Metallien ominaisuudet kovuus, muokattavuus, läpinäkymättömyys, kiilto, suuri tiheys, korkea sulamispiste sekä hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus johtuvat metallisidoksesta. Siinä metalli-ionien ja elektronien väliset sähköiset voimat pitävät rakenteen tiukasti kasassa, mutta ne eivät aseta mitään suuntavaatimuksia, joten ionit pakkaantuvat mahdollisimman lähelle toisiaan.

Metalli


Metallissa atomit järjestäytyvät säännölliseen kolmiulotteiseen rakennelmaan, jota nimitetään hilaksi. Se rakentuu harvoin täydelliseksi, ja yleensä siinä on virheitä. Hilaan muodostuu pienempiä alueita, kiteitä, joiden sisällä hila on täydellinen. Kiteiden välillä on rajapintoja. Rajapintojen määrä vaikuttaa metallin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen. Jos rajapintoja on paljon, metalli on kovaa, mutta se murtuu helposti.





Metalleilla on atomin uloimmalla elektronitasolla yleensä 1–3 elektronia. Ne irtoavat melko helposti ydinten vaikutuspiiristä. Erityistä on se, että metallissa ulkoelektronit ovat kaikkien atomiytimien yhteiskäytössä. Ne muodostavat negatiivisesti varautuneen niin sanotun elektronimeren, joka pitää positiivisesti varautuneita metalli-ioneja yhdessä tiiviisti pakkautuneena. Sitä nimitetään metallisidokseksi. Metallisidos liittää metalli-ionit tiukasti toisiinsa, muttei vaadi niiden pysyvää järjestystä. Kokonaisuutena elektronien ja protonien määrä pysyy samana, joten metalli on alkuainemuodossaan ulospäin sähköisesti neutraali.

Metalli-ionin koko ja varaus selittävät metallin kovuuden ja tiheyden. Metallit, jotka luovuttavat vain yhden elektronin metallisidokseen ja joiden ionisäde on suuri, ovat pehmeitä ja kevyitä. Tällaisia ovat esimerkiksi alkalimetallit. Metallit, jotka luovuttavat monia elektroneja ja joiden ionisäde on pieni, ovat kovia ja tiheitä. Tällaisia ovat esimerkiksi sivuryhmien metallit.


Magnesium on kuvan metalleista kovinta ja tiheintä, sillä jokainen magnesiumatomi luovuttaa metallisidokseen kaksi elektronia ja magnesiumionin säde on pienempi kuin natriumin tai kaliumin. Kalium ja natrium luovuttavat metallisidokseen yhden elektronin. Näistä kalium pehmeämpää ja keveämpää kuin natrium, sillä kaliumin ionisäde on suurempi.


Yhteiset vapaasti liikkuvat sidoselektronit selittävät metallin muokattavuuden, korkean sulamispisteen ja sähkönjohtavuuden. Niiden ansiosta metalli-ionit voivat liikkua toistensa ohi sidoksen katkeamatta. Jo yksi elektroni voi sitoa hetkittäisesti useita metalli-ioneja. Yhteisiä sidoselektroneja on paljon, ja ne liittävät ionit lujasti yhteen. Ionien erottamiseen toisistaan tarvitaan paljon energiaa, mikä havaitaan korkeina sulamispisteinä. Sähkönjohtavuuteen tarvitaan vapaasti liikkuvia elektroneja. Niitä metallissa on paljon, ja siksi ne johtavat hyvin sähköä.

Sidoselektronien suuri lukumäärä ja likimain samat energiat selittävät metallikiillon. Sähkömagneettinen säteily saa sidoselektronit elektronit värähtelemään. Ne virittyvät korkeammalle energiatilalle ja viritystilan purkautuessa ylimääräinen energia vapautuu sähkömagneettisena säteilynä esimerkiksi valona. Sileä ja tiivis metallipinta heijastaa suuren osan valosta. Se osa valosta, joka ei heijastu eikä aiheuta virittymistä, imeytyy metallihilaan täydellisesti ja saa aikaan metallin läpinäkymättömyyden.





Metallien hyvä lämmönjohtuvuus perustuu metalli-ionien tiiviiseen pakkautumiseen. Tiiviissä pakkauksessa hiukkasvärähtely siirtyy helposti ionista toiseen. Se selittää myös metallien hyvän äänenjohtavuuden.