Big Bang HTL 2, Schulbuch

48 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 4.3 Elektronen-Sharing Die Metallbindung Eine erste Möglichkeit, um eine volle Außenschale zu be- kommen, ist die Metallbindung. Metallatome geben alle ihre Außenelektronen ab und halten sie sozusagen zur gemeinsamen Verfügbarkeit. 4.3.1 Grundlagen Metalle machen den Großteil der Elemente im PSE aus. Sie haben einige Eigenschaften gemeinsam: Sie zeigen einen typischen Metallglanz. Bei mechanischer Beanspruchung lassen sie sich verformen. Metalle leiten sowohl Wärme als auch den elektrischen Strom sehr gut. Die elektrische Leit- fähigkeit nimmt allerdings mit steigender Temperatur ab. Manche dieser Eigenschaften werden seit vielen Tausend Jahren von der Menschheit geschätzt. Metalle werden als Kochgeschirr, Baumaterial, Leitungsdraht oder Schmuck- stück benutzt. ( F8 , F9 ) Doch wie kann man diese für uns sichtbaren Eigenschaften auf der atomaren Ebene erklären? Nun, ein Metallatom hat folgendes „Problem“: Es besitzt einige wenige Außenelektronen, die es gern loswerden möchte, um eine volle (darunter liegende) äußerste Schale zu erreichen. Nun ist aber kein Partner vorhanden, der diese Elektronen aufnehmen könnte. Daher geben Metallatome ihre „überschüssigen“ Valenz-Elektronen einfach in den Raum zwischen ihnen ab. Die dadurch entstehenden Metall- Kationen bilden dicht gepackte Gitterstrukturen, die Metall- gitter . Die Metallkationen können dabei verschiedene Git- tertypen bilden, die häufigsten sind: Welche Metalle werden in einem Haushalt zu welchen Zwecken eingesetzt? Welche Metalle habt ihr in der Werkstätte schon zu welchen Zwecken eingesetzt? Warum ist bei Aluminium-Pfannen der Griff nicht auch aus Aluminium, sondern aus Kunststoff? Welche Arten der Metallbearbeitung kennst du? F8 F9 F10 F11 Abb. 4.4: Gittertypen von Metallen: hexagonal dichteste Packung, kubisch flächenzentriert, kubisch innenzentriert 1 2 3 Das Metall bildet also im Prinzip Kristalle (auch wenn man ihm das nicht sofort ansieht). Dazwischen können sich die abgegebenen Elektronen frei bewegen . Die Elektronen gehören also nicht (mehr) zu einem bestimmten Atom, sondern sind „ Gemeinschaftselektronen “ für alle Metall­ kationen. Zu den Metallkationen sagt man auch oft „ Atomrümpfe “, die Elektronen werden häufig als „ Elektro- nengas “ bezeichnet. Das Wort Gas bezieht sich nur auf die freie Beweglichkeit der Elektronen wie Teilchen eines Gases, es hat nichts zu tun mit einem realen Gas. Durch diesen mikroskopischen Bau ergeben sich die typischen Metalleigenschaften : Die einzelnen Gitterschichten können bei mechanischer Beanspruchung aneinander vorbeigleiten , die Elektronen halten das Gitter zusammen. Daher kann man Metalle auf sehr verschiedene Arten bearbeiten: walzen, biegen, hämmern, ziehen, schmieden, punzieren etc. ( F11 ). Die elektrische Leitfähigkeit der Metalle entsteht durch die frei beweglichen Elektronen, diese sind auch hauptsächlich verantwortlich für die gute Wärmeleitfähigkeit . Elektronen als sehr kleine Teilchen lassen sich leicht in Wärme-Schwin- gung versetzen, die sie an angrenzende Elektronen und Metallkationen weitergeben können. Große Moleküle von Kunststoffen leiten dagegen Wärme nur schlecht ( F10 ). Die elektr. Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Das kann man sich damit erklären, dass bei großer Wär- meschwingung der Metallkationen im Gitter die Elektronen nicht mehr so schnell zwischen diesen hindurch flitzen kön- nen. Als Formel für ein Metall nimmt man das chemische Sym- bol, z. B. Fe für Eisen oder Cu für Kupfer. Trotzdem handelt es sich nicht um Einzelatome, sondern um Gitter aus vielen Millionen davon. Zusammenfassung Metallatome in einer Metallbindung geben ihre Valenze- lektronen ab und werden zu positiv geladenen Metallkatio- nen. Die Elektronen können sich frei zwischen diesen Ionen („Atomrümpfen“) bewegen. Dies bewirkt u. a. die gute elekt- rische Leitfähigkeit der Metalle. Die Gitterschichten können übereinander hinweggleiten, daher sind Metalle kalt verformbar. Abb. 4.5: Metall- bindungsmodell. Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv