Metalle sind gute Wärmeleiter und leiten elektrischen Strom. Wie hängen diese Eigenschaften mit der metallbindung zusammen?

Moin,

das kommt ein bisschen darauf an, mit welcher Modellvorstellung ihr konkret die metallische Bindung erklärt habt: Elektronengas-Hypothese oder Energiebänder-Modell...

Grundsätzlich lassen sich mit beiden Vorstellungen die Eigenschaften der Wärme- und Stromleitfähigkeit bei Metallen gut erklären.

Es läuft auch bei beiden Vorstellungen auf das gleiche Phänomen hinaus. Nur die Details sind eben etwas unterschiedlich...

Für die Leitfähigkeit von elektrischem Strom benötigst du bewegliche Ladungsträger. Das können Ionen sein (deshalb leiten Salzlösungen den elektrischen Strom gut) oder eben - wie bei den Metallen - bewegliche Elektronen.

Die beweglichen Elektronen entstehen im Erklärungsmodell mit dem Elektronengas dadurch, dass Metallatome nur sehr wenige Valenzelektronen haben (Elektronen im äußeren Energieniveau = Außenelektronen). Weil das nur wenige Elektronen sind, geben Metallatome diese Valenzelektronen zum Beispiel in Reaktionen gerne an Reaktionspartner ab, um eine Edelgaskonfiguration in ihrer Elektronenhülle zu erreichen.
Bei der metallischen Bindung nach dem Elektronengasmodell passiert das auch, wenn mehrere Metallatome zusammen kommen. Dann lösen sich in diesem Atomverbund die Außenelektronen der einzelnen Metallatome und bilden eine »Wolke« (das Elektronengas). Zurück bleiben positiv geladene Metallatomrümpfe, zwischen denen sich das Elektronengas befindet, was die ganze Sache zusammenhält.

Der Clou ist jedenfalls, dass die losgelösten Elektronen im Elektronengas delokalisiert, also mehr oder weniger frei beweglich sind. Und wie gesagt ermöglichen frei bewegliche Ladungsträger den elektrischen Stromfluss.

Nach der Energiebänder-Theorie nähern sich Metallatome einander an. Wenn Atome das machen, kommt es zu Wechselwirkungen ihrer Elektronenhüllen. Dabei spalten die Energieniveaus der Atomorbitale auf und bilden neue Niveaus (bindende und antibindende Molekülorbitale). Je mehr Atome daran beteiligt sind, desto mehr Energieniveauaufspaltungen gibt es und umso enger sind die Aufspaltungsniveaus beieinander. Es bildet sich irgendwann ein Aufspaltungsmuster, dessen einzelnen Niveaus so dicht beieinander liegen, dass regelrechte Energiebänder entstehen. Da die Energiestufen so dicht beieinander liegen, können sich die Elektronen in diesen Niveaus fast völlig frei bewegen. Und wieder hast du im Grunde frei bewegliche Ladungsträger und damit die Möglichkeit, Strom zu transportieren (Stromfluss).

Auch die Wärmeleitfähigkeit lässt sich so erklären. Denn bei der Wärmeleitfähigkeit brauchst du die Elektronen dafür, dass sie Wärmemengen aufnehmen und transportieren können. Dazu müssen die Elektronen anregbar sein. Angeregt werden können Elektronen aber vor allem dann sehr gut, wenn sie frei beweglich (delokalisiert), also nicht zu stark an ein einzelnes konkretes Atom gebunden sind.

Tja, und egal, ob du die Elektronengashypothese oder die Energiebändertheorie zur Erklärung von metallischen Bindungen heranziehst, in beiden Fällen kommst du zu delokalisierten, frei beweglichen Elektronen, die anregbar sind, Energie aufnehmen und transportieren können (= Wärmeleitfähigkeit).

Die beiden Modellvorstellungen liefern darüber hinaus auch Erklärungen für andere typische Eigenschaften von Metallen, wie beispielsweise den metallischen Glanz an glatten Oberflächen, die Duktilität (Verformbarkeit), die Undurchsichtigkeit... Aber das wolltest du in diesem Zusammenhang ja nicht wissen.

Ich hoffe, du konntest den Ausführungen folgen.

LG von der Waterkant