金属键

當化學納入科學體系後，人們發現週期表中大部份的元素是金屬，也可以描述金屬和酸反應形成的鹽類。隨著電化學的發展，知道金屬在溶液中一般會形成帶正電的離子，而金屬的氧化反應可以用電化學的方式來描述。當時的金屬模型常會用許多正電荷的離子，被一大群帶負電的電子包圍來表示。

隨著量子力學的發展，上述的模型也變成用自由電子模型來表示，甚至更擴展到近自由电子近似。這兩種模型中，電子描述成通過固體晶格的氣體，其能量是各向同性的，是依動量向量k量值的平方而決定，而不是依其方向來決定。在三維的k空間中，最高填滿能量的點形成的集合（费米面）必定是一球體。在近自由电子近似中，類似箱子的布里渊区，反映因為晶格來產生的週期性勢能變化，略微影響其各向同性。

以下二種現象的結合產生了金属键：離域電子以及遠多於離域電子數量的離域能階，後者也稱為缺电子（electron deficiency）。

金屬鍵半徑（Metallic radius）定義為金屬晶格內，相鄰金屬離子之間距離的一半。金屬鍵半徑和金屬原子的特性有關，也和環境有關，環境因素中最重要的是配位数，而配位数會受到溫度及壓力所影響。

在比較金屬鍵半徑的週期趨勢時，一般會套用所謂的戈德施密特校正（Goldschmidt correction），將金屬鍵半徑轉換為在12配位数下的半徑。因為金屬鍵配位數最高，金屬鍵半徑也會越大，較低配位数的校正會乘以一個0到1之間的數值x。配位数為4時，x = 0.88；配位数為6時，x = 0.96；配位数為8時，x = 0.97。此校正方式是得名於找到上述數值的維克多·戈德施密特[6]。

金属键半徑會依照通則的週期性趨勢：在同一週期內，半徑會因為有效核电荷（不會受價電子數量增加所影響）增加而減少。在同一族內，半徑會因為主量子數的增加而增加。在第三週期及第四週期之間會出現镧系收缩，镧系元素相較於上一週期的元素，其半徑增加不多，原因是因為f軌域電子屏蔽效應不完全所影響。

金属原子之間有很強的吸引力，因此需要許多能量才能克服此吸力。許多金屬元素的沸點很高，像鎢（5828 K）就格外的高。不過12族元素：鋅、鎘及汞可能是例外。其電子組態結束在...ns²，因為空的np軌域的能階較大，其組態很接近稀有气体組態。因此這類的金屬容易揮發，不宜在超高真空的系統下使用。

其他的金属原子鍵結非常強，甚至連融化成液體的金屬也不例外，例如鎵。鎵的熔點只比室溫高一點點，放在手上就會溶化，但其沸點和銅差不多。熔融態的鎵由於其金屬鍵，是很不容易揮發的液體。

液態金屬中的強鍵結表明了金屬鍵中的能量和金屬鍵結的方向關係不大，這種缺乏鍵結方向性的特點是因為電子離域化所造成的，和一般共價鍵有方向性的鏈結相反。金屬鍵中的能量主要可以表示為金屬原子周圍電子數量的函數，就如同嵌入式原子模型[7]。因此金屬會有較簡單、紧密堆积的晶体结构，如FCC，BCC和HCP等。

若是液態金屬的冷卻率夠高，且其中有適當的合金成份，金屬鍵甚至可以形成類似玻璃結構的非晶态金属。

許多的生物化學都和金屬離子和生物分子中的微弱交互作用有關。這類交互作用及衍生的構象改變可以用双极化干涉测量法來量測。

金屬不溶於水及有機溶劑，不過和水或有機溶劑反應時，會生成可溶的產物。一般來說金屬和水（或有機溶劑）會形成氧化還原反應，破壞金屬原子最外層的電子，因此破壞其金屬鍵。不過金屬在維持其金屬鍵特性的情形下，也溶解和其他物質。例如金很容易被汞溶解，即使在室溫下也是如此。在固態金屬中，若二個金屬的結構相同，也可以有很高的溶解度，其至完全的固體溶解性（例如金和銀形成的合金琥珀金）。不過，兩種金屬也可能會產生結構和這兩種金屬完全不同的產生，可以稱為是金屬互化物，不過因為金屬鍵的材料多半沒有分子的結構，道爾頓的定比定律也不適用，多半其化学计量比會在一定範圍內。針對這類的物質，較理想的作法是不使用「純物質」或是「溶质」之類的概念，改用物質的相來描述。近來這類的研究比較多是冶金學的主題，而不是化學的主題，不過這兩個領域有一些部份的重疊。

