Chemische Grundlagen
Chemische Bindungen
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Die Metallbindung oder metallische Bindung ist eine chemische Bindungsart. Was eine Metallbindung genau ist, wie sie entsteht und wo sie vorkommt, erklären wir dir hier im Beitrag und im Video mit Beispielen.

Was ist eine Metallbindung?

Eine Metallbindung (auch metallische Bindung oder ungerichtete Bindung) ist eine Bindung von Metallen, die ihre Valenzelektronen zur Verfügung stellen und somit ein Elektronengas bilden. Das Elektronengas kann von allen beteiligten Metallatomen genutzt werden, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. 

Die Elektronen im Elektronengas sind frei beweglich. Das führt auch zu den typischen metallischen Eigenschaften: Elektrische Leitfähigkeit, Verformbarkeit und metallischer Glanz.

Du findest eine metallische Bindung bei Metallen  wie beispielsweise Lithium (Li) oder Natrium (Na). Auch in Legierungen  wie Bronze, also einem Gemisch aus mindestens einem Metall, kommt so eine Metallbindung vor. 

Definition

Die Metallbindung oder metallische Bindung ist eine chemische Bindungsart, die bei Metallen und in Legierungen vorkommt. Sie kommt durch die elektrostatische Anziehung zwischen Metall-Kationen und ihren frei beweglichen Elektronen, dem Elektronengas, zustande.

Wie entsteht eine Metallbindung?

Allgemein entsteht die Metallbindung durch Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Metall-Kationen (Atomrümpfe) und den negativ geladenen Elektronen der Metalle. Die Elektronen umschließen die positiven Ionen und sorgen für den Zusammenhalt im Metall. Du kannst dir die Metall-Ionen wie Murmeln vorstellen, die in einer Schachtel, den Elektronen, zusammengepackt vorliegen. 

Für die Entstehung der Metallbindung gibt es zwei Modelle:

  • das Elektronengasmodell
  • das Bändermodell

Elektronengasmodell

Das Elektronengasmodell ist ein ‚einfaches‘ Modell, um die Metallbindung zu beschreiben. Du kannst es dir folgendermaßen vorstellen: 

  • Die äußeren Elektronen (Valenzelektronen ) der Metallatome sind nur sehr schwach gebunden. Daher neigen Metalle dazu, diese abzugeben, um eine stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. 
  • Durch die Elektronenabgabe liegen die Metalle als positiv geladene Ionen (Kationen ) vor. Die Metall-Kationen bezeichnest du auch als Atomrümpfe
  • Die Atomrümpfe sind regelmäßig angeordnet, in einem sogenannten Metallgitter
  • Die von den Metall-Ionen abgegebenen Elektronen sind frei beweglich. Sie können also von einem Ende zum anderen Ende des Metalls ‚wandern‘. Ihre Bewegung ist außerdem ungeordnet (delokalisiert), sie bewegen sich also in keine bestimmte Richtung. Deshalb sprichst du auch von einer ungerichteten Bindung.
  • Die freien Elektronen verhalten sich ähnlich wie in einem Gas. Daher bezeichnest du sie auch als Elektronengas.%Beim folgenden Bild bitte die Schriftgröße, Überschriftgröße und den Hintergrund auf die aktuellen Anforderungen anpassen und auf die Lesbarkeit achten
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Elektronengasmodell

Durch die Anziehungskräfte zwischen den positiven Metall-Kationen und dem negativ geladenem Elektronengas kommt es zum Zusammenhalt der Metalle. Du spricht hier also von der metallischen Bindung.

Bändermodell

Ein weiterführendes Modell zur Beschreibung der Metallbindung ist das Bändermodell. Es beruht auf dem Orbitalmodell . Mit ihm kannst du metallische Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit noch genauer erklären als beim Elektronengasmodell. 

