Metallbindung – Einführung

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um die Metallbindung. Als Vorkenntnisse solltet ihr Wissen über Atom, Atombau und Oktettregel mitbringen. Mein Ziel ist es, euch eine kurze einführende Übersicht über Metalle und Legierungen zu liefern. Den Film habe ich in 5 Abschnitte unterteilt. 1. Metalle und ihre Eigenschaften 2. Metallbindung 3. Metalle im Periodensystem 4. Legierungen 5. Es ist nicht alles Gold, was glänzt   1. Metalle und ihre Eigenschaften Ich habe hier einige chemische Elemente, die von euch bestimmt jeder kennt. Zum einen Kupfer und hier Blei. Beide chemischen Elemente sind bereits seit dem Altertum bekannt. Dieses chemische Element, das Aluminium, das euch auch wohl bekannt sein dürfte, kennt man allerdings erst seit der Neuzeit. Ich brauche euch nicht erst zu sagen, dass es sich hierbei um Metalle handelt, das seht ihr sofort. Woran wohl? Alle 3 Stoffe zeichnen sich durch Metallglanz und Biegsamkeit aus. Außerdem sind sie gute Wärmeleiter und elektrische Leiter. 2. Metallbindung Ich habe hier einen 3,5-kg-Barren Blei. Und so sieht er aus, wenn ich ihn etwas vergrößere. Es ist wohlgemerkt, ein einziges Stück. Ohne Werkzeug kann ich keine Teile daraus machen. Es handelt sich sage und schreibe, um ein Riesenmolekül. Versuchen wir die richtige Frage zu stellen. Welche Kräfte halten dieses Teilchen zusammen? Da wir bei Teilchen sind, möchte ich versuchen, es euch mit einem Teilchenmodell zu erklären. Der Bleiblock besteht aus vielen, vielen, einzelnen Bleiatomen. Obwohl es viel ist, was ich zeichne, ist es nur ein kleiner Ausschnitt dessen, was in Wirklichkeit vorliegt. Alle besitzen eine positiv elektrische Ladung. Das bedeutet, dass Elektronen von jedem einzelnen Atom losgelöst sind. Ich habe hier den Ausschnitt aus der Struktur des Riesenmoleküls des gesamten Stückes Blei gezeichnet. Wir sprechen bei dieser Struktur von einem Metallgitter. Zwischen diesen positiv geladenen Teilchen bewegen sich viele Elektronen mit hoher Geschwindigkeit. Die positiven Teilchen, die eigentlich Ionen darstellen, werden als Atomrumpf bezeichnet. Die roten Pünktchen sind die frei beweglichen Elektronen. Diese bewegen sich mit sehr großer Geschwindigkeit um die Atomrümpfe herum und halten diese zusammen, sodass ein Gitter bestehen bleiben kann. Die Anziehungskräfte, die zwischen Atomen durch delokalisierte Valenzelektronen zustande kommen, bezeichnet man als Metallbindung. Oder als metallische Bindung. Für diese naturwissenschaftliche Situation gibt es aus unserem täglichen Leben keine Entsprechung. Der Zusammenhalt, der vielen Atome kommt durch eine Energie zusammen, die es in der klassischen Physik nicht gibt. Es ist die sogenannte Austauschenergie. Nehmen wir an, wir haben nur 2 dieser metallischen Atomrümpfe und in jedem dieser Atomrümpfe befindet sich jeweils 1 Elektron. Die Elektronen bezeichne ich mit 1 und 2. Das wäre die Situation 1. Situation 2 sieht so aus, dass sie genau der Situation 1 gleich ist, nur die Elektronen 1 und 2 sind vertauscht. Aus dieser Situation wird eine Energie gewonnen, die man als Austauschenergie bezeichnet. Sie führt zum Zusammenhalt der Atome. 3. Metalle im Periodensystem Die schematische Darstellung des Periodensystems der Elemente, solltet ihr bereits aus den vorherigen Videos kennen. Im gelben Bereich befinden sich die s Elemente. Sie haben s Elemente in der äußeren Schale. Im Helllilafarbenden Bereich befinden sich die p Elemente. Im Karminfarbenden Bereich haben wir die d Elemente. Und im hellbraunen Bereich die f Elemente. S Elemente und d Elemente sind stets Metalle. Auch bei den f Elementen handelt es sich ausschließlich um Metalle. Bei den p Elementen befinden sich sowohl Metalle wie nicht Metalle. Die Metalle befinden sich bei den p Elementen links und unten, die Nichtmetalle findet man rechts und oben. Wir wollen uns die p Elemente nun etwas genauer anschauen. Es sind die Elemente der Hauptgruppen III-VIII. Auf gelben Hintergrund sind die s Elemente angeordnet, links die Hauptgruppen I und II. Ganz oben links befindet sich das chemische Element Wasserstoff. Rechts oben befindet sich das chemische Element Helium. Während Wasserstoff das einzige Nichtmetall der I. Hauptgruppe ist, ist Cäsium unten das letzte stabile Teil dieser Gruppe. Bei den P-Orbitalen treffen wir oben, von links nach rechts, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Neon. Unterhalb des Grundstoffs befindet sich Silizium, ein Halbmetall. Darunter Germanium, Germanium ist auch ein Halbmetall, obwohl es manchmal zu den Metallen gezählt wird. Darunter kommt Zinn und anschließend Blei. Neben dem Silizium ist links Aluminium, ein typisches Metall. Schauen wir noch welche d Elemente links neben den p Elementen liegen. Es sind Zink, Kadmium und Quecksilber. Die Elemente der 2. Nebengruppe. Wir prägen uns ein: In den Hauptgruppen des PSE wächst der Metallcharakter von rechts nach links. Außerdem wächst der Metallcharakter in den Hauptgruppen von oben nach unten. 4. Legierungen Nehmen wir die eingangs vorgestellten Metalle Blei, Kupfer und Aluminium. Man kann sich nun vorstellen, dass man 2 oder sogar 3 von diesen Metallen zusammenschmelzen und wieder erstarren lassen kann. Dadurch gelingt es in einigen Fällen, sogenannte Mischkristalle zu erhalten. Man spricht dann auch von Legierungen. Ein anderer Name hierfür ist intermetallische Phasen. Um Missverständnisse vorzubeugen, 2 Bemerkungen. Bei Mischkristallen handelt es sich um homogene Systeme, immer. Das bedeutet nicht, dass verschiedene Kristalle zusammengeschüttet sind. 2. Ob es sich bei Legierungen um chemische Verbindungen handelt, ist ausschließlich Ansichtssache des Betrachters. Manche Wissenschaftler sagen ja, andere Nein. Warum setzt man sich der Arbeit aus, überhaupt erst Legierungen herzustellen? Wenn man aus Metallen, Legierungen produziert, so führt das zur Veränderung der Kristallstruktur. Dann ändern sich auch die Eigenschaften der Legierungen im Vergleich zu den Metallen. So besitzen Legierungen häufig eine höhere Härte und eine höhere Korrosionsbeständigkeit als die reinen Metalle. Legierungen des Eisens werden als Stahl bezeichnet. Eines der wichtigsten und populärsten Stähle ist der sogenannte V4A-Stahl. V4A-Stahl enthält Chrom, Nickel und Molemden. Bronze kennt man seit der Bronzezeit. Sie besteht aus den Metallen Kupfer und Zinn. Die wichtige Gebrauchslegierung Messing ist aus den Metallen Kupfer und Zink zusammengesetzt. Weniger populär, aber genauso wichtig, ist Neusilber. Es besteht aus Kupfer, Nickel und Zink. 5. Es ist nicht alles Gold, was glänzt Das hier ist eine 1-Euro Münze. Ihr Rand sieht goldgelb aus, ist es Gold? Leider nein, es ist eine Legierung. Sie besteht aus 75 Prozent Kupfer, 20 Prozent Zink und 5 Prozent Nickel. Der Ring fasst einen silbernen Kern ein. Besteht dieser aus Silber? Auch hier trügt der Schein. Die Legierung setzt sich aus 75 Prozent Kupfer und 25 Prozent Nickel zusammen. So passiert es also, wenn man Zink durch Nickel ersetzt, man am Ende aus Gold Silber erhält. Bei mir sind innen und außen vertauscht. Wer bist du denn? Ich bin die 2 Euro Münze. Aha. Metalle spielen in der Zahnmedizin nach wie vor eine herausragende Rolle. Metalle werden für konservierende Zwecke und für Zahnersatz verwendet. Wichtig ist bei Zahnersatz, dass der Speichel keine giftigen Ionen bilden kann. Kommen dafür alle Edelmetalle infrage? Leider bleibt als einziger brauchbarer Kandidat nur Gold übrig. Wegen seiner Weichheit muss Gold legiert werden. Womit man wieder am Ausgangspunkt angelangt ist. Die Legierungsmetalle für Gold sind Platin, Palladium, Silber und Kupfer. Das sogenannte Spargold enthält weniger Goldanteil, dafür aber mehr Palladium. Für konservierende Zwecke wird heute nach wie vor Silberamalgam gebraucht. Ein Amalgam ist eine Quecksilberlegierung, da es sich um Silberamalgam handelt, ist folglich auch Quecksilber enthalten. Außerdem befindet sich im Amalgam noch ein wenig Zinn, Zink und, oder Kupfer. Leider können die im Amalgam befindlichen Metalle, durch den Speichel, herausgelöst werden. Die entstehenden Ionen können zu chronischen Erkrankungen führen. Dazu zählen Allergien, Migräneanfälle und Leberschäden. Gute Alternativen liefern Keramiken, diese müssen aber häufig noch aus eigener Tasche bezahlt werden. Mit diesen, wenig erfreulichen Aussichten, möchte ich mich von euch verabschieden. Alles Gute, auf Wiedersehen.