Eigenschaften von Metallen

Metalle in der Chemie – Einführung

Metalle sind überall! So besteht dein Fahrrad hauptsächlich aus Metallen wie Eisen $\left( \ce{Fe} \right)$ und Aluminium $\left( \ce{Al} \right)$. Metalle können sehr auffällige Stoffe sein: Sie können glänzen und einige wenige Metalle wie Eisen sind magnetisch; Quecksilber $\left( \ce{Hg} \right)$ ist bei Raumtemperatur ein flüssiges und übrigens auch giftiges Metall; Gold $\left( \ce{Au} \right)$ und Platin $\left( \ce{Pt} \right)$ sind besonders wertvolle und edle Metalle. Unedle Metalle wie Zink $\left( \ce{Zn} \right)$ oder Blei $\left( \ce{Pb} \right)$ werden im Rostschutz eingesetzt.

Neben deinem Fahrrad bestehen viele wichtige Produkte hauptsächlich aus Metallen:
Schiffe, Flugzeuge und Autos, aber auch das Innenleben von Computern und Smartphones.
Oft fällt bei Produkten aus Metall der Begriff Stahl. Darunter versteht man eine Legierung von Eisen, die unter anderem circa zwei Prozent Kohlenstoff-Beimengung enthält.
Ob du es glaubst oder nicht: Wir haben sogar im Körper Metalle, sogenannte Spurenelemente! So benötigen wir Eisen, um den Sauerstoff im Blut zu den Zellen transportieren zu können.

Was sind Metalle? – Definition

Betrachten wir Metalle in der Chemie, dann schauen wir zunächst auf das Periodensystem der chemischen Elemente. Metalle sind alle chemischen Elemente, die im folgenden Bild rot eingefärbt sind. Schnell sieht man: Die meisten chemischen Elemente sind Metalle, rund $80$ Prozent!

Ob ein Element ein Metall oder Nichtmetall ist, kannst du aus dem Periodensystem der Elemente herauslesen. Darüber hinaus werden edle und unedle Metalle unterschieden – eine Unterscheidung, die anhand der sogenannten Redoxreihe der Metalle gemacht wird.
Darauf aufbauend werde Metalle in die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle eingeordnet.
Im Labor ist es außerdem möglich, Stoffgemische aus unterschiedlichen Metallen im Reagenzglas anhand der Fällungsreihe der Metalle zu trennen und das Vorhandensein einzelner Metalle nachzuweisen.

Metalle haben eine große Bedeutung und auch du hast sicher sehr häufig im Alltag mit Metallen zu tun. Die Verwendung von Metallen ist vielfältig. So findest du sie als Ausgangsmaterial bei der Fertigung von Baggern, in Eisenbahnzügen, in Gleisen, in Schmuck, in Gebäuden, im Besteck, im Schiffbau oder in Stromkabeln. Autos und Lkws sind auch zum großen Teil aus Metallen gefertigt.
Viele Alltagsgegenstände bestehen also aus Metallen. Aber welche Eigenschaften haben Metalle? Sind Metalle verformbar? Wann sind Metalle verformbar? Und welche typischen Eigenschaften von Metallen kann man ohne Hilfsmittel erkennen?

Eigenschaften der Metalle

Einfach erklärt sind die charakteristischen, gemeinsamen, chemischen und physikalischen Eigenschaften von Metallen die guten Strom- und Wärmeleiteigenschaften, die Undurchsichtigkeit, die Robustheit, die Stabilität, der Metallglanz und die Verformbarkeit. Außerdem schmelzen Metalle, ohne sich zu zersetzen. Diese Eigenschaften sind bei jedem Metall unterschiedlich stark ausgeprägt.

Die wichtigsten Eigenschaften der Metalle sind die vier folgenden charakteristischen Eigenschaften:

• Metalle zeigen einen typischen Glanz.
• Metalle sind verformbar.
• Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit.
• Metalle haben eine gute elektrische Leitfähigkeit.

Metalle haben also viele interessante Eigenschaften. Ihre besonderen Eigenschaften verdanken sie der Metallbindung. Die Metallbindung beschränkt sich nicht auf eine Bindung zwischen zwei Atomen, auch nicht auf drei oder vier Atome. Bei einer Metallbindung sind ganz viele Metallatome miteinander verbunden. Sie bilden ein Metallgitter aus eng benachbarten Atomrümpfen. Jeder Atomrumpf hat auch seine Außenelektronen in das Metallgitter eingebracht.