Das Bändermodell sieht folgendermaßen aus: 

  • Die Orbitale zweier Metall-Atome, beispielsweise von Lithium, besitzen die gleiche Energie. Sie sind also entartet.
  • Beim Zusammenfügen von zwei Metall-Atomen kommt es zu einer Aufspaltung der Energieniveaus. Sogenannte Molekülorbitale entstehen. Sie besitzen nicht die gleichen Energien, sind also nicht mehr entartet.  
  • Je mehr Atome hinzukommen, desto dichter liegen die Energieniveaus der Molekülorbitale übereinander.
  • Viele übereinanderliegende Energieniveaus bilden ein Band, da sie kaum auseinander gehalten werden können. Du nennst es Energieband.
  • Das oberste Band, das noch mit den Valenzelektronen besetzt ist, nennst du Valenzband. Das Band darüber bezeichnest du als Leitungsband. %Beim folgenden Bild bitte die Schriftgröße, Überschriftgröße und den Hintergrund auf die aktuellen Anforderungen anpassen und auf die Lesbarkeit achten. Auch die Elektronen (blaue kreise) beachten und vergrößern
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Bänderentstehung mit Energieniveaus

Die Elektronen sind frei beweglich, da sie freie Molekülorbitale besetzen können. Damit bilden sie die Grundlage für die Eigenschaften der Metallbindung, wie etwa die elektrische Leitfähigkeit

Metallgitter

Die Metall-Ionen, also die Atomrümpfe, sind regelmäßig angeordnet. Dabei entsteht das sogenannte Metallgitter. Die abgegebenen Elektronen befinden sich in den Zwischenräumen des Gitters. 

Hier gibt es einige Unterschiede zum Ionengitter.%Beim folgenden Bild bitte die Schriftgröße, Überschriftgröße und den Hintergrund auf die aktuellen Anforderungen anpassen und auf die Lesbarkeit achten

Kategorien Metallgitter  Ionengitter

Aufbau

Das Metallgitter ist aus Metall-Kationen und dem Elektronengas aufgebaut.

Das Ionengitter besteht aus negativ geladenen Anionen und positiv geladenen Kationen.

Verschiebung

Beim Metallgitter bleiben bei einer Verschiebung die frei beweglichen Elektronen stets zwischen den Kationen

Beim Verschieben des Ionengitters liegen die Kationen direkt neben anderen Kationen und die Anionen liegen direkt neben anderen Anionen.

Folgen der Verschiebung

Hier kommt es zu keiner Abstoßung und das Metallgitter bleibt weiter stabil. 

Die gleichartigen Ladungen stoßen sich deshalb gegenseitig ab und das Gitter wird gebrochen.

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Metallgitter und Ionengitter

Metallbindung Beispiele

Schauen wir uns die Metallbildung an zwei Beispielen an. Hierfür wirfst du am besten einen Blick auf die linke Seite im Periodensystem .

Lithium (Li): 

  • Das Alkalimetall  Lithium befindet sich in der 1. Hauptgruppe.
  • Es besitzt ein Valenzelektron auf seiner äußersten Schale, das es abgeben kann. 
  • Im Metall wird Lithium pro positives Li+-Ion  durch ein Elektron zusammengehalten.

Beryllium (Be): 

  • Das Erdalkalimetall  Beryllium ist in der 2. Hauptgruppe. 
  • Es kann zwei Valenzelektronen abgeben.
  • Beryllium hat doppelt so viele Elektronen im Elektronengas wie Lithium. Dadurch werden die positiven Be2+-Ionen stärker zusammengehalten. 
  • Beryllium ist deshalb ein härteres Metall als Lithium. 

%Das Bild finde ich nicht ganz optimal/passend zum Inhalt hier / da wäre es super, wenn man auch Beryllium (ein elektron mehr auf der äußeren Schale, also 2) mit aufnehmen könnte, PSE weg /super wäre hier auch wie im Bild hier, noch das Elektronengasmodell zu zeigen, denke dann wird das auch deutlicher/Schriftgröße sowie Hintergrund aktualiseren  <img src="https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/chemie/gym/bp2016/fb6/2_kl9/3_metalle/01_metallbindung_einfuehrung_ab.005.png" /> Überschrift: Metallbindung Lithium und Beryllium; alt Text: Metallbindung, Metallische Bindung, Metallgitter, metallbindung beispiel, metallgitter chemie, metallbindungen definition, metallatome, metallbindung erklärung, metallische Bindung beispiel, beispiel metallbindung, Lithium, Beryllium, wie entsteht eine Metallbindung

Metallbindung, Lithium, Periodensystem
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Metallbindung Lithium

Metallbindung Eigenschaften

Metalle haben besondere Eigenschaften. Sie kommen durch die metallische Bindung zustande. Wichtige Eigenschaften der Metallbindung sind

  • Verformbarkeit (Duktilität)
  • elektrische Leitfähigkeit
  • hoher Schmelzpunkt

Verformbarkeit (Duktilität)

In einem Metallgitter lassen sich die Metallatome gegeneinander verschieben, ohne dass die Bindungen sich lösen. Das macht die Metalle beim Erhitzen verformbar und schmiedbar, also duktil.

