Physikalische Eigenschaften der Metalle und Legierungen
Wie die metallische Bindung Verformbarkeit, Glanz, Aggregatzustand und Löslichkeit der Metalle erklärt und woraus Bronze und Messing bestehen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die physikalischen Metalleigenschaften wie Verformbarkeit, Glanz und Unlöslichkeit folgen aus der metallischen Bindung mit Atomrümpfen im Elektronengas.
- Duktilität ist die plastische Verformbarkeit; sie beruht auf der ungerichteten metallischen Bindung, die beim Verschieben von Schichten erhalten bleibt.
- Frische Schnitt- und Schliffflächen zeigen Metallglanz, weil die freien Elektronen durch Licht anregbar sind und es stark reflektieren; Lichtbrechung ist keine Metalleigenschaft.
- Fein verteilte Metalle erscheinen durch Mehrfachstreuung mit wenigen Ausnahmen schwarz, etwa Platinmohr.
- Nicht alle Metalle sind bei Raumtemperatur fest (Quecksilber ist flüssig); in Ethanol sind Metalle nicht löslich.
- Bronze besteht aus Kupfer und Zinn, Messing aus Kupfer und Zink.
Worum es geht
Viele typische Eigenschaften der Metalle folgen direkt aus dem Modell von Atomrümpfen im Elektronengas. Wer dieses Modell auf Verformbarkeit, Glanz und Löslichkeit anwendet, kann die Eigenschaften begründen, statt sie auswendig zu lernen. In der Pharmazie begegnen dir Metalle als Geräte, Tuben und Katalysatoren, etwa als fein verteiltes Platin oder Palladium.
Verformbarkeit
Metalle lassen sich hämmern, walzen und zu Drähten ziehen, ohne zu zerbrechen. Gold etwa lässt sich zu Blattgold schlagen, das dünner als ein Mikrometer ist. Diese Eigenschaft heißt Duktilität.
Duktilität ist die plastische Verformbarkeit eines Stoffes: Er verformt sich unter Kraft bleibend, ohne zu brechen. Viele Metalle sind duktil, wenn auch nicht alle gleich gut.
Die Ursache liegt im Metallgitter. Positive Atomrümpfe sitzen in einem Gas frei beweglicher Elektronen. Dieses Elektronengas hält jeden Rumpf von allen Seiten gleich stark fest. Die metallische Bindung ist also ungerichtet.
Verschiebt man eine Atomschicht gegen die nächste, treffen die Rümpfe wieder auf gleichartige Nachbarn. Das Elektronengas fließt einfach mit, und die Bindung bleibt erhalten. Man kann sich das wie Kugeln in einer zähen Flüssigkeit vorstellen, die aneinander vorbeigleiten.
Im Ionengitter ist das anders. Nach dem Verschieben liegen dort gleich geladene Ionen nebeneinander. Sie stoßen sich ab, und der Kristall bricht. Salze sind deshalb spröde.
Metallglanz
Ein frisch geschnittenes Stück Natrium glänzt silbrig, läuft an der Luft aber rasch matt an. Der Metallglanz zeigt sich also an frischen Schnitt- und Schliffflächen, bevor eine Oxidschicht die Oberfläche bedeckt. Glatte, polierte Metalloberflächen reflektieren sichtbares Licht besonders stark. Darauf beruhen Spiegel.
Der Grund sind wieder die freien Elektronen. Im Bändermodell gibt es für sie dicht beieinanderliegende Energieniveaus. Deshalb sind sie durch Licht fast jeder Wellenlänge anregbar. Sie nehmen die Energie an der Oberfläche auf und strahlen sie sofort wieder ab. Das Licht dringt kaum ein, sondern wird zurückgeworfen.
Daraus folgt auch, was Metalle nicht tun. Lichtbrechung setzt voraus, dass Licht in einen durchsichtigen Stoff eindringt und ihn durchquert. Metalle sind undurchsichtig. Brechung ist daher keine typische Metalleigenschaft, sondern eine von Glas, Wasser oder Kristallen.
Zerkleinert man ein Metall zu feinem Pulver, verschwindet der Glanz. Das Licht trifft auf unzählige winzige Flächen und wird zwischen den Partikeln vielfach gestreut. Bei jeder Streuung geht ein Teil verloren, bis kaum noch Licht zurückkommt.
Fein verteilte Metalle erscheinen deshalb mit wenigen Ausnahmen schwarz. Ein bekanntes Beispiel ist Platinmohr, fein verteiltes Platin, das als Katalysator dient.