Aber im Unterschied zu anderen Bindungen können die Außenelektronen im Metallgitter ständig ihren Platz wechseln – sie sind über das gesamte Metallgitter delokalisiert. Man spricht deswegen auch vom sogenannten Elektronengas. Dabei herrschen zwischen den delokalisierten, negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen elektrostatische Anziehungskräfte. Das kannst du auch hier in diesem Bild sehen:

Die daraus folgenden mechanischen und weitere physikalische Eigenschaften der Metalle werden in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt und erklärt.

Einige chemische Elemente entlang der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen, beispielsweise Silicium $\left( \ce{Si} \right)$ oder Germanium $\left( \ce{Ge} \right)$, sind Halbmetalle. Halbmetalle zeigen nur teilweise oder nur unter bestimmten Bedingungen metallische Eigenschaften.

Andere Stoffeigenschaften wie die Schmelzpunkte der Metalle und ihre Siedepunkte können von Metall zu Metall sehr unterschiedlich sein. Geschmolzene Metalle können andere Metalle lösen. So bilden sie Legierungen, also Gemenge unterschiedlicher Metalle, wenn sie wieder abkühlen. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften sind viele Legierungen von großer praktischer Bedeutung. Eine Legierung kennst du bestimmt von alten Türgriffen, die waren früher meist aus Messing. Das ist eine Legierung aus Kupfer $\left( \ce{Cu} \right)$ und Zink $\left( \ce{Zn} \right)$.

Unterscheidung der Stoffeigenschaften von Metallen

Metalle können nach den typischen physikalischen Eigenschaften unterschiedlich eingeteilt werden. Man kann demnach die Dichte, den Schmelzpunkt und das Reaktionsverhalten unterscheiden.

• Dichte von Metallen:
  Einteilung der Metalle in Leicht- und Schwermetalle
• Schmelzpunkt von Metallen:
  Unterscheidung zwischen niedrigschmelzenden $(\pu{< 600 °C})$, mittelschmelzenden $(\pu{600 - 1100 °C})$ und hochschmelzenden $(\pu{> 1100 °C})$ Metallen
• Reaktionsverhalten:
  Einteilung in edle und unedle Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe

Aufbau der Metalle

Grundsätzlich sind die Metallatome so aufgebaut wie alle anderen Atome. Die Elektronen bewegen sich auf Schalen um die Atomkerne herum. Auf der äußersten Schale befinden sich die Außenelektronen bzw. Valenzelektronen. Sie sind für die chemische Bindung zwischen den Metallatomen verantwortlich.
Im festen Metall bilden ganz viele Metallatome ein Atomgitter. Die Valenzelektronen bewegen sich dabei ganz frei zwischen allen Metallatomen im Gitter und binden so die Metallatome untereinander. Diese Art der Bindung heißt Metallbindung.

Bau und Eigenschaften der Metalle – Beispiel Legierung

Eine weitere Eigenschaft von Metallen ist die Bildung von Legierungen. Das sind feste und homogene Metallgemische. Beispielsweise ist Bronze eine Legierung aus den Elementen Kupfer und Zinn. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Neusilber ist eine Legierung aus Kupfer, Zink und Nickel. Und Weißgold ist eine Legierung aus Gold und Palladium. Legierungen bieten den großen Vorteil, dass man je nach Anteil der einzelnen Bestandteile die Eigenschaften der Endzusammensetzung sehr gut einstellen und somit verbessern kann.

Gewinnung von Metallen

Am häufigsten findet die Gewinnung von Metallen aus Erzen statt. Außerdem werden Metalle aus Recycling wiedergewonnen, was aber sehr schwierig ist und leider heutzutage in einigen Fällen noch nicht wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Sowohl die Gewinnung aus Erzen als auch das Recycling von Metallen sind sehr energieintensiv.

Ausblick – das lernst du nach Eigenschaften von Metallen

Lerne mehr über die Metallbindung und die Gewinnung von Metallen aus Erzen. Damit bist du gut auf das Thema Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff vorbereitet.
Wenn du weißt, wie Metalle hergestellt und verarbeitet werden, kannst du dieses Wissen auch bald praktisch anwenden!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Metalle