Metallbindung

Metallgitter bestehen aus Metallkationen und frei beweglichen Elektronen (Elektronengas). Daraus ergeben sich die Eigenschaften von Metallen. Sie sind bei Raumtemperatur fest (mit Ausnahme von Quecksilber), verformbar, nicht wasserlöslich und elektrisch leitfähig.

Arbeitsmittel

Grundlagen

Bei der Metallbindung werden die Außenelektronen von den Metall-Atomen freigegeben. Es bleiben positiv geladene Atomrümpfe zurück, die sich in regelmäßigen Gittern anordnen (Metallgitter). Die freigesetzten Elektronen bilden ein Elektronengas, welches aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen mit den positiven Metall-Kationen (Atomrümpfen) für den Zusammenhalt des Metallgitters sorgt.

Metall-Atome geben zur Erfüllung der Edelgasregel ihre Außenelektronen ab.

Wie werden Metalle dargestellt?

Da Metalle aus einer Atomsorte bestehen und Metallgitter aus einer Vielzahl an Metall-Kationen aufgebaut sind, werden Metalle in der Kurzschreibweise nur mit ihrem Elementsymbol dargestellt. Dieses (z. B. Fe für Eisen) kann daher für das Element selbst, ein Atom des Elements oder den metallischen Zustand (d. h. ein Metallgitter) stehen.

Eigenschaften von Metallen

Fast alle Metalle liegen bei Raumtemperatur als Feststoffe vor, da sie hohe Schmelz- und Siedepunkte aufweisen. Das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt bei 3 407 °C (3 680 K) ist Wolfram (W). Übt man Druck auf den Feststoff aus, verbiegt sich das Material, es ist somit verformbar (Duktilität).

Glühdraht aus Wolfram
Glühdraht aus Wolfram

Quecksilber (Hg) ist das Metall mit dem geringeren Schmelzpunkt (-39 °C/234 K). Es liegt somit bei Raumtemperatur flüssig vor. Es gibt aber auch Metalle, die bereits knapp über Raumtemperatur flüssig werden (Francium: 27 °C/300 K; Cäsium: 28 °C/302 K; Gallium: 30 °C/303 K).

flüssiges Quecksilber
Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist.

Metalle haben einen metallischen Glanz, sind nicht wasserlöslich und gute elektrische Leiter. Ihre Leitfähigkeit beruht auf der Beweglichkeit der Elektronen des Elektronengases. Diese Elektronen können auch Wärme transportieren, weshalb Metalle auch gute Wärmeleiter sind.

Die gute elektrische Leitfähigkeit nutzt man in der Elektrotechnik, die Wärmeleitfähigkeit beispielsweise bei Heizkörpern. Das warme Wasser im Heizkörper ist ein guter Wärmetransporter (es hat eine hohe Wärmespeicherkapazität), das Metall ist ein guter Wärmeleiter, sodass die Luft im Raum erwärmt wird (Wärmestrahlung).

Heizkörper
Bei Heizkörpern wird die Wärmeleitfähigkeit von Metallen genutzt.
Auch Metalle können brennen!

Dies kannst du ganz eindrucksvoll bei Wunderkerzen (Sprühkerzen) sehen. Sie bestehen aus Eisen- und Aluminium-Pulver, aus einer Substanz, die Sauerstoff liefert, und Bindemittel. Zündet man die Wunderkerze an, reagiert Aluminium mit dem Sauerstoff und liefert damit ausreichend Energie, damit die Kerze weiterbrennt. Die versprühten Funken entstehen durch verbrennende Eisenkörnchen!

Wunderkerze
Wunderkerzen

Achtung, Wunderkerzen können nicht ausgepustet werden! Aber warum? Da Sauerstoff nicht durch die Umgebung zugeführt, sondern von einer sauerstoffreichen Verbindung in der Wunderkerze geliefert wird, entstehen höhere Temperaturen als bei einer Kerzenflamme. Diese sind für die Verbrennung der Metalle notwendig – können aber mit der Atemluft nicht ausreichend abgekühlt werden!

Die charakteristischen Eigenschaften von Stoffen lassen sich mit deren Strukturen begründen. Hier lassen sich die Bindungsarten und die Eigenschaften der verschiedenen Bindungstypen noch genauer kennenlernen.

Legierungen

Eine Legierung ist ein homogenes Stoffgemisch aus zwei oder mehr Feststoffen, oftmals Metallen. Durch das Legieren von Stoffen können die Eigenschaften eines Werkstoffes entsprechend verändert werden. Bekannte Legierungen sind Bronze (Kupfer und Zinn), Messing (Kupfer und Zink) und Amalgam (Quecksilber mit verschiedenen Metallen wie Silber, Kupfer oder Zinn). Amalgam wurde und wird als Zahnfüllung („Plombe“) verwendet.

Legierung aus 2 Metallen
Ein Beispiel für die Struktur von Legierungen: kleinere Metall-Atome lagern sich in das Gitter des Grundmetalls ein.
Bildguss aus Bronze
Bildguss aus Bronze
Zahnfüllungen aus Amalgam
Zahnfüllungen aus Amalgam

Eine Legierung, bei der ein Metall mit einem Nichtmetall-Feststoff vermischt wird, ist Stahl, eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, bei der der Kohlenstoffgehalt max. 2 % beträgt.

Stahlträger
Stahl lässt sich gut bearbeiten und hat eine hohe Festigkeit. Daher ist Stahl als Bauwerkstoff nicht mehr wegzudenken.
11. Metallbindung
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