Metallbindung

In diesem Video geht es um Gitter und um Gas. Das kann auch schon mal zur vollständigen Delokalisierung führen. Auf jeden Fall ist Zusammenhalten gefragt. Los geht's, du erfährst heute etwas über die "Metallbindung". Metalle findest du überall um dich herum. Alleine um dieses Video hier zu gucken, ob auf dem Handy oder mit dem Laptop – dies ginge nicht ohne Metalle und ihre spezifischen Eigenschaften. Sie können nämlich hervorragend Strom leiten, haben also eine gute elektrische Leitfähigkeit. Aber auch ihre Wärmeleitfähigkeit ist besonders gut. Desweiteren sind Metalle verformbar und ooooah, glänzend! So und diese tollen Eigenschaften der Metalle sind auf ihre Metallbindung zurückzuführen. Unter der Metallbindung versteht man eine chemische Bindung von Metallatomen zueinander anhand ihrer Außenelektronen. Dies ist auch bei Legierungen, also einem Gemisch von einem oder mehreren Metallen mit anderen Stoffen, der Fall. Um das besser verstehen zu können, sehen wir uns erst einmal den Aufbau von Metallen an. Der Aufbau von Metallatomen entspricht grundsätzlich dem allgemeinen Atomaufbau. Wir haben also um den Atomkern Elektronen, die auf Schalen verteilt sind. Die Elektronen auf der äußersten Schale, die Außenelektronen oder Valenzelektronen, sind für uns nun besonders interessant. Denn das sind die Elektronen, die für chemische Bindungen verantwortlich sind. Die Kernladung wird von den Elektronen der darunter liegenden Schalen besser abgeschirmt. Außerdem werden die Außenelektronen aufgrund der größeren Distanz zum Atomkern weniger stark von diesem angezogen und sind somit besonders leicht abzugeben. Durch das Abgeben und Aufnehmen von Elektronen können Bindungen eingegangen werden. Bei Silber sieht das dann zum Beispiel so aus: Als Atom ist Silber ungeladen. Gibt das Silberatom ein Außenelektron ab, liegen ein positiv geladenes Silber-Ion und ein Elektron getrennt vor. Nun haben wir ja aber in einem Metall nicht nur EIN Metallatom, sondern viele davon vorliegen. Wir haben also unsere positiven Metall-Ionen. Diese werden auch "Atomrümpfe" genannt und bilden, wie hier zu sehen ist, zusammen ein Metallgitter aus. Um diese Atomrümpfe schwirren die negativ geladenen Elektronen. Die Außenelektronen sind wie bereits erwähnt bei Metallen so schwach an die Atomrümpfe gebunden, dass sie sich frei über das ganze Gitter bewegen können, wie eine diffuse Masse. Sie sind "delokalisiert". Man spricht daher nicht von einzelnen Elektronen, sondern von einem "Elektronengas". Bei einer Metallbindung gibt es also zwischen dem negativ geladenen Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen "elektrostatische Anziehungskräfte". Und mit diesem Modell der Metallbindung sind all die Eigenschaften der Metalle anschaulich zu erklären. Starten wir mit der elektrischen Leitfähigkeit. Für Strom benötigt man elektrische Ladungsträger. Und genau das sind unsere frei beweglichen Elektronen im Elektronengas des Metalls. Liegt eine Spannung an, werden die Elektronen angeregt und flitzen in Richtung des angelegten Pluspols – es fließt Strom. Nun zur Wärmeleitfähigkeit: Wie du vielleicht schon weißt, hängen Wärme und die Bewegung von Teilchen direkt zusammen. Durch die freie Beweglichkeit des Elektronengases im Metallgitter können die Elektronen ihre Bewegung und damit auch ihre Wärmeenergie auf andere Elektronen übertragen. Steigt die Temperatur, fangen auch die Atomrümpfe an zu schwingen, wodurch noch mehr Energie weitergeleitet werden kann. Das ist ein guter Übergang zur nächsten Eigenschaft, der Verformbarkeit. Denn durch zugeführte Wärme oder auch durch Druck können Metalle ihre Form ändern, ohne dabei auseinanderzufallen oder zu zerbrechen. Dies liegt daran, dass die Metallbindung aufgrund der Gitteranordnung und des umgebenen Elektronengases sehr flexibel ist. Die Atomrümpfe im Gitter mögen sich verschieben, aber durch das Elektronengas wird das Metall dennoch zusammengehalten. So ist eine gute Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit möglich. Die Verformbarkeit ist aber von Metall zu Metall verschieden. Und das ist auch der Unterschied zu anderen harten Stoffen, wie Glas oder Keramik, die bei zu hohem Druck zerbrechen. Aber Moment! Warum verformt sich der Hammer nicht, wenn ich Druck auf ihn ausübe? Das wäre nun wirklich sehr unpraktisch. Hier ist das Zauberwort: Legierung. Ein Hammer besteht aus einem Metall-GEMISCH. In diesem Gemisch sind die verschiedenen Atomrümpfe unterschiedlich groß. Wenn hierauf nun Druck ausgeübt wird, verformt sich so schnell erst mal nichts, da die Gitterebenen nicht so regelmäßig angeordnet sind und somit noch widerstandsfähiger sind als die meisten reinen Metalle. Kommen wir zuletzt zum Glanz! Unter Glanz versteht man die Reflexion von Licht. Und genau das ist ebenso auf unser Elektronengas zurückzuführen. Das Elektronengas umhüllt die Atomrümpfe. Trifft nun Licht auf die Elektronen, werden diese in Schwingung versetzt und das Licht zurückgesendet, bevor es von den Atomen absorbiert werden kann. So kommst du zu deinem Blingbling und wir fassen zusammen! Typische Eigenschaften von Metallen sind ihre gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verformbarkeit und ihr Glanz. Diese Eigenschaften sind auf die Metallbindung zurückzuführen. Das typische Metallgitter besteht aus den positiv geladenen Ionen, also den Atomrümpfen, und ist umgeben von delokalisierten, frei beweglichen Außenelektronen, dem Elektronengas. So, genug über Gitter, Gas und Zusammenhalten gelernt. Das schreit doch alles sowieso nach Gartenparty. Guten Appetit!