Metalik bağ

Bir bakır teli istediğiniz kadar bükebilir, çekiçle dövüp ince bir levhaya çevirebilirsiniz; tel kırılmaz, ezilir ve yeni biçimini alır. Aynı çekici bir tuz kristaline vurduğunuzda ise kristal hemen tuzla buz olur. Bakır elektriği evlerimizin duvarlarındaki kablolarda iletirken tuz kristali iletmez; bakır parlarken tuz donuk durur. İki madde de katıdır ve ikisi de güçlü bağlarla bir arada durur, ama bağların doğası farklıdır. Önceki iki derste ametallerle metaller arasındaki elektron aktarımını ve ametaller arasındaki elektron ortaklaşmasını gördük. Bu ders, metal atomlarını birbirine bağlayan üçüncü güçlü etkileşimi, metalik bağı ele alıyor ve metallerin gündelik hayatta bu kadar işe yarar olmasının nedenini bu bağdan çıkarıyor.

• Metalik bağı elektron denizi modeliyle açıklarsın.
• Metallerin iletkenlik, parlaklık, dövülebilirlik ve tel hâline getirilebilme özelliklerini metalik bağla ilişkilendirirsin.
• Metalik bağın gücünü değerlik elektron sayısı ve atom büyüklüğüyle karşılaştırır, erime noktalarını sıralarsın.
• İyonik, kovalent ve metalik bağı karşılaştırır, alaşımların ne olduğunu açıklarsın.

Elektron denizi

Metal atomlarının iyonlaşma enerjileri düşüktür; değerlik elektronlarını kolayca bırakırlar. Bir metal katısında çok sayıda metal atomu yan yana geldiğinde bu değerlik elektronları artık tek bir atoma ait olmaz. Bütün kristale yayılır ve atomların arasında serbestçe dolaşır. Elektronlarını bırakan atomlar ise artı yüklü metal iyonlarına dönüşür ve düzenli bir dizilim içinde yerlerinde kalır.

Bir metal parçasının her noktasında aynı düzen tekrar eder ve kristalde ayrı moleküller bulunmaz. Bu tabloya elektron denizi modeli denir: artı yüklü metal iyonları, serbestçe hareket eden elektronlardan oluşan bir denizin içinde dizilmiştir. İyonları bir arada tutan şey, bu artı iyonlarla aralarında dolaşan eksi yüklü elektronlar arasındaki çekimdir. Bu çekime metalik bağ denir. İyonik bağda elektron bir atomdan ötekine geçer, kovalent bağda iki atom arasında paylaşılır; metalik bağda ise elektronlar bütün kristal tarafından ortaklaşa kullanılır.

Metallerin özellikleri

Metallerin tanıdık özelliklerinin neredeyse hepsi elektron denizinden doğar.

• Elektrik iletkenliği: Serbest elektronlar bir gerilim uygulandığında bir yöne doğru hareket eder ve akım taşır. Metaller katı hâlde bile elektriği iletir; bu, onları katıyken iletmeyen iyonik bileşiklerden ayırır.
• Isı iletkenliği: Serbest elektronlar ısı enerjisini de kristal boyunca hızla taşır. Metal bir kaşığın sapı sıcak çayda çabucak ısınır.
• Parlaklık: Serbest elektronlar üzerlerine düşen ışığı soğurup yeniden yayar; taze kesilmiş metal yüzeyleri bu yüzden parlar.
• Dövülebilirlik ve tel hâline getirilebilme: Bir metale darbe vurulduğunda iyon katmanları birbirinin üzerinden kayar, ama elektron denizi her konumda iyonları bir arada tutmaya devam eder. Metal kırılmaz, biçim değiştirir; levha hâline dövülebilir ya da ince tel hâline çekilebilir. Tuz kristalinde böyle bir yastık yoktur: kayma, benzer yükleri komşu yapar ve itme kristali yarar.

Erime noktaları ve bağın gücü

Metallerin erime noktaları çok geniş bir aralığa yayılır. Cıva oda sıcaklığında sıvıdır; sodyum yaklaşık 98 °C'de erir; ampul flamanlarında kullanılan tungstenin erime noktası ise 3400 °C'nin üzerindedir. Bu farklar metalik bağın gücündeki farklardan kaynaklanır.

Metalik bağın gücünü iki etken belirler:

• Değerlik elektron sayısı: Her atomun denize kattığı elektron sayısı arttıkça iyonların yükü ve denizin yoğunluğu artar, çekim güçlenir. Aynı periyotta sodyumdan (bir değerlik elektronu) magnezyuma (iki) ve alüminyuma (üç) gidildikçe erime noktası yükselir: sodyum yaklaşık 98 °C'de, magnezyum ve alüminyum ise 650 °C'nin üzerinde erir.
• Atom büyüklüğü: Atom büyüdükçe değerlik elektronları çekirdekten uzaklaşır ve çekim zayıflar. Aynı grupta aşağı inildikçe metalik bağ zayıflar: lityumun erime noktası sodyumunkinden, sodyumunki potasyumunkinden yüksektir.

Kısacası metalik bağ, değerlik elektronu çok ve atomu küçük metallerde daha güçlüdür.

