Chemie Grundlagen

Metallbindung

In diesem Beitrag erklären wir dir alles Wichtige zur Metallbindung, eine der drei stärksten chemischen Bindungsarten neben der Ionenbindung und der kovalenten Bindung. 

In unserem Video erklären wir dir ganz einfach die Metallbindung und ihre Eigenschaften.%Videoverweis

Inhaltsübersicht

Metallbindung einfach erklärt

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

Definition

Die Metallbindung ist eine chemische Bindungsart basierend auf elektrostatischer Anziehung zwischen Metall-Kationen und ihren frei beweglichen Elektronen, dem Elektronengas.

Metallbindung Entstehung

Allgemein entsteht die Metallbindung durch Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ geladenen Elektronen von Metallen. Allerdings gibt es für die Entstehung der Metallbindung 2 Modelle: das Elektronengasmodell und das Bändermodell

Elektronengasmodell

Metalle besitzen relativ geringe Elektronegativitäten sowie Ionisierungsenergien . In der Metallbindung neigen Metalle deshalb dazu, ihre Valenzelektronen, also die Elektronen%Videoverweis zu Elektronen einbauen, sobald dieses online ist auf der äußersten Schale , abzugeben. Damit erreichen Metalle die stabile Edelgaskonfiguration . Durch die Elektronenabgabe liegen die Metalle als positiv geladene Ionen , Kationen%Videoverweis zu Kation einbauen, sobald dieses online ist, vor. Die Metall-Kationen werden auch als Atomrümpfe bezeichnet. Ihre Elektronen bilden zusammen das sogenannte Elektronengas und sind frei beweglich. Die positiv geladenen Metalle teilen sich das negativ geladene Elektronengas und somit entsteht durch die resultierenden Anziehungskräfte die metallische Bindung. Die Elektronen sind delokalisiert, also nicht nur einem bestimmten Atom zugeordnet. Deshalb wird dieser Bindungstyp auch ungerichtete Bindung genannt.
%Bild vom Elektronengasmodell

Bändermodell

Das Bändermodell beruht auf dem Orbitalmodell . Beim Zusammenfügen von Metall-Atomen entstehen nicht-entartete Energieniveaus, also Energieniveaus mit einer gewissen Energiedifferenz. Je mehr Atome dazukommen, desto dichter liegen die Energieniveaus der Molekülorbitale übereinander. Viele übereinander liegende Energieniveaus bilden ein Band (auch Energieband genannt), da sie kaum auseinander gehalten werden können. Das oberste Band, welches noch mit Elektronen besetzt ist, ist das Valenzband. Die Elektronen sind frei beweglich, da sie freie Molekülorbitale besetzen können und bilden somit die Grundlage für die Eigenschaften der Metallbindung.%Bild von der Bänderentstehung mit den Energieniveaus

Metallgitter

Die Metall-Kationen und das Elektronengas ziehen sich bei der Metallbindung an. Durch diese Anziehungskraft ergibt sich eine regelmäßige räumliche Anordnung. Es entsteht ein Metallgitter.

Du fragst dich, was der Unterschied zum Ionengitter ist? Das Ionengitter besteht aus Anionen und Kationen, während das Metallgitter aus Kationen und dem Elektronengas besteht. Das hat zur Folge, dass beim Verschieben des Ionengitters die Kationen direkt neben anderen Kationen liegen und die Anionen direkt neben anderen Anionen liegen. Die gleichartigen Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und das Gitter wird gebrochen. Beim Metallgitter bleiben bei einer Verschiebung die frei beweglichen Elektronen stets zwischen den Kationen, sodass diese sich nicht abstoßen und das Metallgitter weiter stabil bleibt. %Bild vom Metallgitter und Ionengitter, wenn möglich mit Verschiebung des Gitters

Metallbindung Beispiele

Um dir die Metallbindung anhand ein paar Beispiele genauer anzuschauen, kannst du einen Blick auf die linke Seite im Periodensystem werfen. Wie du siehst befindet sich Lithium in der 1. Hauptgruppe und besitzt somit lediglich ein Valenzelektron. Beryllium hingegen ist in der 2. Hauptgruppe und kann somit 2 Valenzelektronen abgeben. Was bedeutet das jetzt für die Metallbindung? Beryllium hat doppelt so viele Elektronen im Elektronengas als Lithium. %Bild vom Periodensystem mit markierten Metallen und ein Bild von der Metallbindung mit Lithium und Beryllium

Metallbindung Eigenschaften

Die Metallbindung ist dafür bekannt, dass sie duktil und elektrische leitfähig ist. Was genau bedeutet das? 

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 und Silber, aus denen sich ja bekanntlich gut Schmuck herstellen lässt. Bei einem Ionengitter wäre das nicht möglich. Das Gitter würde durch die Abstoßungskräfte zerspringen, wie du es von Keramik kennst.

Die elektrische Leitfähigkei t kannst du sowohl bei festen als auch flüssigen Metallbindungen beobachten. Sie lässt sich am besten so wie die Wärmeleitfähigkeit mit dem Bändermodell erklären. Durch die Bänder können die Elektronen sich frei bewegen und beim Anlegen einer Spannung kann Strom fließen. Bei der Wärmezufuhr fangen die Elektronen an zu schwingen und stoßen aneinander. Dabei geben sie die Wärme als Bewegungsenergie weiter. %Bild von einem Beispiel für das Bändermodell mit frei beweglichen Elektronen und Strom

Die Stärke der Metallbindung hängt von der Anzahl an Valenzelektronen ab. Alkalimetalle besitzen nur 1 Valenzelektron. Sie sind verhältnismäßig weiche und haben niedrige Schmelzpunkte sowie eine geringe Dichte. Die Metalle aus den Nebengruppen 5 und 6 sind besonders hart und besitzen hohe Schmelzpunkte.

Bindungsarten in der Chemie

Die Metallbindung gehört wie die Atombindung und die Ionenbindung zu den starken Bindungsarten in der Chemie. Zu den schwachen Wechselwirkungen gehören die Wasserstoff-Brückenbindungen und die Van-der-Waals-Kräfte. %Zu jedem ein Beispielbild/Thumbnails wie im Artikel "Chemische Bindungsarten"

Bei der Atombindung %Videoverweis einbauen, sobald onlineoder kovalenten Bindung teilen sich nur 2 Atome Elektronen. Meistens stellt jedes Atom ein Elektron zur Verfügung, weshalb dieser Bindungstyp auch Elektronenpaarbindung genannt wird. Dieses wird dann von beiden Bindungspartnern genutzt um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Die Ionenbindung %Videoverweis einbauen, sobald onlinekommt wie die Metallbindung durch Anziehungskräfte zustande. Ein Metall kann seine Valenzelektronen auf ein Nichtmetall übertragen bei einer Elektronegativitätsdifferenz > 1,7. Es entstehen ein Kation und ein Anion, welche durch elektrostatische Anziehungskräfte eine Bindung eingehen, während bei der Metallbindung die Anziehungskräfte zwischen Metall-Kationen und negativ geladenen Elektronen verantwortlich sind.

Wasserstoff-Brückenbindungen sind intermolekulare Wechselwirkungen, die durch partiell, also teilweise, positiv geladene Wasserstoffatome entstehen. Elektronegativere Atome wechselwirken mit benachbarten Wasserstoffatomen.

Van-der-Waals-Kräfte sind vergleichsweise schwach. Durch unsymmetrische Ladungsverteilungen in unpolaren Molekülen kommt es zu intermolekularen Anziehungskräften zwischen den Dipolen. 

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