La cohésion des métaux est bien sûr assurée par les électrons de valence. Dans le cas des cristaux métalliques, ces électrons sont complètement délocalisés. Les cristaux métalliques sont donc assimilables à une assemblée de cations baignant dans un gaz d'électrons. La présence des électrons empêche les cations de s'éloigner les uns des autres et la présence des cations confine les électrons à l'intérieur du cristal. On peut appliquer une variante de la théorie cinétique des gaz aux électrons, mais c'est un peu plus compliqué à cause de la présence des cations qui ont une influence importante sur les mouvements des électrons. Ces modélisations dépassent le cadre de ce cours.
Les métaux adoptent presque tous une des trois structures étudiées plus haut, à savoir cubique faces centrées, hexagonale compacte ou cubique centrée. Certains métaux peuvent exister sous plusieurs formes. Par exemple le fer qui, comme nous l'avons déjà vu, est cubique centré à température ambiante, devient cubique faces centrées (fer γ) à partir de 906°C (il reprend une structure cubique centrée à 1401°C qu'il garde jusqu'à 1528°C, sa température de fusion). L'existence de ces deux géométries pour le fer a une importance considérable sur sa métallurgie et l'élaboration des aciers.
Les rares exceptions aux trois géométries déjà connues concernent des métaux des colonnes 13 à 15 de la classification périodique comme le gallium, l'étain ou le bismuth. Le manganèse possède une structure basée sur le réseau cubique centré mais dans laquelle on peut distinguer quatre types d'atomes contre un seul dans la structure normale. L'uranium est une autre exception.
Certains métaux adoptant une structure compacte présentent un enchaînement plus compliqués de plans A, B et C. Quelques lanthanides présentent cette caractéristique. Le cobalt possède à l'état stable dans les conditions ambiantes une structure cubique faces centrées, mais la structure hexagonale compacte est très proche en énergie et les cristaux présentent souvent des défauts d'empilement.
Les structures des métaux sont souvent légèrement distordues par rapport à la structure idéale. Cela concerne essentiellement la structure hexagonale compacte qui n'est pas isotrope. En effet, la direction perpendiculaire aux plans compacts n'a pas les mêmes propriétés que les directions parallèles. Il résulte presque toujours une très légère diminution du rapport c/a qui vaut typiquement 1,57 à 1,62 au lieu de 1,63. Les seules exceptions sont le zinc et le cadmium pour lesquels le rapport est nettement plus grand. Pour le zinc, il est de 1,86 et la distance entre deux atomes de zinc voisins dans deux plans différents est environ dix pour-cent fois plus grande qu'entre deux voisins dans le même plan compact.
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