  • Bande Interdite Étroite : Les semi-conducteurs ont une bande interdite étroite, permettant à certains électrons de passer à la bande de conduction à des températures plus élevées ou par dopage.
  • Conductivité Contrôlée : La conductivité des semi-conducteurs peut être contrôlée et modifiée par le dopage et les conditions environnementales.
4.3. Métaux
  • Chevauchement des Bandes : Comme mentionné précédemment, les métaux ont des bandes de valence et de conduction qui se chevauchent, permettant une conduction facile des électrons.
  • Haute Conductivité : Ce chevauchement est la raison pour laquelle les métaux sont de bons conducteurs d'électricité et de chaleur.

V. Stéréochimie des Composés Métalliques

La stéréochimie des composés métalliques traite de l'arrangement spatial des atomes dans les composés métalliques et de son influence sur leurs propriétés.

5.1. Structures Cristallines des Métaux

  • Cubic Centré (CC) : Une des structures les plus courantes où chaque atome est entouré par huit voisins.
  • Cubic à Faces Centrées (CFC) : Une autre structure courante où chaque atome est entouré par douze voisins.
  • Hexagonal Compact (HC) : Structure dans laquelle chaque atome a douze voisins également, mais arrangés de manière différente par rapport à la CFC.
5.2. Coordination et Géométrie
  • Nombre de Coordination : Le nombre d'atomes directement adjacents à un atome central dans une structure cristalline.
  • Géométrie de Coordination : La disposition spatiale des atomes voisins autour de l'atome central, influençant les propriétés physiques et chimiques du métal.

5.3. Composés de Coordination

  • Complexes Métalliques : Les métaux peuvent former des complexes où le métal central est lié à des ligands (molécules ou ions qui donnent des électrons).
  • Stabilité et Réactivité : La stéréochimie des complexes métalliques affecte leur stabilité et leur réactivité, important pour des applications telles que les catalyseurs et les médicaments.