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Theorie: Chemische Bindungen - Metallbindungen

Chemische Bindungen: Metallische Bindung

Dieser Bindungstyp, kommt nur im Festkörper, nicht aber bei einem einzelnen Molekül vor. Die grundlegende elektrische Eigenschaft eines Metalls ist seine hohe elektrische Leitfähigkeit, von der wir wissen, dass sie ausschließlich durch Elektronen verursacht wird.

Im Gegensatz zu anderen Kristallen, z.B. Silizium, müssen demnach in einem Metallkristall viele freie Elektronen vorhanden sein, die unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern und so den elektrischen Strom bilden. Die Elektronen müssen bereits bei tiefer Temperatur "frei", d.h. beweglich sein, denn Metalle leiten bei tiefer Temperatur den Strom besonders gut.
Es müssen also völlig andere Verhältnisse vorliegen als bei Kristallen, die durch Ionenbindung oder kovalente Bindung zusammengehalten werden, denn bei diesen werden Ladungsträger, und zwar in relativ geringer Anzahl, erst durch die Wärmebewegung frei.

Baut man z.B. Atome eines Alkalimetalls zu einem Kristall zusammen, so überlappen die Ladungsverteilungen, die durch die Valenzelektronen mit ihren großen Bahnradien verursacht werden, in starkem Ausmaß. Man kann dann nicht mehr davon sprechen, dass ein herausgegriffenes Valenzelektron noch zu "seinem" Atom gehört; viel mehr kann es sich überall im Kristall aufhalten, es ist nicht mehr lokalisiert. Durch das Zusammenwirken sämtlicher Atome des Kristalls (nämlich durch die Überlappung ihrer Elektronenverteilungen) wird bewirkt, dass sämtliche Valenzelektronen dem Kristall insgesamt angehören. Sie bilden eine (mehr oder weniger) homogene Verteilung negativer Ladung, den "Elektronensee" (oder das Elektronengas), in den die verbleibenden positiv geladenen Atomrümpfe, die ortsfest auf ihren Gitterplätzen sitzen, eingebettet sind.
Auch bei den weniger einfachen Metallen, z.B. bei den elektrotechnisch wichtigen Leiterwerkstoffen Cu und Al, gilt im Prinzip das gleiche:
Jedes Atom gibt (ein bis zwei) Elektronen an den Elektronensee ab.


Wiederum müssen wir die Frage stellen, welche Kräfte einen Metallkristall zusammenhalten. Die elektrostatische Anziehung zwischen den positiv geladenen Metallionen und dem Elektronensee spielt eine mehr oder weniger wichtige Rolle. Die zweite Ursache - sie wurde bereits bei der Ionenbindung angesprochen - liegt in der Delokalisierung der Elektronen: wenn die Metallelektronen zu ihrer räumlichen "Ausdehnung" im Kristall mehr Platz haben als beim einzelnen Atom, so nimmt ihre kinetische Energie ab. So ergibt sich insgesamt ein Energiegewinn, wenn wir einen Metallkristall aus freien Atomen zusammenbauen.

Die Bindungsenergie eines Atoms im Metall ist i.allg. schwächer als diejenige von Ionen- oder kovalenten Kristallen, liegt jedoch in der gleichen Größenordnung. Um ein neutrales Cu-Atom aus einem Cu-Kristall herauszulösen, werden 3,5 eV benötigt.

Da bei der metallischen Bindung keine Bindungsrichtung ausgezeichnet ist, gibt es wie bei den Ionenkristallen keine hierdurch verursachte Behinderung beim Kristallaufbau. Metallkristalle zeigen daher häufig eine sehr dichte Packung.

Zusammenfassung:
  • Die metallische Bindung tritt nur im Festkörper auf.
  • Sie wird durch das Zusammenwirken der positiv geladenen Atomrümpfe mit dem "See" der freien Elektronen (Elektronengas) des Kristalls verursacht.
  • Metallkristalle sind meistens dicht gepackt.
  • Sie haben auch bei tiefen Temperaturen eine hohe elektrische Leitfähigkeit,
  • und auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
Abschließend noch ein Hinweis: Auch die freien Elektronen sind nicht frei, denn bei ihrer Bewegung im Kristall stoßen sie gelegentlich auf die Atomrümpfe und auf andere Elektronen. Das hat Folgen für die Leitfähigkeit und die Eigenerwärmung der metallischen Leiter.