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Die Metallbindung

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Team Realfilm
Die Metallbindung
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Beschreibung Die Metallbindung

Viele Alltagsgegenstände bestehen aus Metall, denn es hat viele praktische Eigenschaften. Doch was hält die Atome eines Metalls zusammen? Eine besondere Eigenschaft der Metalle als Elemente sind die wenigen Elektronen, die sie auf ihrer äußersten Elektronenschale besitzen. Diese Elektronen können sie leicht abgeben. Es entstehen Metallionen. Die abgegebenen Elektronen können sich nun frei in einem Gitter aus Metallionen bewegen. Ihre negative Ladung hält gleichzeitig alle positiven Metallionen zusammen.

Transkript Die Metallbindung

Viele nützliche Gegenstände bestehen aus Metallen. Von Autos über Bratpfannen bis hin zu Glühbirnen. Wir alle profitieren von ihren Eigenschaften. Sie können extrem hart und schwer zu schmelzen sein, wie dieser Kupferdraht, aber gleichzeitig auch biegsam. Diese nützlichen Eigenschaften basieren auf einer besonderen Form der chemischen Bindung von Metallen. Metallatome des gleichen Elements bilden ein riesiges Metallgitter. Da Metallatome normalerweise nur ein, zwei oder drei Elektronen in ihrer äußeren Schale haben, neigen sie dazu, diese Elektronen leicht abzugeben. So erhalten sie eine voll besetzte Außenschale. Da sie nun aber weniger Elektronen als Protonen haben, tragen die Metallatome nun eine elektrische Ladung. Sie sind zu positiven Metallionen geworden. Die abgegebenen äußeren Elektronen sind an kein Atom mehr gebunden. Sie sind delokalisiert. So können sie sich im gesamten Metallgitter frei bewegen. Dies nennt man Elektronengas. Die starke Anziehung zwischen dem negativ geladenen Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen hält das Metallgitter zusammen. Das ist die metallische Bindung. Da die negative Ladung des Elektronengases durch die positive Ladung der Metallionen ausgeglichen wird, ist das Metallgitter insgesamt ungeladen. Dieses Elektronengas ist für viele der typischen Eigenschaften von Metallen verantwortlich. Die freien Elektronen können elektrische Ladungen oder Wärme übertragen. Deshalb sind Metalle gute Leiter von Strom und Wärme. Die Schichten der Metallionen können sich leicht gegeneinander verschieben. Deshalb können Metalle in verschiedene Formen gebracht werden, ohne zu zerbrechen. Metall ist verformbar. Zusätzlich interagieren die freien Elektronen mit Licht und erzeugen so den typischen metallischen Glanz. Deshalb sind Metalle hübsch, aber auch nützlich.

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Die Metallbindung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die Metallbindung kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften der Metalle, die für die Objekte in den Bildern besonders wichtig sind.

    Tipps

    Die Eigenschaften der Metalle bestimmen ihre Nutzung in dem Bild.

    Statt des Pokals könnte auch ein Schmuckstück abgebildet werden.

    Lösung

    Wir schätzen Metalle wegen ihrer Eigenschaften.

    Bei Schmuck und Statussymbolen schätzen wir den besonderen Glanz der Metalle. Gerade Gold wird wegen seines Glanzes geschätzt.
    Bei einem Stahlträger eines Gebäudes nutzen wir Metalle wegen ihrer Stabilität.
    Bei einer Feder nutzen wir aus, dass dünne Metallstreifen biegsam sind.
    Ein Schmied schätzt wiederum die Verformbarkeit der Metalle durch Druck und Wärme.
    Beim Kochen nutzen wir die Wärmeleitfähigkeit der Metalle.
    Bei Kabeln nutzen wir dagegen die elektrische Leitfähigkeit der Metalle.

  • Beschreibe, was das Metallgitter ist.

    Tipps

    Ein Ion entsteht, wenn ein zuvor neutrales Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt.

    Lösung

    Metalle gehen eine besondere Form der chemischen Bindung ein, sie bilden ein Metallgitter. In diesem nehmen die einzelnen Metallatome eine vom Metall abhängige Ordnung ein. Die Valenzelektronen von Metallen können durch die geringe Elektronegativität der Metalle sehr leicht gelöst werden. Diese freien Elektronen sind also über das komplette Metall delokalisiert. Sie können sich, wie ein Gas, frei im Metall bewegen. Dieses negativ geladene Elektronengas gleicht vollständig die positive Ladung der Atomrümpfe aus. Das Metall ist daher nach außen ungeladen.

