Metallbindungen

Gold lässt sich zu Blattgold schlagen, so dünn, dass Licht hindurchscheint. Metallbindungen verbiegen sich, statt zu brechen.

Ein Kupferdraht bringt Strom in dein Haus, eine Aluminiumpfanne verteilt die Wärme über ihren Boden, und eine Büroklammer aus Stahl verbiegt sich, ohne zu brechen. Diese Alltagsbeobachtungen kommen daher, wie sich Metallatome miteinander verbinden. Es ist weder die Übertragung der Ionenbindung noch das paarweise Teilen der Atombindung, sondern eine dritte Anordnung, bei der die Außenelektronen dem ganzen Metallstück gleichzeitig gehören.

Ein Elektronensee

Metallatome haben nur wenige, locker gebundene Außenelektronen und eine niedrige Elektronegativität. Wenn sich viele Metallatome dicht zusammenlagern, sind diese Außenelektronen an kein einzelnes Atom mehr gebunden. Sie bewegen sich zwischen allen Atomen, und übrig bleibt eine regelmäßige Anordnung positiver Metallionen in einer gemeinsamen Wolke negativer Elektronen. Die Anziehung zwischen den Ionen und der Elektronenwolke ist die Metallbindung. Chemiker nennen die Wolke oft Elektronengas oder Elektronensee und die Elektronen delokalisiert, also nicht an einem Ort festgelegt.

Was der Elektronensee erklärt

Als Erstes die Leitfähigkeit. Schließt du eine Batterie an einen Kupferdraht an, wandern die freien Elektronen zum Pluspol, und das ist ein elektrischer Strom. Dieselben beweglichen Elektronen tragen Wärme schnell von einer heißen Stelle des Metalls zu einer kalten. Dann der Glanz: Die freien Elektronen nehmen an der Oberfläche Licht auf und geben es wieder ab, das verleiht Metallen ihren spiegelnden Glanz.

Am nützlichsten ist die Verformbarkeit. In einem Ionenkristall bringt das Verschieben einer Schicht gleiche Ladungen einander gegenüber, und der Kristall zerspringt. In einem Metall fließt der Elektronensee einfach um die Ionenschichten herum, wenn sie aneinander vorbeigleiten, und hält alles weiter zusammen. Deshalb kann man Metalle zu Blechen hämmern (verformbar) und zu Drähten ziehen (duktil). Gold ist der Extremfall und lässt sich zu Blattgold schlagen, so dünn, dass Licht hindurchscheint.

Stark, aber nicht gleich stark

Die Stärke der Metallbindung ist sehr unterschiedlich, und die Schmelztemperaturen zeigen das. Wolfram mit vielen Elektronen im See schmilzt bei 3695 K, etwa 3422 °C, deshalb nutzte man es für die Glühfäden von Glühbirnen. Quecksilber schmilzt bei etwa −39 °C und ist auf einer Fensterbank flüssig. Gallium schmilzt bei etwa 29.8 °C, ein Stück kann also in deiner Hand schmelzen. Natrium und Kalium, Metalle der Gruppe 1 mit nur je einem Außenelektron, sind so weich, dass man sie mit einem Messer schneiden kann, und schmelzen unter 100 °C (Natrium bei etwa 98 °C, Kalium bei etwa 63 °C).

Weil es dem Elektronensee egal ist, welche Ionen er genau umgibt, lassen sich Metalle leicht zu Legierungen mischen. Stahl ist Eisen mit etwas Kohlenstoff. Bronze ist Kupfer mit Zinn, Messing ist Kupfer mit Zink. Die unterschiedlich großen Atome erschweren das Gleiten der Schichten, deshalb sind Legierungen meist härter und fester als die reinen Metalle, aus denen sie bestehen.

Die Metallbindung erklärt auch, wo die Metalle im Periodensystem stehen. Atome mit wenigen Außenelektronen und niedriger Elektronegativität, links und in der Mitte, geben diese Elektronen an einen gemeinsamen See ab, wenn sie sich zusammenlagern. Nichtmetalle auf der rechten Seite halten ihre Elektronen dafür zu fest, deshalb verbinden sie sich stattdessen durch paarweises Teilen. Die Halbmetalle entlang der Treppenlinie liegen dazwischen: Silicium hält seine Elektronen so fest, dass es ein schlechter Leiter ist, aber so locker, dass Wärme, Licht oder eine kleine Zugabe von Fremdatomen einige davon freisetzen. So funktioniert ein Halbleiter.