EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Eigenschaften – Modell – Elektronengas – Atomrümpfe 58 58 2.13 Das Metallbindungsmodell – Metalle Abb. 058–2: Das Elektronengasmodell Abb. 058–1: Eigenschaften der Metalle Bei den vorangegangen Bindungsmodellen wurde der rasche, aber historisch falsche Weg beschritten. Das Bindungsmodell wurde vorgestellt und die Eigen- schaften der Stoffe anhand des Bindungsmodells erklärt. Hier soll jetzt – in Ma- ßen – aus den Eigenschaften auf das Modell geschlossen werden. Eigenschaften der Metalle Rund 2/3 der Elemente sind Metalle. Die Metalle ähneln sich in sehr vielen Ei- genschaften. Die Metalle sind bei Raumtemperatur mit Ausnahme von Quecksil- ber Feststoffe. Sie sind glänzend und bis auf Kupfer und Gold grau. Metalle sind Wärmeleiter und elektrische Leiter. Metalle sind leicht verformbar (duktil) und können zu sehr dünnen Folien ausgewalzt werden. Einige dieser Eigenschaften beobachtet man bei praktisch allen Metallen im festen und flüssigen Zustand. Bei Metalldämpfen findet man diese Eigenschaft nicht. Sie werden offensichtlich durch die Bindung zwischen den Metall-Ato- men hervorgerufen. Das Modell Aufgrund des festen Zustands wird eine Gitterstruktur vorliegen. Um die elekt- rische Leitfähigkeit zu erklären, benötigt man frei bewegliche Elektronen. Das einfache Bindungsmodell, das schon beim Bindungsüberblick kurz beschrieben wurde, erklärt viele (leider nicht alle) Eigenschaften der Metalle. Elektronengas Man nimmt an, dass die Metall-Atome ihre Valenzelektronen dem gesamten Teilchenverband zur Verfügung stellen (Abb. 58–2). Diese Elektronen sind damit im gesamten Kristall frei beweglich wie die Teilchen eines Gases und werden daher „Elektronengas“ genannt. Die Beweglichkeit des Elektronengases erklärt die elektrische Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit sinkt mit steigender Temperatur, da durch die Wärmebewegung der Atomrümpfe die Beweglichkeit des Elektro- nengases behindert wird. Metalle sind Leiter 1. Klasse, dh. sie sind Elektronenlei- ter und beim Leiten tritt keine chemische Veränderung auf. Das Elektronengas ist auch ein guter Energieüberträger und ausschlaggebend für die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit der Metalle. Je besser die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls ist, desto besser ist auch seine Wärmeleitfähigkeit. Das Elektronengasmodell erklärt auch die meisten optischen Metalleigenschaf- ten. Da die Valenz-Elektronen nicht in Orbitalen mit ganz bestimmten Energie- niveaus gebunden sind, können sie faktisch jede Energieportion aufnehmen und alle Quanten des sichtbaren Lichtes absorbieren. Metalle sind daher un- durchsichtig. Die angeregten Elektronen können auch wieder jedes Lichtquant emittieren, keine Lichtwellenlänge wird bevorzugt. Daher sind Metalle glänzend und meist grau. (Die Farben der Metalle Kupfer und Gold lassen sich mit dem einfachen Modell nicht erklären.) Die positiven Atomrümpfe Das Metallgitter wird von den Atomrümpfen gebildet. Sie sind positiv geladen und stoßen einander ab. Dieser Abstoßungseffekt wird durch die dazwischen befindlichen Elektronen des Elektronengases aufgehoben, und diese Elektronen wirken wie ein „Klebstoff“ zwischen den Atomrümpfen. Der Zusammenhalt ist sehr fest, daher sind alle Metalle – außer Hg – bei Zimmertemperatur Feststoffe. Wenn man nun die Atomrümpfe des Metallgitters gegeneinander verschiebt oder durch andere etwa gleich große ersetzt, so ändert das an den Bindungs- verhältnissen nur wenig. Dies erklärt die Möglichkeit zur Verformung im festen Zustand (Duktilität) und zur Legierungsbildung. Formel der Metalle Reine Metalle werden mit dem Elementsymbol beschrieben. Ein Atom ist die kleinste Gittereinheit. Fe ist daher die Formel des Metalls Eisen. Wichtige Eigenschaften der Metalle elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Duktilität Legierungsbildung Glanz Undurchsichtigkeit „Elektronengas“ = Summe der Valenz-Elektronen Abb. 058–3: Duktilität der Metalle Abb. 058–4: Legierungsbildung + + reines Metall Kupfer reines Metall Zink Metall- mischung = Legierung Messing Cu Zn Cu/Zn +13 +13 +13 +13 +13 +13 +13 +13 +13 +13 +13 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verl gs öbv