複雜化合物中的金屬鍵不一定會對其中所有的組成元素平均分配。有可能其中有些元素完全沒有參與金屬鍵，傳導電子在這些元素附近的流動就好像流經島嶼或是大石頭的河流一樣。也可以觀察哪些元素有參與金屬鍵，例如量測在X射线光电子能谱学（XPS）光譜中的核心水平，若有元素參與金屬鍵，其峰值會有倾斜的情形。

有些金屬間化合物（例如會形成原子簇的）有類似分子的性質，這些化合物比較常在化學中進行討論，而不是在冶金學中討論。這些原子簇的形成可以視為是將缺電子的鍵結轉變為更定域化（localized）的鍵結。氢气是这种凝聚形式的极端例子，在高壓下氢是一種金屬，木星內部就有許多的金屬氫，而因為重力本身形成很高的壓力。不過在低壓下，其鍵結定域化，變成為一般的共價鍵，而且定域化非常完全，因此產生了（一般更為熟悉的）H₂氣體。另一個類似的例子是硼，相較於碳，硼是電子缺乏的元素，不會形成金屬。不過硼有些複雜的結構，例如二十面体的B₁₂原子簇。电荷密度波也是和這個相關的現象。

這些現象和原子彼此接近或是遠離的運動有關，可以詮釋成材料中電子及振動狀態（聲子）的耦合。一般認為另一種電子-聲子交互作用造成了在超低溫下很不一様的結果，也就是超导现象。定域鍵中會形成電子對，讓电荷载流子無法迁移，超导现象中恰好相反，生成的庫柏對在移動時不會遇到任何的阻力。

大量移動電荷載體的存在也造成金屬獨特的光學性質。此性質無法用傳統共價鍵中個別電子的狀態來理解，只能將許多的電子視為整體才能理解。

光是電場及磁場的組合，電場常常可以激發金屬鍵中的電子，使其產生彈性的响应。因此，光子無法穿透到金屬的內部，多半會被反射，光子會被反彈出來，不過有些也會被吸收。這對所有可見光譜下的光子都成立，因此金屬常常會是銀白色或是灰白色，而且會有特殊的反射，即為金屬光泽。光反射及吸收的比例決定了金屬會偏銀色或是偏灰色。不過其尽管表面失澤可能会掩盖这种观察。銀是高導電性的金屬，也是最白的幾種金屬中的一個。

不過也有些金屬不是銀灰色的，最著名的是紅色的銅以及黃色的金。其顏色的原因是因為可激發金屬電子，使其有響應的頻率有其上限，稱為電漿頻率。在電漿頻率時，自由電子氣體中和頻率相依的介電函數會由負（反射）變成正（穿透），因此金屬表面不會反射高頻率的光子，也不會影響金屬的的顏色。有些材料（像氧化铟锡）是金屬導體（其實是简并半导体），但在紅外線下有反射作用[8]，因此氧化铟锡在可見光下是透明的，但在紅外線下則可作為反射鏡。

銀的上限頻率在遠紫外線區，但銅和金的上限頻率接近可見光區，因此這兩種金屬會有特殊的顏色。在金屬表面有一種共振效應稱為表面等离子共振，這是傳導電子的集體振盪，像是電子海上的漣漪。而且，就算光子有足夠的能量可以激發電子，一般也沒有足夠的動量造成表面的漣漪。因此，很難在大块金属上激發等离子体激元（plasmons），這也是金和銅雖然有一些顏色，但其光澤仍類似其他金屬的原因。不過奈米黃金中的金屬鍵只局限在小的金屬顆粒中，避免等离子体激元的共振波逃脫，因此動量選擇規則已不存在，等离子体激元共振會對綠色強烈的吸收，因此會有漂亮的紫紅色。這種顏色的強度比一般靠個別電子及其能階的染料強度要高幾個量級。

• 金屬芳香性
• 固體中的鍵結