Typische Beispiele hierfür sind Gold (Au) und Silber (Ag). Aus ihnen kannst du gut Schmuck herstellen. Bei einem Ionengitter wäre das nicht möglich. Das Gitter würde durch die Abstoßungskräfte zerspringen, wie du es von Keramik kennst.

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkei t kannst du sowohl bei festen als auch flüssigen Metallbindungen beobachten. Sie lässt sich am besten mit dem Bändermodell erklären. Durch die Bänder können die Elektronen sich frei bewegen. Beim Anlegen einer Spannung kann dann Strom fließen. Bei der Wärmezufuhr fangen die Elektronen an zu schwingen und stoßen aneinander. Dabei geben sie die Wärme als Bewegungsenergie weiter. 

Die Elektronen können in eine Richtung wandern, was dem elektrischen Strom entspricht. 

Hoher Schmelzpunkt

Metalle haben in der Regel hohe Schmelzpunkte. Es herrscht nämlich eine relativ starke Bindung zwischen den Elektronen und den positiv geladenen Metall-Ionen. Deshalb benötigst du häufig höhere Temperaturen, um Metalle zu schmelzen.

Die Stärke der Metallbindung hängt von der Anzahl an Valenzelektronen ab. Alkalimetalle besitzen nur ein Valenzelektron. Sie sind verhältnismäßig weich und haben etwas niedrigere Schmelzpunkte sowie eine geringe Dichte. Metalle aus den Nebengruppen 5 und 6 wie Molybdän oder Wolfram sind besonders hart und besitzen hohe Schmelzpunkte, da sie mehr Außenelektronen haben.

Noch mehr zu Metallen, ihren Eigenschaften und ihrem Vorkommen, bekommst du in unserem extra Video . Schau unbedingt vorbei! 

Metallische Bindung Vorkommen

Die metallische Bindung kommt bei den metallischen Elementen wie Eisen (Fe) oder Kupfer (Cu) vor, sowie in Mischungen von Metallen, den Legierungen

Aber auch bestimmte Salze können metallische Eigenschaften wie den typischen metallischen Glanz oder die elektrische Leitfähigkeit haben. Dabei handelt es sich um eine Übergangsform zur Ionenbindung.

Mittlerweile haben es Forscher sogar geschafft, Kunststoffe mit metallischen Eigenschaften herzustellen. Kunststoffe sind große Moleküle, die über kovalente Bindungen zusammengehalten werden. 

Bindungsarten in der Chemie

Die Metallbindung gehört neben der kovalenten Bindung und der Ionenbindung zu den starken Bindungsarten in der Chemie. 

Kovalente Bindung

Bei der kovalenten Bindung oder Atombindung teilen sich die Bindungspartner ihre Elektronen. Sie bilden dabei mindestens ein Elektronenpaar aus. Das wird von beiden Atomen ‚genutzt‘, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die Atombindung ermöglicht so den Zusammenhalt zwischen den Bindungspartnern. 

Ionenbindung

Die Ionenbindung entsteht in der Regel zwischen einem Metall und einem Nichtmetall bei einer Elektronegativitätsdifferenz über 1,7.  Dabei überträgt ein Metall seine Valenzelektronen auf ein Nichtmetall. Dadurch entstehen elektrisch geladene Teilchen, die Ionen .

Zwischen den positiv und negativ geladenen Ionen herrschen elektrostatische Anziehungskräfte. Bei der metallischen Bindung erfolgt der Zusammenhalt hingegen durch Anziehungskräfte zwischen Metall-Kationen und negativ geladenen Elektronen.

Zwischenmolekularen Wechselwirkungen

Außerdem gibt es Kräfte zwischen Molekülen, die sogenannten zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Sie sind schwächer als die ‚klassischen‘ Bindungsarten. Hierzu zählst du zum Beispiel Folgende: 

  • Wasserstoffbrückenbindungen sind Wechselwirkungen zwischen partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen und partiell negativ geladenen Atomen aus anderen Molekülen.
  • Van-der-Waals-Kräfte sind Anziehungskräfte zwischen Dipolen, die durch unsymmetrische Ladungsverteilungen in unpolaren Molekülen entstehen.

Mehr zu den zwischenmolekularen Kräften, erfährst du in unserem extra Video dazu. Schau vorbei!%Thumbnail zwischenmolekulare Kräfte

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