Eigenschaften von Metallen, diese anhand der metallbindung erklären können?

1 Antwort

Moin,

fünf Eigenschaften von Metallen? Hmmm, mir fallen spontan nur vier ein...

1. Hohe elektrische Leitfähigkeit
2. Hohe Wärmeleitfähigkeit
3. Duktilität (also Biegsamkeit)
4. Metallischer Glanz

Alle diese Eigenschaften kann man mit den Besonderheiten der metallischen Bindung deuten. Aber bevor ich das mache, sollte dir klar sein, dass es zwei Modellvorstellungen für die metallische Bindung gibt, nämlich einmal die sogenannte "Elektronengas-Hypothese" und andererseits die "Energiebänder-Hypothese".

Nach der Elektronengas-Hypothese bestehen Metalle aus Metallatomrümpfen, die einen mehr oder weniger festen Platz in einer kristallartigen Struktur einnehmen. Diese Atomrümpfe werden zusammengehalten, weil alle darin enthaltenen Metallatome ihre Valenzelektronen (Außenelektronen) in einer großen Elektronengaswolke vereinigen, die sich zwischen den dann positiv geladenen Atomrümpfen befindet. Die Atomrümpfe werden also durch das Elektronengas mit den darin frei beweglichen Elektronen zusammengehalten, können sich aber auch nicht beliebig weit einander annähern, weil sie sich aufgrund ihrer gleichen Ladung voneinander abstoßen.

Mit Hilfe dieser Hypothese lässt sich erklären, warum...
... Metalle eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, da zwischen den Atomrümpfen das Elektronengas ist, das von frei beweglichen Elektronen gebildet wird. Frei bewegliche Elektronen sind bewegliche Ladungsträger. Und bewegliche Ladungsträger sind die Voraussetzung für Stromfluss. Mit anderen Worten: Weil in Metallen frei bewegliche Elektronen vorhanden sind, leiten Metalle elektrischen Strom.
... Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Denn die Elektronen des Elektronengases können nicht nur Ladung, sondern auch Energie über eine größere Entfernung transportieren (vergleiche auch das Wiedemann-Franz-Gesetz).
... Metalle biegsam und formbar sind. Das liegt daran, dass im Gegensatz zu Salzkristallen nicht wirklich Ionen die Kristallstruktur bilden. In Salzen führt eine Verformung dazu, dass gleich geladene Ionen von verschiedenen Ebenen im Kristall übereinander geraten. Das hat zur Folge, dass sich diese Ionen dann voneinander abstoßen (gleiche Ladung!), so dass die Kristallstruktur zerbricht (Salze sind spröde Stoffe!). In Metallen führt eine Verformung dagegen lediglich dazu, dass Atomrümpfe und Elektronengas aneinander vorbeigleiten. Darum brechen Metalle (zunächst) nicht, sondern lassen sich mehr oder weniger gut verformen.
... Metalle an glatten Oberflächen glänzen (Metallischer Glanz; Spiegelglanz). Das liegt daran, dass die Elektronen des Elektronengases nicht mehr an bestimmte Atome gebunden sind. Solche Elektronen bezeichnet man auch als "delokalisiert". Delokalisierte Elektronen lassen sich indes gut von elektromagnetischer Strahlung (zum Beispiel Licht) anregen. Das heißt, dass das Licht mit seiner Wellenlänge die Elektronen trifft, diese durch die Energie angeregt werden und wenn sie die aufgenommene Energie wieder abgeben, dann wird Licht auch wieder reflektiert. Diese Reflexionen nehmen wir als Glanz wahr. Dies gilt jedoch nur für glatte Oberflächen. Das passiert zwar prinzipiell auch bei rauen Metalloberflächen, aber dort findet die Reflexion in alle möglichen Richtungen statt. Darum erscheint uns ein Metallpulver nicht glänzend.

Die zweite Hypothese geht davon aus, dass Metallatome, die sich zu Anhäufungen (Clustern) zusammenfinden, miteinander in Wechselwirkung treten. Damit meint man, dass sich ihre Valenzelektronen nicht mehr in separaten Atomorbitalen anordnen, sondern auf Molekülorbitale verteilen. Dabei spalten also die Atomorbitale auf und bilden Molekülorbitale mit unterschiedlichem Energieniveau. Je mehr Atome daran beteiligt sind, desto vielfältiger sind die Energiestufen der Molekülorbitale. Ab einer bestimmten Größe kommt es so zu einer Verteilung der Energiestufen, dass sie nicht mehr in klaren Abstufungen zueinander stehen, sondern im Grunde ein einziges Energieband bilden. Die Elektronen können dann zwischen den Energiestufen hin und her verschoben werden. Auch mit Hilfe dieser Hypothese lassen sich die vier oben beschriebenen Eigenschaften von Metallen deuten. Nur musst du die Vorstellung von frei beweglichen Elektronen in einem Elektronengas durch die Vorstellung von frei beweglichen Elektronen in einem Energieband ersetzen. Die Argumentation bleibt dann in etwa die gleiche.

Ahhh, jetzt fällt mir doch noch eine fünfte Eigenschaft ein: Metalle sind im Normalfall undurchsichtig (also nicht transparent). Und auch das kannst du mit beiden Hypothesen erklären, denn in beiden Fällen gibt es diese delokalisierten Elektronen (entweder im Elektronengas oder im Energieband). Delokalisierte Elektronen "schlucken" Licht(energie) und reflektieren einen Teil davon. Das erklärt nicht nur den Glanz, sondern auch, warum Metalle nicht durchsichtig sind...

Ich hoffe, du kannst damit etwas anfangen...

LG von der Waterkant.

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