Warum sind die meisten Metalle Feststoffe?
Wir haben in der Schule das Metall-Modell von "Atomrümpfen im Elektronensee" kennengelernt. Viele Metalleigenschaften lassen sich damit einfach erklären. Dass Metalle meistens Feststoffe sind, erscheint mir aber nicht logisch. Im Gegenteil, Atomrümpfe, die in einem Elektronensee schwimmen, müssten doch flüssig sein. Warum sind trotzdem die meisten Metalle Feststoffe?
4 Antworten
Fast alle Metalle sind bei Raumtemperatur fest. Im Grunde handelt es sich um ein Gitter (ähnlich wie in einem Salz), mit dem Unterschied, dass es eine Elektronenwolke um die positiv geladenen Metallionen herum gibt.
Lithium (gibt nur 1 Elektron ab pro Atom) ist deutlich weicher als Beryllium (was 2 Elektronen abgibt). Beryllium ist ein hartes Metall. Auch die Schmelzpunkte sind entsprechend.
Wenn man sich die interessante Reihe Zn-Cd-Hg anschaut, stellt man fest, dass nur Quecksilber flüssig ist bei Raumtemperatur. Zink ist fest. Zudem hat Zink hat auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Hg. Je mehr Elektronen im Leitungsband sind, desto höher sind Härte und Schmelzpunkt, und natürlich auch die Leitfähigkeit. Hg ist zwar auch leitfähig, aber nicht so wie Zn.
Die Elektronenwolke sorgt also für den festen Zusammenhalt. Da es aber keine gerichteten Bindungen gibt, wie z.B. in einem spröden Zuckerkristall, kann man Metalle verformen, also kann man z.B. Eisen schmieden.
Hg ist ein Sonderfall. Zum einen gibt es (aufgrund relativistischer Effekte) nicht ganz so gerne Elektronen ins Leitungsband ab, wie man vielleicht annehmen würde. Zudem ist es recht schwer.
Die Elektronenwolke hält die schweren Atome also nur partiell zusammen. Es ist flüssig, hat aber die Tendenz, stets Tropfen zu bilden.
Es verhält sich physikalisch also nicht wie das ebenfalls flüssige Brom, sondern eher wie ein geschmolzenes Metall - mit dem Unterschied, dass es einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als andere Metalle.
Es gibt auch andere schwere Metalle, die relativ weich sind, etwa Blei oder Uran.
Das ist nicht richtig — die p-Metalle haben drei bis fünf Valenzelektronen, und die Übergangsmetalle noch viel mehr.
Du hast aber recht, daß die Zahl der Valenzelektronen nicht das einzige Kriterium ist. Man sagt allgemein, daß die Übergangsmetalle deshalb härter und hochschmelzender sind als die Hauptgruppenmetalle, weil sie mehr Elektronen haben. Andererseits schmilzt Blei mit seinen vier Elektronen niedriger als Barium mit zweien. Das hängt also auch von Details in der Bandstruktur ab, und davon verstehe ich nichts.
Ob etwas bei einer bestimmten Temperatur fest, flüssig oder gasförmig ist, hängt davon ab, wie stark die Bindungen zwischen den Teilchen sind (vergleichen zur thermischen Energie).
Die Metallbindung ist grundsätzlich stark, und daher würde man erwarten, daß Metalle hohe Schmelzpunkte haben. Das stimmt auch, wobei Hauptgruppenmetalle einen niedrigeren Schmelzpunkt haben (und der innerhalb der Gruppe nach unten abnimmt) und Nebengruppenmetalle einen höheren (und der innerhalb der Gruppe nach unten zunimmt).
Die zwei bei Raumtemperatur flüssigen Metalle sind Caesium (naja, 28°C sind zumindest in den Tropen gerade noch „Raumtemperatur“) und Quecksilber (−39°C). Von den Elementen der letzten Periode sind die meisten hochradioaktiv, und ihre Schmelzpunkte sind oft gar nicht bekannt.
Bei Caesium ist das keine wirkliche Irregularität, weil die Alkalimetalle nur ein Elektron pro Atom haben und die Bindung daher schwächer ist. Bei Quecksilber ist es dagegen schwer zu verstehen; mittlerweile weiß man, daß ein Effekt der Speziellen Relativitätstheorie daran schuld ist.
Also im Prinzip hilft dir beim Verständnis dieser Frage die Veranschaulichung der einzelnen Aggregatzustände. Wodurch sind bestimmte Aggregatzustände definiert? Alle Teilchen befinden sich in ständiger translatorischer (Vor, zurück, links, rechts) Bewegung. Mit den Freiheitsgraden, die Teilchen haben, d.h. das Maß der Beweglichkeit, ändert sich der Aggregatzustand von fest nach gasförmig, je mehr sich die Teilchen frei bewegen können. Ein Beispiel sind die strukturell sehr ähnlichen Moleküle Wasser (H2O) und Schwefelwasserstoff (H2S). Dabei ist Wasser flüssig und Schwefelwasserstoff gasförmig. Das liegt an den internolekularen Wechselwirkungen, also den Wechselwirkungen der Moleküle untereinander. Bei Schwefelwasserstoff liegen quasi temporäre elektrostatische Anziehungskräfte durch sog. van der Waals Wechselwirkungen, Dipol Dipol Wechselwirkungen und sehr schwache Wasserstoffbrückenbindungen (zwischen Schwefelatomen und Wasserstoffatomen). Die Teilchen genießen eine hohe Bewegungsfreiheit, anders als beim Wasser, bei dem die Wechselwirkungen deutlich stärker sind, die Bewegung der Teilchen daher deutlich eingeschränkt.
So viel zum kleinen Exkurs, zurück zu den Metallen. Das Elektronengasmodell erklärt es an sich schon sehr gut. Die Atomrümpfe an sich würden sich elektrostatisch abstoßen, wäre da nicht das gleichmäßig verteilte Elektronengas. Gerade bei Metallen wie Eisen bestimmt die Menge der freigesetzten Elektronen pro Eisen Atomrumpf Feststoffcharakter und auch Härte. Hier treten keine intermolekularen Wechselwirkungen, sondern sehr starke ionische Wechselwirkungen auf, die nochmal deutlich stärker sind als bei Wasser und H2S. Um diese Bindungen zu lösen, um die Teilchen in eine Bewegung zu versetzen, ist immens viel Energie in Form von Wärme nötig, die durch Raumtemperatur kaum aufgebracht werden kann. Hoffe, ich konnte dir weiterhelfen
Die meisten??? Ich kenne spontan nur ein bei RT flüssiges Metall und bin mir nicht mal sicher ob es zu den normalen Metallen gezählt wird.
LG.
Quecksilber ist ein bei RT flüssiges Metall. Ich wollte nur sichergehen, dass mich nicht alle korrigieren, weil nicht alle Metalle Feststoffe sind.
Es gibt auch einige flüssige Legierungen (Na/K), ich finde die Formulierung in der Frage perfekt angemessen.
Muss es nicht noch andere Kriterien geben, als nur die Zahl der Elektronen die pro Atom abgegeben werden? Denn alle Metalle besitzen doch 1 oder 2 Valenzelektronen.