6.2 Eigenschaften von Metallen
Aus der Metallbindung und dem damit verbundenen Gitteraufbau, resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
1- metallischer Glanz
Glatte Metalloberflächen reflektieren Licht. Die frei beweglichen Elektronen können die gesamte eingestrahlte, aufgenommene Energie – also alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes – wieder unverändert emittieren, wodurch der Glanz und der Spiegeleffekt entstehen. Aus glatten Metallflächen werden daher Spiegel angefertigt.
2- Undurchsichtigkeit
Die Reflexion des Lichtes an der Metalloberfläche bewirkt zugleich, dass das Metall nicht von Licht durchdrungen werden kann. Aus diesem Grund sehen Metalle bereits in sehr dünnen Schichten grau bis schwarz aus.
3- hohe elektrische Leitfähigkeit
Frei bewegliche Elektronen werden durch elektrische Energie von der Stelle des Elektronenüberschusses (Minuspol) in Richtung des Elektronenmangels (Pluspol) verschoben (Elektronenwanderung). Das Metall Kupfer ist ein besonders guter elektrischer Leiter und wird daher sehr häufig in elektrischen Leitungen verbaut.
Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Je höher die Temperatur, umso stärker schwingen die Gitterbausteine (= positiv geladene Metallatomrümpfe), wodurch die Bewegung der Elektronen behindert wird. Durch diese Zunahme des elektrischen Widerstandes, nimmt der Elektronenfluss ab.
4 – gute thermische Leitfähigkeit
Die frei beweglichen Elektronen nehmen leicht Wärmeenergie als Bewegungsenergie auf und transportieren diese ins Metallinnere. Zudem übertragen die Elektronen die thermische Eigenbewegung der Atomrümpfe (Schwingungen) und tragen zu weiterem Wärmetransport bei. Bei Berührung von Metallen bei Raumtemperatur fühlen sich diese kalt an, nach Zufuhr von Wärmeenergie erwärmen sich diese. Die Wärmeleitfähigkeit nutzt der Mersch bei der Herstellung von Gebrauchsgegenständen aus Metall wie Kochtöpfe oder Heizkörper.
5 – gute Verformbarkeit (Duktilität)
Die besondere kristalline Struktur im Metallgitter bewirkt, dass die meisten Metalle einer bestimmten Druckbelastung stand halten und sich biegsam verformen. Diese Eigenschaft wird als duktil bezeichnet. (Selten verformen sich Metalle spröde und sind dann brüchig, abhängig von ihrer individuellen Gitterstruktur.)
Bei Druckeinwirkung verschieben sich die Schichten der Metallatomrümpfe im Metallgitter gegeneinander. Die Zahl der Gitternachbarn bleibt dabei gleich, das Elektronengas bleibt permanent gleichmäßig zwischen den positiv geladenen Metallatomrümpfen verteilt. Es entstehen keine Abstoßungskräfte. Die Anziehungskräfte (Metallbindung) zwischen den positiv geladenen Metallatomrümpfen und den negativ geladenen Valenzelektronen bleiben bestehen, das Metallgitter zerbricht nicht.
@ Belinda Flemming: Reaktion von Metallen auf Druck, CC BY-SA
6 – relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte
Durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte zwischen den positiv geladenen Metallatomrümpfen und den frei beweglichen Elektronen herrschen sehr stark Anziehungskräfte im Metallgitter. (jedoch weniger stark als die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Ionen in Salzkristallen)
@ Belinda Flemming: Schmelz- und Siedepunkte verschiedener Metalle im Vergleich
7 – unterschiedliche Dichte
Metalle könne in Leicht- und Schwermetalle eingeteilt werden. In Leichtmetallen liegt die Dichte unter 5 g/cm3, was zum Beispiel auf die Metalle Aluminium und Magnesium zutrifft (Einsatz beim Flugzeugbau). Schwermetalle wie Eisen, Kupfer und Blei besitzen Dichtewerte über 5 g/cm3. Zu Metallen mit den höchsten Dichten gehören Iridium und Osmium. Schwermetalle sind hart und korrosionsbeständig. Viele Schwermetalle sind giftig.
8 – unterschiedliche Reaktivität
Die Einteilung in Edelmetalle und unedle Metalle basiert auf dem Bestreben von Metallen ihre Valenzelektronen an Reaktionspartner abzugeben. Unedle Metalle geben leicht ihre Valenzelektronen ab als edle Metalle. Durch die Elektronenabgabe bilden sich Metall-Kationen, die an der Bildung von Salzen beteiligt sind. Edle Metalle gehen nur sehr schwer Bindungen mit anderen Elementen ein, weshalb dies sehr korrosionsbeständig sind
9 – Magnetisierbarkeit
Nur die drei Metalle Eisen, Cobalt und Nickel sind in ihrer reinen Form ferromagnetisch, das heißt sie können von einem Magneten angezogen werden.
10 – Legierungen
Legierung sind Verbindungen bzw. Lösungen von verschiedenen Metallen miteinander. Sie haben oft völlige andere physikalische und chemische Eigenschafen als die an der Legierung beteiligten Reinmetalle. Legierung sind um Größenordnungen härter und vielfach korrosionsbeständiger. Dagegen liegt der Schmelzpunkt von Legierungen unter dem der Reinmetalle.
Reine Metalle werden praktisch nicht verwendet, außer bei der Herstellung elektrischer Leitungen. Hier werden vor allem die unlegierten Metalle Kupfer und Aluminium verwendet, da sie die größte Leitfähigkeit besitzen.
11 – chemische Eigenschaften
Reagieren Metalle mit Nichtmetallen zu einer Salzverbindung, treten die Metalle immer als Kationen auf. Nachdem sie ihre Valenzelektronen vollständige an die Nichtmetallatome abgegeben haben, bilden die Metall-Kationen mit den Nichtmetall-Anionen ein Ionengitter, in dem die Ionen durch elektrostatische Anziehungskräfte zusammengehalten werden.
Mit Nichtmetallen wie Stickstoff, Kohlenstoff oder Wasserstoff können Metalle Einlagerungsverbindungen bilden. Hier befinden sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters, ohne dieses wesentlich zu verändern. Solche Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften, wie zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit.