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Metallbindung

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Die Autor*innen
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André Otto
Metallbindung
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse

Beschreibung zum Video Metallbindung

Metalle haben besondere Eigenschaften, so können sie Wärme und Elektronen leiten. Doch wie ist das möglich? Der Schlüssel liegt in der Metallbindung. In diesem Video wird dir die Metallbindung einfach erklärt. Du lernst, wie du anhand des Elektronengasmodells die Eigenschaften der Metalle ableiten kannst. Die Übungsaufgaben und Arbeitsblätter helfen dir, dein neues Wissen zu festigen.

Grundlagen zum Thema Metallbindung

Metallbindung – Chemie

Überall gibt es Metalle, in jeder Werkstatt und hoffentlich in den meisten Portemonnaies. Einige Metalle sind auffällig glänzende Stoffe wie das flüssige Quecksilber, aus anderen kann ein Schmied nützliche Gegenstände formen wie beim Hufeisen. Ihre besonderen Eigenschaften verdanken sie der Metallbindung. Eine Definition der Metallbindung ist dadurch gegeben, dass die Metallbindung nicht auf eine Bindung zwischen zwei Atomen beschränkt ist, auch nicht auf drei oder vier Atome. Bei einer Metallbindung sind ganz viele Metallatome miteinander verbunden! Bevor wir näher auf die metallische Bindung eingehen, betrachten wir die Eigenschaften der Metalle und dann den Aufbau der Metallatome.

Eigenschaften der Metalle

Die Metallbindung beeinflusst die Stoffeigenschaften. Vier gemeinsame Eigenschaften charakterisieren insbesondere die Metalle:

  • Metalle zeigen einen typischen Glanz.
    Beispiel: Sammelmünzen werden poliert, damit der metallische Glanz sie schön scheinen lässt.

  • Metalle sind verformbar.
    Beispiel: Blumendraht oder einen Löffel kann man leicht verbiegen, schwere Metallstücke kann man schmieden.

  • Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit.
    Beispiel: Wenn man eine heiße Tasse Tee aufsetzt und einen Silberlöffel in die Tasse hält, merkt man schnell, wie die Wärme des heißen Tees auf den Silberlöffel übergeht.

  • Metalle haben eine gute elektrische Leitfähigkeit.
    Beispiel: Die meisten elektrischen Kabel bestehen aus Kupfer. Für die Leitung elektrischen Stroms werden auch Metalle wie Aluminium, Silber und Gold verwendet.

Aufbau der Metallatome

Grundsätzlich sind Metallatome genauso aufgebaut wie alle anderen Atome. Wie ihr sicher wisst, besitzen alle Atome Elektronen, die auf Schalen verteilt sind. Die Elektronen auf der äußersten Schale sind die Außenelektronen bzw. Valenzelektronen. Sie sind für die chemische Bindung verantwortlich und können leicht abgegeben werden. Atome sind eigentlich ungeladen oder elektrisch neutral. Gibt nun ein Silberatom ein Außenelektron ab, dann liegen das Silberion und das Elektron getrennt vor. Das Silberion ist einfach positiv geladen. Das Elektron ist einfach negativ geladen. In Formelschreibweise sieht das so aus:

$Ag \longrightarrow Ag^+ ~+~ e^-$

Das Modell der Metallbindung

Wenn wir zu vielen Metallatomen übergehen, dann verstehen wir das Wesen der Metallbindung.
Im festen Metall bilden ganz viele positive Metallionen, man nennt sie auch Atomrümpfe, ein Metallgitter aus eng benachbarten Atomrümpfen. Jeder Atomrumpf hat auch seine Außenelektronen in das Metallgitter eingebracht. Aber im Unterschied zu anderen Bindungen können die Außenelektronen im Metallgitter ständig ihren Platz wechseln. Das tun sie so schnell, dass man nicht mehr weiß, zu welchem ursprünglichen Atomrumpf ein bestimmtes Elektron gehört. Die Außenelektronen sind im Metall nicht mehr lokal an einen Ort gebunden, sondern sie sind über das gesamte Metallgitter delokalisiert, fast wie Gasteilchen in der Luft. Man spricht deswegen auch vom Elektronengas. Bei der Metallbindung herrschen zwischen den delokalisierten, negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen elektrostatische Anziehungskräfte.

