6.1 Aufbau von Metallen und Elektronengasmodell

Wissenswertes

Der Erdkern ist das metallische Innere der Erde und besteht zu ca. 90% aus den Metallen Eisen und Nickel. Mit einem Durchmesser von 6942 km macht der Erdkern nur ein Sechstel des Volumens der ganzen Erde aus, trägt aber aufgrund seiner hohen Dichte rund ein Drittel zur Erdmasse von 5,9722 · 1024 kg (5,9722 Trilliarden Tonnen) bei.

Im Gegensatz zur Erdkern kommen in der Erdkruste überwiegend Nichtmetalle vor. Relativ häufige Metalle sind jedoch Aluminium, Magnesium, Eisen, Titan, Natrium, Mangan, Calcium und Kalium. Seltenere Metalle kommen stark angereichert in ihren Abbaustätten vor. Gesteine die Werkmetalle in hoher Konzentration enthalten, werden Erze genannt und werden ebenfalls abgebaut, um das enthaltene Metall als Reinstoff zu gewinnen. Zu den wichtigsten Erzen gehören Oxide (z. B. Eisen aus dem Salz Dieisentrioxid in Eisenerz), Sulfide und Carbonate. Es gibt auch Edelmetalle, die in reiner Form und nicht als Verbindung vorkommen, vor allem Gold.

Metalle haben eine sehr große Bedeutung als Werkstoffe, in den vielfältigsten Bereichen unserer modernen Welt und in der gesamten Menschheitsgeschichte. Begründet werden die Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit benannt.

Die Stabilität in Metallen beruht auf der Metallbindung, mit der sich auch Eigenschaften der Metalle wie die elektrische Leitfähigkeit oder der metallische Glanz erklären lassen.

Im Periodensystem sind etwa 80% der chemischen Elemente Metalle. Sie befinden sich links und unterhalb einer Trennlinie von Bor nach Astat, wobei der dieser Übergang zu den Nichtmetallen über die Gruppe der Halbmetalle fließend ist. Die Nebengruppen sind ausnahmslos Metalle. Viele Halbmetalle können neben metallischen Modifikationen mit Metallbindungen auch nichtmetallischen Modifikationen mit Elektronenpaarbindungen (Atombindungen) bilden.

Aufbau des Metallatomgitters

Metallatome sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

  1. Die Zahl der Valenzelektronen ist gering.
  2. Die nötige Ionisierungsenergie zur Abspaltung dieser Valenzelektronen ist klein.

Daraus resultiert, dass sich Metallatome untereinander nicht wie viele Nichtmetallatome über Atombindungen zu Molekülen (gemeinsame Bindungselektronen) oder zu Ionengittern (Kationen/Anionen) verbinden können. Für den Aufbau von Metallgittern gilt daher die Annahme des Elektronengasmodells.

Elektronengasmodell

Metalle ordnen sich zu einem Metallgitter aus positiv geladenen Metallatomrümpfen, die einen festen Gitterplatz einnehmen. Dazwischen bewegen sich frei bewegliche negativ geladene Valenzelektronen (Elektronengas), dies sich nicht mehr einem bestimmten Atom zuordnen lassen. Die Valenzelektronen sind über das ganze Metallgitter verteilt, sie sind nicht fest im Metallgitter gebunden.

(Der Begriff Elektronengas ist eine Analogie zu der ungeordneten Bewegung von Gasteilchen.)

© Belinda Flemming: Bildung des Metallatomrumpfes, CC BY-SA

Entstehung der positiv geladenen Metallatomrümpfe im Metall Natrium, durch Abgabe eines Valenzelektrons pro Natrium-Atom

© Belinda Flemming: Aufbau des Metallgitters, CC BY-SA

Metallgitter von Natrium aus positiv geladenen Natrium-Atomrümpfen und Elektronengas

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