Özellikten kullanıma

Bir metalin gündelikte nerede kullanıldığı, çoğu zaman hangi özelliğinin öne çıktığına bağlıdır. Bakır, elektriği çok iyi iletmesi ve kolayca tel hâline çekilebilmesi nedeniyle elektrik kablolarında kullanılır. Alüminyum hem hafiftir hem de çok ince levhalara dövülebilir; mutfaktaki folyo ve içecek kutuları bu yüzden alüminyumdandır. Altın parlaklığını uzun süre korur ve kolay işlenir; takılarda ve bazı elektronik bağlantılarda tercih edilir. Demir ve çelik ise dayanıklılıkları nedeniyle binalarda, köprülerde ve araçlarda taşıyıcı malzeme olarak kullanılır. Tencerelerin metalden yapılması ısı iletkenliğinden, saplarının ise çoğu zaman plastik ya da tahtadan yapılması bu iletkenlikten korunma ihtiyacından kaynaklanır.

Metal olup olmadığını anlamak

Bir maddenin metal olup olmadığı, birkaç basit gözlemle anlaşılabilir. Metaller parlaktır, katı hâlde elektriği ve ısıyı iletir, dövülünce kırılmaz, biçim değiştirir. Ametallerin katıları ise genellikle donuktur, elektriği iletmez ve dövülünce ufalanır; kükürt bunun tipik bir örneğidir. Bu ölçütlerin bilinen bir istisnası grafittir: grafit bir ametal olan karbondan oluştuğu hâlde, katmanlı yapısı sayesinde elektriği iletir. Bu yüzden bir maddeyi sınıflandırırken tek bir özelliğe değil, özelliklerin bütününe bakılır.

Alaşımlar

Bir metalin içine başka bir metal ya da ametal katılarak elde edilen karışımlara alaşım denir. Alaşımlar, saf metallerin özelliklerini istenen yönde değiştirmek için yapılır. Pirinç bakır ile çinkonun, bronz bakır ile kalayın alaşımıdır. Çelik, demire az miktarda karbon katılarak elde edilir ve saf demirden çok daha serttir. Paslanmaz çeliğe ayrıca krom katılır. Altın takılar da çoğu zaman saf değildir: 24 ayar saf altını gösterir, 22 ve 14 ayar ise yirmi dört parçanın yalnız 22'si ya da 14'ü altın olan, içine bakır ya da gümüş katılmış daha sert alaşımlardır. Alaşımlarda da metalik bağ bulunur; araya giren farklı büyüklükteki atomlar katmanların kaymasını zorlaştırdığı için alaşımlar çoğu zaman saf metalden daha serttir.

Üç güçlü bağın karşılaştırması

Bu üç bağ türü güçlü etkileşimler olarak gruplanır. Sıradaki derslerde, moleküllerin birbirini çektiği çok daha zayıf etkileşimler ele alınacaktır.

Örnek 1 — Elektron denizi

Soru: Metalik bağda değerlik elektronları için hangisi doğrudur?

• A) Komşu atomlar arasında çiftler hâlinde paylaşılır.
• B) Bir atomdan ötekine kalıcı olarak geçer.
• C) Çekirdeğe yapışık kalır.
• D) Belirli bir atoma ait olmadan bütün kristalde serbestçe dolaşır.
• E) Kristalden tamamen ayrılır.

Çözüm: Elektron denizi modelinde değerlik elektronları bütün kristalin ortak malıdır. Cevap: D.

Örnek 2 — İletkenlik

Soru: Katı bakır elektriği iletirken katı sodyum klorürün iletmemesinin nedeni nedir?

• A) Bakır daha ağırdır.
• B) Bakırda serbest elektronlar vardır; NaCl'de iyonlar örgüde sabittir ve serbest elektron yoktur.
• C) NaCl bir metaldir.
• D) Bakır suda çözünür.
• E) NaCl'de hiç yüklü tanecik yoktur.

Çözüm: Katı hâlde yük taşıyabilmek için hareket edebilen yüklü tanecik gerekir; bakırda bunlar serbest elektronlardır. Cevap: B.

Örnek 3 — Erime noktası

Soru: Potasyum (₁₉K) ile kalsiyumdan (₂₀Ca) hangisi daha yüksek sıcaklıkta erir?

• A) Kalsiyum; daha çok değerlik elektronu vardır ve metalik bağı daha güçlüdür.
• B) Potasyum; daha büyüktür.
• C) Eşittir.
• D) Potasyum; daha az elektronu vardır.
• E) Karşılaştırılamaz.

Çözüm: İkisi de dördüncü periyottadır; kalsiyumun iki, potasyumun bir değerlik elektronu vardır. Cevap: A.

Örnek 4 — Alaşım

Soru: Bakır ile kalayın oluşturduğu alaşım hangisidir?

• A) Çelik
• B) Pirinç
• C) Lehim
• D) Paslanmaz çelik
• E) Bronz

Çözüm: Bronz, bakır ile kalayın alaşımıdır; pirinç ise bakır ile çinkodan oluşur. Cevap: E.

• Metalik bağı elektron çifti paylaşımı sanmak. Elektronlar iki atom arasında değil, bütün kristalde ortaklaşa kullanılır.
• Metallerin yalnız eriyikte ilettiğini düşünmek. Metaller katı hâlde de iletir; iyonik bileşikler ise katıyken iletmez.
• Bütün metallerin erime noktasının yüksek olduğunu sanmak. Cıva sıvıdır, sodyum ve potasyum düşük sıcaklıkta erir.
• Grupta aşağı metalik bağın güçlendiğini sanmak. Atom büyüdükçe bağ zayıflar.
• Pirinç ile bronzu karıştırmak. Pirinç bakır ve çinko, bronz bakır ve kalaydır.