Wird im Examen gerne gefragt: Kompakte Metalle glänzen an frischen Schnitt- und Schliffflächen, weil ihre Elektronen durch Licht anregbar sind und es reflektieren. Achte darauf, dass fein verteilte Metalle fast immer schwarz sind und dass Lichtbrechung nicht zu den Metalleigenschaften zählt.
Aggregatzustand und Löslichkeit
Die meisten Metalle sind bei Raumtemperatur fest, aber nicht alle. Quecksilber ist flüssig, sein Schmelzpunkt liegt bei −39 °C. Gallium schmilzt schon bei etwa 30 °C und verflüssigt sich in der warmen Hand.
Lösen bedeutet, dass Lösungsmittelmoleküle einzelne Teilchen umhüllen und voneinander trennen. Ein Metallgitter bietet dafür keine einzelnen Moleküle oder Ionen an. Die metallische Bindung lässt sich durch Solvatation nicht aufbrechen. Metalle sind daher in Ethanol und anderen Lösungsmitteln nicht löslich.
Verschwindet ein Metall trotzdem in einer Flüssigkeit, reagiert es chemisch. Natrium bildet mit Ethanol unter Gasentwicklung Natriumethanolat:
\[\ce{2 Na + 2 C2H5OH -> 2 C2H5ONa + H2 ^}\]
Das ist eine Redoxreaktion und kein physikalisches Lösen. Mischen lassen sich Metalle dagegen gut miteinander, nämlich in der Schmelze. So entstehen Legierungen.
Legierungen
Reine Metalle sind oft zu weich für Werkzeuge oder Geräte. Mischt man sie mit anderen Elementen, ändern sich Härte, Farbe und Schmelzpunkt.
Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Die Bestandteile werden in der Schmelze gemischt und erstarren gemeinsam.
Warum Legierungen meist härter sind, zeigt der Blick ins Gitter. Fremdatome anderer Größe verzerren die Gitterebenen. Die Schichten können nicht mehr glatt aneinander abgleiten, wie es für die Duktilität nötig wäre.
Die beiden wichtigsten Kupferlegierungen unterscheiden sich nur im zweiten Metall. Bronze besteht aus Kupfer und Zinn. Messing besteht aus Kupfer und Zink. Eine Kupfer-Zink-Legierung ist also Messing und keine Bronze.
Andere Legierungen enthalten gar kein Kupfer und sind deshalb ebenfalls keine Bronzen. Die Tabelle stellt sie gegenüber.
| Legierung | Bestandteile | Kennzeichen |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer, Zinn | hart, korrosionsbeständig |
| Messing | Kupfer, Zink | goldgelb, gut formbar |
| Rose-Metall | Bismut, Blei, Zinn | schmilzt unter 100 °C |
| Leichtmetalllegierung | Aluminium mit Magnesium oder Mangan | leicht und fest |
Die Chemie von Kupfer und Zink selbst findest du bei den Nebengruppenelementen, in den Einheiten zu Kupfer und Zink.
Quiz
Aussage 1
Die starke Lichtbrechung gehört zu den typischen optischen Eigenschaften der Metalle.
Metalle sind undurchsichtig und reflektieren Licht. Brechung setzt voraus, dass Licht einen durchsichtigen Stoff durchquert.
Aussage 2
Quecksilber zeigt, dass nicht jedes Metall bei Raumtemperatur fest ist.
Quecksilber schmilzt bei −39 °C und ist bei Raumtemperatur flüssig.
Aussage 3
Fein verteiltes Platin behält den silbrigen Glanz des kompakten Metalls.
Fein verteilte Metalle erscheinen durch Mehrfachstreuung mit wenigen Ausnahmen schwarz, fein verteiltes Platin heißt deshalb Platinmohr.
Aussage 4
Eine Legierung aus Bismut, Blei und Zinn zählt zu den Bronzen.
Sie enthält kein Kupfer und ist eine niedrig schmelzende Legierung wie Rose-Metall. Bronze besteht aus Kupfer und Zinn.
Aussage 5
Eine Legierung aus Kupfer und Zink wird als Messing bezeichnet.
Messing ist Kupfer mit Zink, Bronze dagegen Kupfer mit Zinn.
Aussage 6
Metalle lassen sich plastisch verformen, weil die metallische Bindung ungerichtet ist und beim Abgleiten von Atomschichten erhalten bleibt.
Das Elektronengas hält die Atomrümpfe von allen Seiten gleich fest und fließt beim Verschieben einer Schicht mit.
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