Schema einer Metallbindung und Elektronengas

Erklärung der Eigenschaften von Metallen mit der Metallbindung

  • Metalle besitzen einen typischen Glanz, weil die delokalisierten Elektronen an den Außenflächen wie ein Spiegel wirken und das Licht reflektieren.
  • Metalle, wie beispielsweise ein Löffel, sind verformbar, man kann sie biegen. Das Riesenmolekül, der Löffel, ist in das Elektronengas eingehüllt. Das schützt den Löffel vor dem Bruch.
  • Es leuchtet ein, dass die frei beweglichen Elektronen die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle ermöglichen, denn beim elektrischen Strom fließen frei bewegliche Ladungsträger wie die Elektronen.
  • Die gute Wärmeleitung der Metalle ist etwas schwerer zu erklären: Wärme hängt mit der Bewegung der Teilchen zusammen. Durch die freien Elektronen führen Metalle Gitterschwingungen im Wärmebereich aus. Die dichte Packung der Atomrümpfe im Metallgitter kann solche Bewegungen als Wärme gut weiterleiten.

Hinweise zum Video

Das Video erklärt dir die Metallbindung für den Chemieunterricht. Es beantwortet die Fragen „Was ist eine Metallbindung?“ und „Wie entsteht eine Metallbindung?“. Zum besseren Verständnis solltest du bereits wissen, was Atome und Elektronen sind.

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über die Metallbindung zu testen.

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Metallbindung

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Metallbindung. Das Video ist vorgesehen für die Klassenstufen 7 und 8, allgemeiner: für die Mittelstufe. Ich sage das ausführlich, damit sich die Damen und Herren Studenten nicht beschweren. Der Film gehört zur Reihe "Bindungen". An Vorkenntnissen solltest du wissen, was Atome, Ionen und Elektronen sind. Schön wäre es, aber nicht unbedingt notwendig, wenn du weißt, was kovalente Bindung und Ionenbindung sind. Mein Ziel ist es, dir die Metalleigenschaften durch das Bindungsmodell der Metallbindungen zu erklären. Das Video besteht aus 5 Abschnitten:

  1. Überall Metalle
  2. Metalleigenschaften
  3. Das Modell der Metallbindung
  4. Wir erklären die Metalleigenschaften
  5. Zusammenfassung.

  6. Überall Metalle: Ein Leben ohne Metalle ist einfach undenkbar. Wir benötigen sie und wir verwenden sie - tagein, tagaus. Sei es nun in der Technik oder in der Forschung oder vielleicht im Lebensalltag. Überall haben wir es mit Metallen zu tun. Und wir wollen uns heute die Frage stellen: Was haben alle Metalle gemeinsam? Und das sind eben:

  7. Die Metalleigenschaften: Ich glaube, ich mache erst mal ein Päuschen - immer diese Videodreherei. Ich werde mir mal einen Tee machen. Schön heiß muss er sein und soll dann auch abkühlen, damit man ihn trinken kann. Ich stecke mal den Silberlöffel hinein, das wird wohl helfen. Oh, mal probieren. Der Effekt ist sehr schnell spürbar. Der Löffel wird wirklich heiß und leitet die Wärme ab. Silber leitet die Wärme aller Metalle nun einmal am besten, aber die anderen tun das auch nicht schlecht. Metalle sind somit gute Wärmeleiter. Wir nutzen das beim Kochen aus. Außerdem sind sie gute elektrische Leiter. Man kann Metalle gut verformen, man kann sie schmieden und man kann sie gut biegen. Typisch für Metalle ist ihr Glanz.

  8. Das Modell der Metallbindung: Wie ihr sicher wisst, besitzen alle Atome Elektronen. Sie haben innere Elektronen, Elektronen, die weiter vom Kern entfernt sind, und sie haben Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind - das sind die Außenelektronen. Außenelektronen sind für die chemische Bindung verantwortlich. Außenelektronen können leicht abgegeben werden. So entstehen aus einem Silberatom ein Silberion und ein Elektron. Ein Silberatom trägt keine Ladung. Ein Silberion ist einfach positiv geladen. Ein Elektron ist einfach negativ geladen. In Formelschreibweise: Ag reagiert zu Ag+ und einem Elektron. Das Silberatom ist elektrisch neutral. Das Silberion und das Elektron tragen jeweils eine Ladung. Betrachten wir nun viele einzelne Metallatome: Man kann sie sich vorstellen, dass sie aus einem Ion - man nennt es auch Atomrumpf - und einem Elektron bestehen. Wir wollen nun einmal viele einzelne Metallatome in lockerer Form im Raum anordnen. Wir haben nun eine Anhäufung vieler einzelner Atome und müssen leider feststellen: Viele einzelne Atome alleine können nichts. Daher verfahren sie nach dem Prinzip "Vereint sind wir stark!". Wollen wir uns nun einmal anschauen, was mit den vielen Atomen passiert: Man erhält aus den Atomrümpfen ein richtiges Metallgitter. Aber was ist denn nun mit den Außenelektronen, die man auch Valenzelektronen nennt? Auch sie müssen mit. Die Außenelektronen befinden sich nun bei den entsprechenden Atomrümpfen. Reicht das nun wirklich für die Metallbindung? Die Antwort ist ein entschiedenes "Nein". Es gibt hier nämlich eine besondere Beziehung zwischen den Außenelektronen und den Atomrümpfen. Prosaisch könnte man das so formulieren: "Jedes für alle, alle für jeden!". Was ist nun damit gemeint? Schaut euch das einmal in der Animation an. Keines der Elektronen bleibt bei seinem eigenen Atomrumpf. Sie bewegen sich über das gesamte Metallgitter. Das heißt, die Elektronen sind frei beweglich. Man sagt auch: Die Außenelektronen sind über das gesamte Metallgitter delokalisiert. Bildlich gesprochen sind sie von den Atomrümpfen vergesellschaftet. Jedes Elektron gehört zu allen Atomrümpfen. Und gerade diese freie Beweglichkeit der Elektronen, diese Delokalisierung, führt zur Metallbindung. Manchmal wird behauptet, dass die Anziehung zwischen Elektronen und Atomrümpfen die Metallbindung hervorruft. Das ist aber falsch. Die delokalisierten Elektronen werden mitunter auch - bildlich - als Elektronengas bezeichnet. Das Elektronengas bewegt sich um die Atomrümpfe, hüllt sie im wahrsten Sinne des Wortes ein.

  9. Wir erklären die Metalleigenschaften: Wir haben die Metallbindung in einem kleinen, kompakten Modell dargestellt. Versuchen wir einmal, die Eigenschaften der Metalle am Beispiel dieses Silberlöffels zu erklären: Metalle besitzen einen typischen Glanz. Die Elektronen wirken wie ein Spiegel, das Metall glänzt. Metalle sind verformbar, man kann sie biegen. Das "Riesenmolekül", der Löffel, ist in die Elektronenwolke eingehüllt; sie schützt den Löffel vor Bruch. Metalle sind elektrische Leiter; das ist klar, denn sie verfügen über Elektronen - frei bewegliche Ladungsträger. Die Wärmeleitung ist etwas schwerer zu erklären: Durch die freien Elektronen führen Metalle Gitterschwingungen im Wärmebereich aus.

  10. Zusammenfassung: Wir haben gelernt, dass Metalle ein Metallgitter bilden. Dieses besteht aus Ionen - Atomrümpfen. Diese werden von delokalisierten, frei beweglichen Außenelektornen umspült. Das ist das Wesen der Metallbindung; sie führt dazu, dass es Metallstücke - Riesenmoleküle - gibt. Mit dem Modell der Metallbindung kann man die wichtigen Eigenschaften der Metalle erklären: den Glanz, die Biegsamkeit, die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitung.

Ich hoffe, ihr hattet ein wenig Spaß. Ich wünsche euch alles Gute. Bis zum nächsten Mal! Tschüss!

9 Kommentare
9 Kommentare
  1. Sehr gutes verständliches Video😊

    Von Annett Roehl, vor mehr als 3 Jahren
  2. Dankeschön,
    ein sehr schönes und gut strukturiertes Video.

    Von Zbartz, vor mehr als 3 Jahren
  3. Hallo Evelyn Geiger,

    du kannst die Ladungen mit der in der Handlungsanweisung beschriebenen Taste angeben.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten S., vor mehr als 4 Jahren
  4. Die Eingabehilfe hat mir leider nicht genützt. Gibt es dabei einen bestimmten Trick?

    Von Geiger Evelyn, vor mehr als 4 Jahren
  5. Hallo Ruben,

    dazu musst du die Eingabehilfe unter der Übung nutzen.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten S., vor fast 5 Jahren
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Metallbindung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Metallbindung kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne Gemeinsamkeiten aller Metalle.

    Tipps

    Überlege dir, was ein Metalllöffel und Aluminiumfolie gemeinsam haben.

    Lösung

    Vergleichst du zu Hause mal einen Metalllöffel mit Aluminiumfolie, erkennst du schnell, dass beide einen metallischen Glanz besitzen. Sicher weißt du auch, dass Aluminiumfolie oft auf Rollen aufgewickelt ist, während ein Löffel viel kleiner ist. Die Größe kann also keine Gemeinsamkeit sein. Und auch wenn du die Aluminiumfolie so zerschneidest, dass sie genauso groß ist wie der Löffel, bemerkst du dabei, dass beides unterschiedlich schwer ist. Manchmal ist ein Metalllöffel etwas verbogen. Und auch Aluminiumfolie kannst du knüllen und biegen, auch wenn es etwas leichter geht als mit dem Metalllöffel. Metalle sind nämlich alle verformbar, manche etwas leichter und manche eben etwas schwieriger. An jedem Stecker für eine Steckdose kannst du ebenfalls Metall erkennen. Das liegt daran, dass alle Metalle eine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Die Farbe von Metallen ist ganz unterschiedlich, was man leicht an einem Goldring und einem Silberring erkennen kann.

