Skript 2. MAR 2012/13

5 Ionenbindung und metallische Bindung Seite 22
5.2. Metallische Bindung
Die Mehrheit der Elemente (ca. 75%) zählt man zu den Metallen. Diese Zuordnung erfolgt aufgrund
charakteristischer Eigenschaften:
- Alle Metalle sind gute Leiter für Wärme und Elektrizität. Sie leiten den elektrischen Strom im festen
wie im flüssigen Zustand. Dabei nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab.
- Metallschmelzen sowie Metallstücke mit glatter Oberfläche zeigen den typischen metallischen
Glanz.
- Die besondere Bedeutung vieler Metalle als Werkstoffe ist vor allem auf deren hohe Festigkeit,
kombiniert mit plastischer Verformbarkeit (Duktilität) zurückzuführen.
Die gemeinsamen Eigenschaften der Metalle sind auf die besondere Art der chemischen Bindung bei
Metallen und auf ähnliche Strukturmerkmale bezüglich Anordnung der Atome im festen Metall zurückzuführen.
5.2.1 Das Elektronengasmodell
Zum Verständnis der guten elektrischen Leitfähigkeit
von Metallen benötigt man ein Modell, das das
Fliessen von Elektronen durch ein Metallstück
deuten kann. Metall-Atome besitzen im Gegensatz
zu Nichtmetall-Atomen geringe Ionisierungsenergien
für die Valenzelektronen. Die Anzahl der
Valenzelektronen ist meist gering. Man kann
modellhaft annehmen, dass die im Gitter dicht
beieinander sitzenden Metall-Atome ihre Valenzelektronen
nicht im Einflussbereich jeweils eines
Kerns halten. Diese Elektronen können sich
zwischen den positiven Atomrümpfen im ganzen
Kristall bewegen. Sie bilden ein "Elektronengas",
das die positiven Atomrümpfe zusammenhält.
Atomrumpf
Valenzelektron
Metalle sind im allgemeinen um so härter, je mehr Aussenelektronen sie besitzen. Je grösser die
Anzahl der im Elektronengas vorhandenen Elektronen und je höher die Ladung der Atomrümpfe ist,
desto stärker ist der Zusammenhalt im Gitter.
Mit dem Elektronengasmodell lässt sich die elektrische Leitfähigkeit der Metalle erklären:
Beim Anlegen einer Spannung können die Elektronen im elektrischen Feld fliessen. Da mit höherer
Temperatur das Schwingen der Atomrümpfe um die Gitterplätze zunimmt, wird dieser Elektronenfluss
immer stärker behindert, so dass die elektrische Leitfähigkeit des Metalls mit steigender Temperatur
abnimmt. Die beim Stromfluss auftretende Erwärmung des Metalls lässt sich als Reibungswärme der
Elektronen an den Atomrümpfen deuten. (http://www.chemie-interaktiv.net/bilder/stromleitung.swf)
5.2.2 Das Metallgitter
In einem Metallkristall sind die Atome regelmässig angeordnet. Sie nehmen, ähnlich wie die Ionen bei
den Ionengittern der Salze, feste Gitterplätze ein. Man spricht deshalb von einem Metallgitter. Die
Strukturverhältnisse in Gittern reiner Metalle sind gegenüber Ionengittern vereinfacht, da alle
Bausteine des Gitters dieselbe Grösse besitzen. Während in Ionengittern die Anordnung der Ionen
zudem durch deren Ladungsverhältnis mitbestimmt wird, können sich die ungeladenen Metall-Atome
zu sehr viel dichteren Strukturen zusammenlagern. Die Koordinationszahlen in Metallgittern sind
deshalb meist höher als in Ionengittern. Wegen dieser einfachen Verhältnisse findet man im
wesentlichen nur drei Strukturtypen, denen man die meisten Metallgitter zuordnen kann. Im Metall