Metallbindungen einfach erklärt I musstewissen Chemie

0:00 Wenn man abends mal so im Periodensystem stöbert, wie man's so macht, dann fällt doch auf, wie viele Metalle es eigentlich gibt. Was ein Metall ist, wie Metalle zusammenhalten und was sie sonst noch so können, heute und hier bei "musstewissen". * Musik * Schauen wir uns erst mal den Steckbrief von Metallen an. Welche Eigenschaften haben Metalle denn? Sie sind gute Wärmeleiter. Sie leiten Strom. Sie lassen sich gut verformen. Und sie glänzen. Die Frage ist: Wie machen sie das? Das Geheimnis der Metalle liegt in ihrer besonderen Bindung. Also der Art und Weise, wie die Metallatome zusammengehalten werden.

0:46 Chemische Bindungen haben wir kennengelernt. Unsere Videos zur Ionenbindung und zur Atombindung könnt ihr hier noch mal anschauen. Heute geht es um die sogenannte Metallbindung. Und die sieht so aus: Die einzelnen Metallatome lagern sich in einem Gitter zusammen. Und jetzt werfen wir mal alle Vorstellungen, die wir bisher von Atomen hatten, über Bord. Wir stellen sie uns nicht als feste Kugeln vor, die aus Kern und Hülle bestehen. Stattdessen stellen wir uns vor, dass die Elektronenhüllen so ein bisschen ineinander übergehen und ein großes Elektronengewaber bilden. Die Elektronen der äußeren Hülle sind so schwach an ihre Atomkerne gebunden, dass sie sich frei im ganzen Gitter bewegen können. Man spricht hier von einem sogenannten Elektronengas. Ein Metall ist also folgendermaßen aufgebaut:

1:34 Positiv geladene Atomrümpfe, so nennt man sie, und ein freies, negativ geladenes Elektronengas. Und mit diesem Modell lassen sich die Metalleigenschaften gut erklären. Auf geht's. Die Wärmeleitung: Wärme, was war das noch mal gleich? Genau, Wärme ist die Bewegung von Teilchen. Also ist Wärme auch Bewegungsenergie. Wer da eine Auffrischung braucht, kann sich dieses Video anschauen. Also weiterleiten. Werden die Temperaturen größer, fangen irgendwann auch noch die Atomrümpfe an zu schwingen und geben dadurch auch Energie weiter. So funktioniert die Wärmeleitung in Metallen.

2:19 Nächster Punkt: Wir sagen, Strom "fließt", aber was genau fließt denn da? Allgemein sagt man, für einen Strom braucht man elektrische Ladungsträger, die sich bewegen. Und genau solche beweglichen Ladungsträger haben wir im Metall, nämlich unsere frei beweglichen Elektronen, das Elektronengas. Wenn ein Strom fließt, dann driften die Elektronen als zappelnde Wolke durch das Metall. Und die Elektronen zappeln im Metall ganz schön schnell herum. Mit ungefähr 1000 km/s. Das sind etwa 3,5 Millionen km/h. Aber die Driftgeschwindigkeit der ganzen Wolke ist gerade einmal 0,1 mm/s. Wenn ihr also mal ein Bild seht, auf dem die Elektronen

3:06 mit hoher Geschwindigkeit durch ein Kabel schießen - so ist das in Wirklichkeit nicht. So, die nächste Metalleigenschaft - die gute Verformbarkeit. Erst mal, was genau heißt eigentlich verformen? Verformen heißt, dass ich durch Druck oder mithilfe von Hitze oder Gewalt die Form eines Stoffes verändern kann, ohne dass er kaputt geht. Also zum Beispiel ohne dass er zerbricht. Das liegt daran, dass sich die Atomrümpfe beim Verformen einfach gegeneinander verschieben, das Ganze aber weiterhin durch die Elektronenwolke zusammengehalten wird. Wenn ich jetzt mit einem Hammer auf eine Stahlstange haue, dann kriegt die vielleicht 'ne Beule, aber geht nicht so leicht kaputt. So, jetzt hauen wir mit einem Hammer auf einen Ionenkristall. Verhält sich irgendwie anders. Ein Ionenkristall sieht ja so aus:

3:54 Positive Kationen und negative Anionen immer abwechselnd. Werden jetzt durch einen Hammerschlag die Ebenen verschoben, dann liegen positive Kationen nebeneinander und negative Anionen nebeneinander. Durch die Verschiebung der Gitterebenen sieht der Kristall dann ganz anders aus. Die Folge: Kation und Kation stoßen sich ab, Anion und Anion stoßen sich ab - und der Ionenkristall zerbricht. Manche Metalle lassen sich leichter, manche schwerer verformen. Alkalimetalle sind zum Beispiel recht weich und leicht verformbar, wie ihr euch vielleicht erinnert. Aber alle Metalle lassen sich unter Hitze verformen. Okay, dieser Hammer hier ist jetzt aber auch aus Metall. Sollte also auch gut verformbar sein. Warum ist er stattdessen so hart und robust? Das liegt daran, dass ein Hammer aus einer Legierung besteht.

4:46 Das kann man sich so vorstellen: Die Atome der verschiedenen Metalle einer Legierung sind unterschiedlich groß. Dann sieht unser Metall nicht mehr so aus: Sondern so: Wenn man jetzt versucht, diese Legierung zu verformen, geht das nicht so einfach, weil die Gitterebenen nicht mehr so schön symmetrisch und regelmäßig sind. Dann hakt da etwas, könnte man sagen. Gut, zuletzt schauen wir uns noch an, warum Metalle alle so schön glänzen. Tja, was ist eigentlich Glanz? Das machen die Metalle. Und auch das liegt an den freien Elektronen, dem Elektronengas. Was da genau passiert, das machen wir mal später in einem Video oder kann gut sein, dass die Jungs bei "musstewissen Physik" das gerne erklären möchten.

5:34 Hier erst mal so viel: Licht kann man als Welle verstehen. Diese Welle regt die Elektronen zum Schwingen an. Wenn Elektronen schwingen, dann senden sie auch wieder Licht aus. Dieses ausgesendete Licht lässt die Metalle glänzen. So, das war unser Video zu den Eigenschaften der Metalle. Gute Wärmeleitung, Stromleitung, gute Verformbarkeit und Glanz. Alle diese Eigenschaften sind auf die besondere Art der Metallbindung zurückzuführen. Wenn ihr noch Fragen habt, dann ab damit in die Kommentare. Ich hoffe, das Video war hilfreich. Wenn ja, freue ich mich natürlich über einen Daumen nach oben. Verpasst keine neuen Videos, indem ihr abonniert. Bis dann. Untertitel im Auftrag des ZDF für funk, 2017