Metalle sind allgegenwärtig! Ihre besonderen Eigenschaften sind auf die Metallbindung zurückzuführen, bei der viele Metallatome miteinander verbunden sind. Erfahre mehr über die Grundlagen und den Aufbau von Metallatomen. Neugierig geworden? Das und vieles mehr erwartet dich im folgenden Text!
Überall gibt es Metalle, in jeder Werkstatt und hoffentlich in den meisten Portemonnaies. Einige Metalle sind auffällig glänzende Stoffe wie das flüssige Quecksilber, aus anderen kann ein Schmied nützliche Gegenstände formen wie beim Hufeisen. Ihre besonderen Eigenschaften verdanken sie der Metallbindung. Eine Definition der Metallbindung ist dadurch gegeben, dass die Metallbindung nicht auf eine Bindung zwischen zwei Atomen beschränkt ist, auch nicht auf drei oder vier Atome. Bei einer Metallbindung sind ganz viele Metallatome miteinander verbunden! Bevor wir näher auf die metallische Bindung eingehen, betrachten wir die Eigenschaften der Metalle und dann den Aufbau der Metallatome.
Eigenschaften der Metalle
Die Metallbindung beeinflusst die Stoffeigenschaften. Vier gemeinsame Eigenschaften charakterisieren insbesondere die Metalle:
Metalle zeigen einen typischen Glanz.
Beispiel: Sammelmünzen werden poliert, damit der metallische Glanz sie schön scheinen lässt.
Metalle sind verformbar.
Beispiel: Blumendraht oder einen Löffel kann man leicht verbiegen, schwere Metallstücke kann man schmieden.
Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Beispiel: Wenn man eine heiße Tasse Tee aufsetzt und einen Silberlöffel in die Tasse hält, merkt man schnell, wie die Wärme des heißen Tees auf den Silberlöffel übergeht.
Metalle haben eine gute elektrische Leitfähigkeit.
Beispiel: Die meisten elektrischen Kabel bestehen aus Kupfer. Für die Leitung elektrischen Stroms werden auch Metalle wie Aluminium, Silber und Gold verwendet.
Aufbau der Metallatome
Grundsätzlich sind Metallatome genauso aufgebaut wie alle anderen Atome. Wie ihr sicher wisst, besitzen alle Atome Elektronen, die auf Schalen verteilt sind. Die Elektronen auf der äußersten Schale sind die Außenelektronen bzw. Valenzelektronen. Sie sind für die chemische Bindung verantwortlich und können leicht abgegeben werden. Atome sind eigentlich ungeladen oder elektrisch neutral. Gibt nun ein Silberatom ein Außenelektron ab, dann liegen das Silberion und das Elektron getrennt vor. Das Silberion ist einfach positiv geladen. Das Elektron ist einfach negativ geladen. In Formelschreibweise sieht das so aus:
$Ag \longrightarrow Ag^+ ~+~ e^-$
Das Modell der Metallbindung
Wenn wir zu vielen Metallatomen übergehen, dann verstehen wir das Wesen der Metallbindung.
Im festen Metall bilden ganz viele positive Metallionen, man nennt sie auch Atomrümpfe, ein Metallgitter aus eng benachbarten Atomrümpfen. Jeder Atomrumpf hat auch seine Außenelektronen in das Metallgitter eingebracht. Aber im Unterschied zu anderen Bindungen können die Außenelektronen im Metallgitter ständig ihren Platz wechseln. Das tun sie so schnell, dass man nicht mehr weiß, zu welchem ursprünglichen Atomrumpf ein bestimmtes Elektron gehört. Die Außenelektronen sind im Metall nicht mehr lokal an einen Ort gebunden, sondern sie sind über das gesamte Metallgitter delokalisiert, fast wie Gasteilchen in der Luft. Man spricht deswegen auch vom Elektronengas. Bei der Metallbindung herrschen zwischen den delokalisierten, negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen elektrostatische Anziehungskräfte.
Erklärung der Eigenschaften von Metallen mit der Metallbindung
Metalle besitzen einen typischen Glanz, weil die delokalisierten Elektronen an den Außenflächen wie ein Spiegel wirken und das Licht reflektieren.
Metalle, wie beispielsweise ein Löffel, sind verformbar, man kann sie biegen. Das Riesenmolekül, der Löffel, ist in das Elektronengas eingehüllt. Das schützt den Löffel vor dem Bruch.
Es leuchtet ein, dass die frei beweglichen Elektronen die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle ermöglichen, denn beim elektrischen Strom fließen frei bewegliche Ladungsträger wie die Elektronen.
Die gute Wärmeleitung der Metalle ist etwas schwerer zu erklären: Wärme hängt mit der Bewegung der Teilchen zusammen. Durch die freien Elektronen führen Metalle Gitterschwingungen im Wärmebereich aus. Die dichte Packung der Atomrümpfe im Metallgitter kann solche Bewegungen als Wärme gut weiterleiten.
Hinweise zum Video
Das Video erklärt dir die Metallbindung für den Chemieunterricht. Es beantwortet die Fragen „Was ist eine Metallbindung?“ und „Wie entsteht eine Metallbindung?“. Zum besseren Verständnis solltest du bereits wissen, was Atome und Elektronen sind.
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über die Metallbindung zu testen.
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In diesem Video geht es um Gitter und um Gas. Das kann auch schon mal zur vollständigen Delokalisierung führen. Auf jeden Fall ist Zusammenhalten gefragt. Los geht's, du erfährst heute etwas über die "Metallbindung". Metalle findest du überall um dich herum. Alleine um dieses Video hier zu gucken, ob auf dem Handy oder mit dem Laptop – dies ginge nicht ohne Metalle und ihre spezifischen Eigenschaften. Sie können nämlich hervorragend Strom leiten, haben also eine gute elektrische Leitfähigkeit. Aber auch ihre Wärmeleitfähigkeit ist besonders gut. Desweiteren sind Metalle verformbar und ooooah, glänzend! So und diese tollen Eigenschaften der Metalle sind auf ihre Metallbindung zurückzuführen. Unter der Metallbindung versteht man eine chemische Bindung von Metallatomen zueinander anhand ihrer Außenelektronen. Dies ist auch bei Legierungen, also einem Gemisch von einem oder mehreren Metallen mit anderen Stoffen, der Fall. Um das besser verstehen zu können, sehen wir uns erst einmal den Aufbau von Metallen an. Der Aufbau von Metallatomen entspricht grundsätzlich dem allgemeinen Atomaufbau. Wir haben also um den Atomkern Elektronen, die auf Schalen verteilt sind. Die Elektronen auf der äußersten Schale, die Außenelektronen oder Valenzelektronen, sind für uns nun besonders interessant. Denn das sind die Elektronen, die für chemische Bindungen verantwortlich sind. Die Kernladung wird von den Elektronen der darunter liegenden Schalen besser abgeschirmt. Außerdem werden die Außenelektronen aufgrund der größeren Distanz zum Atomkern weniger stark von diesem angezogen und sind somit besonders leicht abzugeben. Durch das Abgeben und Aufnehmen von Elektronen können Bindungen eingegangen werden. Bei Silber sieht das dann zum Beispiel so aus: Als Atom ist Silber ungeladen. Gibt das Silberatom ein Außenelektron ab, liegen ein positiv geladenes Silber-Ion und ein Elektron getrennt vor. Nun haben wir ja aber in einem Metall nicht nur EIN Metallatom, sondern viele davon vorliegen. Wir haben also unsere positiven Metall-Ionen. Diese werden auch "Atomrümpfe" genannt und bilden, wie hier zu sehen ist, zusammen ein Metallgitter aus. Um diese Atomrümpfe schwirren die negativ geladenen Elektronen. Die Außenelektronen sind wie bereits erwähnt bei Metallen so schwach an die Atomrümpfe gebunden, dass sie sich frei über das ganze Gitter bewegen können, wie eine diffuse Masse. Sie sind "delokalisiert". Man spricht daher nicht von einzelnen Elektronen, sondern von einem "Elektronengas". Bei einer Metallbindung gibt es also zwischen dem negativ geladenen Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen "elektrostatische Anziehungskräfte". Und mit diesem Modell der Metallbindung sind all die Eigenschaften der Metalle anschaulich zu erklären. Starten wir mit der elektrischen Leitfähigkeit. Für Strom benötigt man elektrische Ladungsträger. Und genau das sind unsere frei beweglichen Elektronen im Elektronengas des Metalls. Liegt eine Spannung an, werden die Elektronen angeregt und flitzen in Richtung des angelegten Pluspols – es fließt Strom. Nun zur Wärmeleitfähigkeit: Wie du vielleicht schon weißt, hängen Wärme und die Bewegung von Teilchen direkt zusammen. Durch die freie Beweglichkeit des Elektronengases im Metallgitter können die Elektronen ihre Bewegung und damit auch ihre Wärmeenergie auf andere Elektronen übertragen. Steigt die Temperatur, fangen auch die Atomrümpfe an zu schwingen, wodurch noch mehr Energie weitergeleitet werden kann. Das ist ein guter Übergang zur nächsten Eigenschaft, der Verformbarkeit. Denn durch zugeführte Wärme oder auch durch Druck können Metalle ihre Form ändern, ohne dabei auseinanderzufallen oder zu zerbrechen. Dies liegt daran, dass die Metallbindung aufgrund der Gitteranordnung und des umgebenen Elektronengases sehr flexibel ist. Die Atomrümpfe im Gitter mögen sich verschieben, aber durch das Elektronengas wird das Metall dennoch zusammengehalten. So ist eine gute Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit möglich. Die Verformbarkeit ist aber von Metall zu Metall verschieden. Und das ist auch der Unterschied zu anderen harten Stoffen, wie Glas oder Keramik, die bei zu hohem Druck zerbrechen. Aber Moment! Warum verformt sich der Hammer nicht, wenn ich Druck auf ihn ausübe? Das wäre nun wirklich sehr unpraktisch. Hier ist das Zauberwort: Legierung. Ein Hammer besteht aus einem Metall-GEMISCH. In diesem Gemisch sind die verschiedenen Atomrümpfe unterschiedlich groß. Wenn hierauf nun Druck ausgeübt wird, verformt sich so schnell erst mal nichts, da die Gitterebenen nicht so regelmäßig angeordnet sind und somit noch widerstandsfähiger sind als die meisten reinen Metalle. Kommen wir zuletzt zum Glanz! Unter Glanz versteht man die Reflexion von Licht. Und genau das ist ebenso auf unser Elektronengas zurückzuführen. Das Elektronengas umhüllt die Atomrümpfe. Trifft nun Licht auf die Elektronen, werden diese in Schwingung versetzt und das Licht zurückgesendet, bevor es von den Atomen absorbiert werden kann. So kommst du zu deinem Blingbling und wir fassen zusammen! Typische Eigenschaften von Metallen sind ihre gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verformbarkeit und ihr Glanz. Diese Eigenschaften sind auf die Metallbindung zurückzuführen. Das typische Metallgitter besteht aus den positiv geladenen Ionen, also den Atomrümpfen, und ist umgeben von delokalisierten, frei beweglichen Außenelektronen, dem Elektronengas. So, genug über Gitter, Gas und Zusammenhalten gelernt. Das schreit doch alles sowieso nach Gartenparty. Guten Appetit!
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