Metalle, die den Großteil der chemischen Elemente im Periodensystem ausmachen, gehören zu den vielseitigsten und nützlichsten bekannten Substanzen. Die Entwicklung von Metallverarbeitungstechnologien zur Herstellung von Materialien war wahrscheinlich einer der wichtigsten Fortschritte in der Geschichte der Menschheit. Metalle sind in der modernen Welt allgegenwärtig. Brücken, Wolkenkratzer, Staudämme und Autos – die meisten industriellen und groß angelegten Konstruktionen bestehen ganz oder zumindest teilweise aus Metallen, und Metalle sind ein wesentlicher Bestandteil der meisten modernen elektronischen Geräte.
Der Begriff „Metall“ ist jedoch sehr weit gefasst und umfasst eine Reihe von Stoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z. B. Blei (ein dichtes Schwermetall), Quecksilber (ein flüssiges Metall) und Natrium (ein weiches Metall, das man mit einem Messer schneiden kann). Was also macht ein Metall zu einem Metall, und welche Eigenschaften haben Metalle, die sie so nützlich machen?
Was sind Metalle?
In der Chemie wird der Begriff „Metall“ normalerweise für Elemente verwendet, die die Gruppen 3-12 im d-Block des Periodensystems belegen. Diese Elemente werden manchmal auch als „Übergangsmetalle“ bezeichnet. Metalle unterscheiden sich von Nicht-Metallen durch ihre Eigenschaften. Einige allgemeine Eigenschaften von Metallen sind:
- Härte – Metalle neigen dazu, hart und widerstandsfähig gegen Verformung zu sein
- Formbarkeit & Duktilität – Metalle können sich biegen und ihre Form verändern, ohne zu brechen
- Leitfähigkeit – Metalle neigen dazu, Wärme und Elektrizität gut zu leiten
- Glanz – Metalle haben ein einzigartiges, glänzendes Aussehen
- Magnetismus – Viele Metalle sind ferromagnetisch oder paramagnetisch
Neben diesen physikalischen Eigenschaften haben Metalle auch spezifische chemische Eigenschaften. Metalle haben in der Regel eine niedrige Ionisierungsenergie und bilden leicht positive Ionen. Die meisten Metalle haben einen basischen Charakter und reagieren mit Säuren unter Bildung von Salzen und Wasser.
Metalle machen die große Mehrheit der Elemente im Periodensystem aus. Etwa 91 der 118 bekannten Elemente werden als Metalle eingestuft. 6 Elemente (Bor, Silizium, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur) werden gemeinhin als Metalloide eingestuft und haben eine Mischung aus metallischen und nichtmetallischen Eigenschaften.
Was macht ein Metall zu einem Metall?
Bislang haben wir nur einige gemeinsame Eigenschaften von Metallen aufgelistet. Eine weitere Frage ist: Warum haben Metalle die Eigenschaften, die sie haben? Das heißt, was ist an der Struktur der Metallelemente, das ihre allgemein beobachteten Eigenschaften erklärt?
Die einzigartigen Eigenschaften der Metalle lassen sich durch ihre Atom- und Elektronenstruktur erklären. Elemente im d-Block des Periodensystems haben in der Regel mehrere leere Orbitale in der Elektronenhülle. Wenn sich Metallatome zusammenschließen, werden ihre Elektronen delokalisiert und gleichmäßig auf die Atome verteilt. Man kann sich ein Metall als ein Gitter aus positiv geladenen Kationen vorstellen, das von einem „Meer“ von Elektronen umgeben ist. Die große Anzahl leerer Elektronenorbitale bedeutet, dass sich die Elektronen leicht von Atom zu Atom bewegen können. Die delokalisierte Natur der metallischen Bindungen erklärt die einzigartigen Eigenschaften der Metalle.
Im nächsten Abschnitt werden wir uns einige Schlüsseleigenschaften der Metalle genauer ansehen und erklären, wie sie aus ihren Atom- und Elektronenstrukturen hervorgehen
5 Erstaunliche Eigenschaften der Metalle
Härte
Streng genommen sind nicht alle Metalle bei Standardtemperaturen und -drucken hart. Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig, und Gallium schmilzt an einem heißen Tag in der Handfläche. Einige Metalle, wie Natrium und Kalium, sind sehr weich und lassen sich mit einem Messer wie ein Kuchen schneiden.
Viele Metalle sind jedoch dafür bekannt, dass sie zäh und widerstandsfähig gegen mechanische Verformung sind. Diese Zähigkeit ist ein Grund, warum Metalle für industrielle und großtechnische Anwendungen so nützlich sind. Die Härte von Metallen lässt sich durch die Art und Weise erklären, wie ihre Atome im Verhältnis zueinander angeordnet sind. Die meisten Metalle haben sehr starke zwischenmolekulare Anziehungskräfte, die dazu führen, dass sich ihre Atome sehr eng aneinander anlagern. Da die Atome so eng beieinander liegen, ist der Abstand zwischen ihnen sehr gering, und sie können sich bei Einwirkung einer äußeren Kraft kaum bewegen. Das gleiche Prinzip erklärt die typisch hohe Zugfestigkeit von Metallen.
Die dicht gepackte physikalische Anordnung der Atome erklärt auch, warum Metalle in der Regel dicht und schwer sind. Die Dichte ist ein Maß für die Menge der Masse pro Volumeneinheit. Wenn die Atome sehr dicht beieinander liegen, ist die Masse pro Volumeneinheit sehr hoch, daher sind Metalle dicht
Verformbarkeit &Duktilität
Eine Schlüsseleigenschaft von Metallen, die sie so nützlich macht, ist, dass sie geformt und gegossen werden können, ohne zu brechen oder ihre Zähigkeit zu verlieren. Metalle sind sehr formbar, das heißt, sie können zusammengedrückt oder abgeflacht werden, ohne zu brechen oder zu zersplittern. Gold zum Beispiel ist ein sehr formbares Metall. Ein einzelner Goldklumpen von der Größe einer Streichholzschachtel kann zu einem Blatt von der Größe eines Tennisplatzes gepresst werden. Duktilität bezieht sich auf die Fähigkeit einer Substanz, geformt zu werden, ohne ihre Zähigkeit zu verlieren. Metalle sind duktil, weil sie zu neuen Strukturen geformt werden können, ohne an Festigkeit zu verlieren.
Die Formbarkeit und Duktilität von Metallen wird durch die delokalisierte Natur der metallischen Bindungen erklärt. Da die Elektronen delokalisiert sind, können Metallplatten aneinander gleiten, ohne chemische Bindungen zu brechen. Dies ist das genaue Gegenteil von dem, was zum Beispiel in einer spröden ionischen Verbindung passieren könnte. In einer Ionenverbindung sind die Atome in einer starren Struktur eingeschlossen, in der positive und negative Ionen zueinander ausgerichtet sind. Wenn eine Schicht durch eine Kraft verschoben wird, werden positive und negative Ionen nicht mehr ausgerichtet und stoßen sich gegenseitig ab. Die Abstoßung führt dazu, dass die Substanz bricht.
Thermische & Elektrische Leitfähigkeit
Metalle sind auch dafür bekannt, dass sie leitfähig sind, das heißt, dass sie Wärme und Strom gut speichern und übertragen können. Die Fähigkeit von Metallen, Wärme und Elektrizität zu speichern und zu übertragen, wird als thermische bzw. elektrische Leitfähigkeit bezeichnet.
Wärmeleitfähigkeit
Metalle sind dafür bekannt, dass sie gut wärmeleitend sind. Die Wärmeleitfähigkeit erklärt, warum man eine Metallpfanne auf dem Herd erhitzen und zum Kochen verwenden kann. Die Wärme vom Herd wird auf die Metallpfanne übertragen. Diese Wärme wird dann beim Kochen auf das Essen übertragen. Metalle sind gute Wärmeleiter, weil ihre dicht gepackte Atomstruktur die kinetische Energie sehr effizient absorbiert. Im Grunde genommen ist Wärme nur die Bewegung von Molekülen. Etwas zu erwärmen bedeutet, dass sich die Moleküle, aus denen es besteht, schneller bewegen. Da Metallatome sehr dicht gepackt sind, wird die Bewegung (Wärme) eines Atoms leicht auf seine Nachbarn übertragen.
