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Metalle (Metall)

Metalle sind mit etwa 80 % die größte Gruppe der chemischen Elemente. Allgemein unterteilt man sie nach ihrer Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle, sowie nach ihrer Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle. Im Periodensystem der chemischen Elemente sind Metalle keinen bestimmten Reihen oder Perioden zugeordnet. Sie befinden sich links und unterhalb einer Linie von Bor zu Polonium. Oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle. Allerdings die Nebengruppenelemente sind Metalle. Für das chemische Verhalten ist auch die Zugehörigkeit zu Haupt- und Nebengruppen des Periodensystems entscheidend. Atome eines Metalls weisen folgende Eigenschaften auf. Die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale ist gering und kleiner als die Koordinationszahl. Die zur Abspaltung der Außenelektronen notwendige Ionisierungsenergie ist etwa 10 eV klein. Daraus resultiert, dass Metallatome sich untereinander nicht wie viele Nichtmetalle über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen solche Atombindungen vor, zum Beispiel besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na - Molekülen. Metalle ordnen sich zu einem Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen, während die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind. Keines dieser Elektronen gehört mehr zu einem bestimmten Kern, diese Elektronen sind frei beweglich, also nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden, sie befinden sich in der „Leiterbahn“ und bilden ein „Elektronengas“. Eine exaktere Betrachtung unter Berücksichtigung des Orbitalmodells liefert das Bändermodell.
Aus dieser Bindungsvariante und dem Gitteraufbau entstehen folgende Eigenschaften von Metallen. Der Glanz kommt durch frei bewegliche Elektronen zu Stande. Diese reflektieren die gesamte aufgenommene Energie in allen Wellenlängen ohne sie zu verändern. So entstehen Glanz und Spiegeleffekt. Hierbei spricht man auch von Reflektion durch glatte Oberflächen. Daher werden auch Spiegel aus Metall hergestellt. Metalle sind undurchsichtig da die Reflektion des Lichtes an der Oberfläche ein Hindurchsehen verhindert. Daher sehen Metalle in dünnsten Vorlagen schon grau und schwarz gefärbt aus. Ihre gute elektrische Leitfähigkeit kommt von der Wanderung der frei beweglichen Elektronen in eine Richtung, in die auch der elektrische Strom fließt. Die thermische Leitfähigkeit lässt sich auf leicht verschiebbare Elektronen zurückführen. Diese nehmen an der Wärmebewegung teil und tragen so zum Wärmetransport bei. Eine gute Verformbarkeit wird durch die im Gitter befindlichen Versetzungen möglich. Diese können sich schon ab einer Spannung unter der Trennspannung bewegen. Je nach Gittertyp verformt sich das Metall eher als es bricht. Ein hoher Schmelzpunkt kommt durch allseitig gerichtete Bindungskräfte zu Stande.

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