Рассуждая о свойствах и поведении электронов в металле, нельзя, однако, забывать, что это элементарная частица. Скорости движения и энергия таких частиц должны иметь в металле, как и в атоме, строго определенные квантованные значения, поскольку движутся электроны в периодически повторяющемся по всей решетке положительном поле ионов и, кроме того, обладают волновыми свойствами. Учет корпускулярно-волновых качеств электронов привел к созданию двух теорий. Первая — квантовая теория свободных электронов (А. Зоммерфельд, 1926) по которой движение свободных электронов рассматривается с учетом квантовых законов. Вторая — зонная теория (М. Блох, 1928). В ней исследуется движение электронов в периодическом поле кристаллической решетки. Теория Зоммерфельда позволила объяснить изменение теплопроводности металла с температурой и его оптические свойства. Зонная теория помогла понять различия между металлами, неметаллами и полупроводниками, а также особые свойства переходных металлов. Все теории вместе составляют основу современного металловедения.
Поведение электронов в металле

В соответствии с современным учением металлы представляют собой твердые и кристаллические структуры, в которых в подвижном равновесии находятся атомы, положительные ионы и "электронный газ" ("электронная жидкость", "электронное море"). Атомы и ионы расположены в узлах кристаллических решеток, причем нейтральных атомов очень мало и подавляющее число частиц находится в виде ионов. Электроны, подчиняясь законам квантовой теории, движутся в периодическом поле положительных зарядов в энергетической зоне, образовавшейся при сближении атомов и взаимном перекрывании их внешних электронных оболочек.

Химическую связь частиц в металле можно рассматривать в двух аспектах: либо как взаимодействие положительно заряженных ионов с электронной средой, либо с точки зрения взаимодействия каждого атома металла с его ближайшими соседями (эта идея особенно успешно развивается Л. Полингом). В различных типах кристаллических решеток число соседей у данного атома неодинаково. В объемно-центрированной кубической он окружен четырнадцатью — восемь находятся на кратчайшем расстоянии, а шесть расположены чуть дальше в центрах соседних кубических ячеек. В гексагональной и гранецентрированной кубической плотнейших упаковках атом имеет по двенадцать равноудаленных соседей. За счет обобществления всех электронов всеми атомами электроны в металле связаны сильнее, чем в молекуле из двух атомов (типа Li2), но их связывающая сила распределена между большим числом объектов. Металлическая связь является ненаправленной. Это значит, что электронная плотность одинакова по всем направлениям от данного атома.

В связи принимают участие только валентные электроны, поэтому в каждой группе периодической системы их число будет неодинаково. У щелочных металлов один и только один электрон каждого атома сообщает кристаллу металлические свойства. Вынужденный "размазываться" между соседями, он не может создать высокую электронную плотность. Электронов, так сказать, "на всех не хватает". По теории Полинга, происходит перераспределение электронов между атомами, и на какое-то время один из них обладает избыточным электроном, тогда как другой его лишился. Количество ионизированных распределений велико по сравнению с однородными, при которых не создаются ионизированные атомы. Связь как бы поворачивается вокруг атома:

Металлическая связь частиц

Правда, такой поворот связи и переход электрона возможны лишь в том случае, если атом, приобретающий дополнительный электрон, имеет незанятую орбиталь с низкой энергией, куда вновь прибывающий электрон может быть помещен. Такие орбитали называются металлическими или орбиталями проводимости. Следовательно, связь между данным атомом и одним из его соседей представляет лишь часть одинарной связи. Конечно, прочность такой связи будет зависеть от числа участвующих валентных электронов атомов.

Для металлов начала периода она будет незначительна по сравнению с металлами других групп. Как следствие, щелочные металлы мягкие, легкоплавкие, их можно без труда резать ножом.

Изложенный способ рассмотрения может быть обобщен и применен к другим металлам. У щелочноземельных сила связи в два раза больше, так как каждый атом представляет для связи с соседями два электрона. Металлы III группы связаны в три раза сильнее и т. д. У переходных элементов участвуют в связи и электроны d-подуровня предвнешнего слоя. Например, в VI группе у хрома, молибдена и вольфрама в связи участвуют шесть электронов. Распределенные между ближайшими соседями, они создают высокую электронную плотность, и связи между атомами прочны. В дополнение к этому кристаллические решетки указанных металлов имеют плотнейшие упаковки. Перечисленные металлы отличаются высокими температурами плавления, кипения, повышенной твердостью и прочностью.

Известно, что металлы хорошо проводят электричество, теплоту, обладают специфическим металлическим блеском, отличаются от неметаллов пластичностью, ковкостью, имеют, как правило, повышенную твердость. Все эти и некоторые другие свойства вполне объяснимы на основе изложенных представлений о металлической структуре.