Elektrische Leitfähigkeit
Metalle sind aufgrund ihrer frei beweglichen delokalisierten Elektronen gute Stromleiter. Wenn eine elektrische Spannung an ein Metall angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Bewegung der Elektronenladungen auslöst. Da die Elektronen delokalisiert sind, bewegen sie sich unter dem Einfluss eines Elektronenfeldes sehr leicht. Bei leitfähigen Metallen fließen die Elektronen immer vom Minuspol zum Pluspol.
Glanz
Metalle sind auch für ihr einzigartiges optisches Erscheinungsbild bekannt. Unter Licht haben Metalle ein charakteristisches, glänzendes Aussehen. Dieser ästhetisch ansprechende Glanz von Metallen wie Gold, Silber und Platin erklärt ihren Wert und ihre Verwendung für Schmuck und Verzierungen.
Der Glanz von Metallen lässt sich durch die Wechselwirkung von Licht und Elektronen erklären. In Metallen sind die Elektronen delokalisiert und können sich frei bewegen. Wenn Licht (jegliche EM-Strahlung) auf die Oberfläche trifft, absorbieren die Elektronen Photonen und gehen in einen angeregten Energiezustand über. Wenn das Elektron in seinen Grundzustand zurückfällt, gibt es etwas Energie in Form eines Photons ab. Da die Energiemenge im System konstant bleiben muss, hat das vom Elektron emittierte Photon die gleiche Frequenz wie das Photon, das ursprünglich vom Elektron absorbiert wurde. Das menschliche Auge nimmt diesen Vorgang als den glänzenden, reflektierenden Schimmer wahr, den man mit Metallen assoziiert.
Magnetismus
Eine weitere charakteristische Eigenschaft von Metallen ist ihre Fähigkeit, Magnetfelder zu erzeugen und von ihnen beeinflusst zu werden. Ein grundlegender Aspekt der Elektronen ist, dass sie einen magnetischen Dipol erzeugen, d. h. einen magnetischen Einflussbereich mit einem positiven und einem negativen Pol. Unter normalen Bedingungen sind die Elektronen in Metallen durcheinander, so dass ihre Dipole nicht miteinander ausgerichtet sind.
Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Elektronen jedoch so aus, dass alle ihre Dipole in dieselbe Richtung zeigen. Die kumulative Wirkung der Dipole führt zu einem makroskopischen Magnetfeld, das Objekte schieben und ziehen kann. Metalle lassen sich leicht magnetisieren, weil sie viele offene Elektronenorbitale haben. Da es in Metallen viele offene Orbitale gibt, können sich die Elektronen viel bewegen und ihre Ausrichtung ändern, so dass es einfacher ist, ihre Magnetfelder auszurichten.
Materialien, die unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes magnetisch werden, nennt man paramagnetisch. Probiere dieses Experiment zu Hause aus: Nimm einen Schraubenzieher, einige Nadeln und einen Küchenmagneten. Wenn du die Nadeln an der Spitze des Schraubenziehers berührst, bewirkt dies nichts, da keine Anziehung besteht. Halten Sie dann die Nadeln ein oder zwei Minuten lang an den Küchenmagneten. Wenn du die Nadeln abnimmst, solltest du feststellen, dass sie nun von der Spitze des Schraubenziehers angezogen werden. Das liegt daran, dass das Magnetfeld des Küchenmagneten die Elektronen in der Nadel neu ausrichtet, so dass ihre magnetischen Pole alle aufeinander ausgerichtet sind.
Die meisten paramagnetischen Materialien bleiben nicht unbegrenzt magnetisiert. Zufällige thermische Fluktuationen im Material führen schließlich dazu, dass sich die Dipole wieder ausrichten. Einige Materialien behalten ihre magnetischen Eigenschaften bei, nachdem das Magnetfeld entfernt wurde. Diese Materialien werden als ferromagnetisch bezeichnet. Nickel und Eisen sind zwei Arten von ferromagnetischen Metallen.