    Außerdem ist es dir sicher schon passiert, dass du einen Metalllöffel in eine Tasse heißen Tee gestellt hast und der Löffel nach einiger Zeit auch warm war. Dies ist eine Eigenschaft, die alle Metalle gemeinsam haben. Und auch hier gilt: manche mehr, manche weniger.

  • Erkläre das Modell der Metallbindung.

    Tipps

    Es herrscht eine besondere Beziehung zwischen den Teilchen: „Jedes für alle, alle für jeden.“

    $Ag \rightarrow Ag^+ + e^-$

    Lösung

    Ein Metall besteht aus vielen Metallatomen, wobei sich die Atomrümpfe systematisch in einem Metallgitter anordnen. Die Außenelektronen bzw. Valenzelektronen bewegen sich zwischen den Atomrümpfen frei hin und her. Deshalb sagt man auch, dass sie delokalisiert sind. Man bezeichnet die delokalisierten Elektronen auch als Elektronengas.

  • Gib an, was bei der Abgabe von Außenelektronen entsteht.

    Tipps

    Metallatome sind elektrisch neutral, während Ionen und Elektronen elektrisch geladen sind.

    Elektronen sind immer negativ geladen.

    Nicht alle Metalle geben gleich viele Außenelektronen ab.

    Lösung

    Wird bei einem Metallatom ein Außenelektron abgegeben, entstehen ein Metallion und ein Elektron. Dabei solltest du beachten, dass Elektronen immer negativ geladen sind. Metallatome sind immer elektrisch neutral. Daher sind Metallionen positiv geladen. Doch nicht alle Metallatome geben gleich viele Außenelektronen ab. Einige besitzen mehr als ein Außenelektron. Ist dies der Fall, geben sie z.B. drei Außenelektronen ab und bilden ein dreiwertiges Metallion, wie zum Beispiel Gold $Au^{3+}$.

  • Erkläre, was eine Legierung ist und wie sie entsteht.

    Tipps

    Messing und auch Bronze sind Legierungen.

    Bronze besteht aus Kupfer und Zinn.

    Überlege dir, was die Struktur des Metallgitters ausmacht.

    Lösung

    Eine Legierung ist eine Mischung aus verschiedenen Metallen. Man stellt sie künstlich her, um Eigenschaften der Basismetalle zu verändern. Beim Schmelzen vermischen sich auch alle Atomrümpfe miteinander. Diese bilden beim Abkühlen wieder ein Metallgitter, diesmal jedoch ein Metallgitter aus allen verschiedenen Atomsorten. Die älteste Legierung, die bekannt ist, ist Bronze. Sie wurde schon vor 5000 Jahren verwendet, um ihr Basismetall Kupfer härter zu machen. Bronze ist eine Mischung aus Kupfer und Zinn und wurde für Gebrauchsgegenstände, Waffen und auch Schmuck genutzt.

  • Nenne Bereiche, in denen Metalle vorkommen.

    Tipps

    Überlege dir, ob es Gegenstände mit Metallen in den jeweiligen Bereichen gibt.

    Lösung

    Ein Leben ohne Metalle ist nicht mehr denkbar. In jedem Lebensbereich findest du Gegenstände, die aus Metall sind oder metallische Bestandteile haben.

  • Erkläre, was bei steigender Temperatur mit der elektrischen Leitfähigkeit passiert.

    Tipps

    Elektrischer Strom ist ein Elektronenfluss zwischen einem Plus- und einem Minuspol.

    Der Widerstand erhöht sich bei steigender Temperatur.

    Lösung

    Tatsächlich sinkt die elektrische Leitfähigkeit von Metallen bei steigender Temperatur. Dies lässt sich damit erklären, dass die Atomrümpfe mit steigender Temperatur verstärkte Schwingungen um ihre Ruhelage ausführen und so den Elektronenfluss zwischen den angelegten Polen behindern, indem diese immer wieder an einen Atomrumpf stoßen. Der Widerstand im Leiter wird höher, sodass die Elektronen schlechter durch den Leiter fließen können. Auch deshalb werden Kabel von einer Isolierung umgeben.