  • Prüfe die Darstellungen zur Erklärung der Verformbarkeit von Metallen.

    Tipps

    Metalle lassen sich verformen, ohne dabei zu zerbrechen.

    Das Coulomb'sche Gesetz besagt: „Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab und ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.“

    Lösung

    Ein Metallgitter besteht aus positiv geladenen Atomrümpfen, die eine vom Metall abhängige Struktur einnehmen, dazwischen können sich die negativ geladenen Elektronen frei bewegen. Die Elektronen sind delokalisiert und verhalten sich wie ein Elektronengas.

    Übt man eine Kraft auf das Gitter aus, verschieben sich die Atomrümpfe im Gitter und werden weiterhin durch das Elektronengas vor einer Abstoßung untereinander geschützt.

  • Erkläre, wie das Metallgitter die elektrische Leitfähigkeit der Metalle bestimmt.

    Tipps
    Lösung

    Die meisten Metalle sind sehr gute elektrische Leiter. Während die meisten Nichtmetalle zu den Nichtleitern gehören. Die Erklärung für diese Eigenschaft liegt in der Bindungsart der Metalle. Sie bilden ein Metallgitter. In diesem liegen die positiv geladenen Atomrümpfe geordnet vor, während deren Valenzelektronen über den gesamten Metallkörper delokalisiert aber gleich verteilt sind. Legt man an das Metall eine elektrische Spannung an, bewegen sich alle Elektronen in Richtung des positiven Pols der Spannungsquelle.

  • Nenne Gegenstände, die häufig aus Metall bestehen.

    Tipps

    Metalle haben ganz bestimmte Eigenschaften.

    Die Eigenschaften eines Stoffes bestimmen, wo er sinnvoll eingesetzt werden kann.

    Lösung

    Metalle leiten, im Vergleich zu fast allen anderen Stoffen, elektrischen Strom und Wärme sehr gut.

    Diese Eigenschaft können wir bei einem Gebäude und den Handschuhen nicht gebrauchen. Aber sie wird für die Glühlampe, die Stromleitung wie auch die Bratpfanne unbedingt benötigt.

    Metalle sind weiterhin sehr stabil und meist gleichzeitig flexibel genug, um nicht gleich zu zerbrechen.

    Diese Eigenschaft ist für das Flugzeug, das Auto und auch den Leitungsmast sehr wichtig, für den Fußball aber eher ungeeignet.

    Heute wird diese Eigenschaft der Metalle aber auch von anderen Materialien wie Kohlefaser erreicht.

  • Bewerte den Einsatz von Metall als Werkstoff für die gezeigten Anwendungsfälle.

    Tipps

    Metalle haben feste Eigenschaften, diese müssen zum Anwendungsfall passen.

    Metalle besitzen zum einen:

    • Glanz
    • eine hohe elektrische Leitfähigkeit
    • eine hohe Wärmeleitfähigkeit

    Metalle besitzen zum anderen:

    • Stabilität
    • Flexibilität
    • einen hohen Wert
    • ein hohes Gewicht

    Lösung

    Der optimale Werkstoff sollte die nötigen Eigenschaften für einen bestimmten Anwendungsfall mitbringen.

    Wenn man eine Brücke über einen Fluss bauen möchte, über die später Züge geführt werden sollen, muss die Brücke stabil genug sein und genug tragen können. Für dieses Anwendungsgebiet sind Metalle ideale Werkstoffe, da sie sehr stabil und gleichzeitig flexibel sind.

    Wenn man einen Rennwagen bauen möchte, geht es vor allem darum, dass das Fahrzeug leicht und schnell ist und dabei dennoch stabil. Zwar sind Metalle stabil, aber in der Regel deutlich schwerer als zum Beispiel Kohlefaser. Metalle sind hier also nur bedingt verwendbar.

    Man verwendet einen Kochlöffel, um eine heiße Speise umzurühren, ohne sich gleich die Finger zu verbrennen. Daher möchte man hier einen Werkstoff mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit verwenden. Metalle sind jedoch sehr gute Wärmeleiter, daher sind sie als Material für Kochlöffel nicht geeignet.

    Beim Schmuck geht es oft darum, zu zeigen, was man sich leisten kann. Gleichzeitig soll er für den Betrachter auch noch gut aussehen. Daher geht es hier vor allem um den Glanz und den Wert des Materials. Edelmetalle wie Gold und Silber bringen beide Eigenschaften mit. Daher sind Metalle sehr gut für Schmuckstücke geeignet.

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