Definition, Eigenschaften und Beispiele von Metallbindungen

Eine Metallbindung ist eine Art chemische Bindung zwischen positiv geladenen Atomen, in der die freien Elektronen auf ein Kationengitter verteilt sind. Im Gegensatz dazu bilden sich zwischen zwei diskreten Atomen kovalente und ionische Bindungen. Die Metallbindung ist die Hauptart der chemischen Bindung, die sich zwischen Metallatomen bildet.

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Metallische Bindungen treten bei reinen Metallen und Legierungen sowie einigen Metalloiden auf. Beispielsweise zeigt Graphen (ein Allotrop aus Kohlenstoff) eine zweidimensionale metallische Bindung. Metalle, auch reine, können andere Arten chemischer Bindungen zwischen ihren Atomen eingehen. Beispielsweise kann das Quecksilberion (Hg₂²⁺) können kovalente Metall-Metall-Bindungen eingehen. Reines Gallium bildet kovalente Bindungen zwischen Atompaaren, die durch metallische Bindungen mit umgebenden Paaren verbunden sind.

Wie metallische Bindungen funktionieren

Die äußeren Energieniveaus von Metallatomen (die s und p Orbitale) überlappen. Mindestens eines der an einer Metallbindung beteiligten Valenzelektronen wird weder mit einem Nachbaratom geteilt, noch geht es verloren, um ein Ion zu bilden. Stattdessen bilden die Elektronen ein sogenanntes "Elektronenmeer", in dem sich die Valenzelektronen frei von einem Atom zum anderen bewegen können.

Das Elektronenmeermodell ist eine übermäßige Vereinfachung der Metallbindung. Berechnungen basierend auf der elektronischen Bandstruktur oder Dichtefunktionen sind genauer. Die metallische Bindung kann als Folge eines Materials mit viel mehr delokalisierten Energiezuständen als delokalisierten Elektronen (Elektronenmangel) gesehen werden, so dass lokalisierte ungepaarte Elektronen delokalisiert und beweglich werden können. Die Elektronen können ihre Energiezustände ändern und sich durch ein Gitter in jede Richtung bewegen.

Die Bindung kann auch in Form einer metallischen Clusterbildung erfolgen, bei der lokalisierte Kerne von delokalisierten Elektronen umflossen werden. Die Bindungsbildung hängt stark von den Bedingungen ab. Beispielsweise ist Wasserstoff ein Metall unter hohem Druck. Wenn der Druck verringert wird, ändert sich die Bindung von metallisch zu unpolar kovalent.

Beziehung zwischen metallischen Bindungen und metallischen Eigenschaften

Da Elektronen um positiv geladene Kerne herum delokalisiert werden, erklären metallische Bindungen viele Eigenschaften von Metallen.

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Elektrische Leitfähigkeit: Die meisten Metalle sind ausgezeichnete elektrische Leiter, da sich die Elektronen im Elektronenmeer frei bewegen und Ladung tragen können. Leitfähige Nichtmetalle (wie Graphit), geschmolzene ionische Verbindungen und wässrige ionische Verbindungen leiten aus dem gleichen Grund Elektrizität - Elektronen können sich frei bewegen.

Wärmeleitfähigkeit: Metalle leiten Wärme, weil die freien Elektronen in der Lage sind, Energie von der Wärmequelle weg zu transportieren, und weil sich Schwingungen von Atomen (Phononen) als Welle durch ein festes Metall bewegen.

Duktilität: Metalle sind in der Regel duktil oder können in dünne Drähte gezogen werden, da lokale Bindungen zwischen Atomen leicht aufgebrochen und auch reformiert werden können. Einzelne Atome oder ganze Blätter von ihnen können aneinander vorbeigleiten und Bindungen neu bilden.

Formbarkeit: Metalle sind oft formbar oder können geformt oder in eine Form gepresst werden, da die Bindungen zwischen Atomen leicht brechen und sich neu bilden. Die Bindungskraft zwischen Metallen ist ungerichtet, daher ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Metall durch Ziehen oder Formen gebrochen wird. Elektronen in einem Kristall können durch andere ersetzt werden. Da sich die Elektronen frei voneinander entfernen können, werden durch die Bearbeitung eines Metalls keine gleich geladenen Ionen zusammengedrückt, wodurch ein Kristall durch die starke Abstoßung zerbrochen werden könnte.

Metallischer Schimmer: Metalle sind in der Regel glänzend oder weisen einen metallischen Glanz auf. Sie sind ab einer bestimmten Mindestdicke opak. Das Elektronenmeer reflektiert Photonen von der glatten Oberfläche. Es gibt eine obere Frequenzgrenze für das Licht, das reflektiert werden kann.

Die starke Anziehungskraft zwischen Atomen in metallischen Bindungen macht Metalle stark und verleiht ihnen eine hohe Dichte, einen hohen Schmelzpunkt, einen hohen Siedepunkt und eine geringe Flüchtigkeit. Es gibt Ausnahmen. Beispielsweise ist Quecksilber unter normalen Bedingungen eine Flüssigkeit und hat einen hohen Dampfdruck. Tatsächlich sind alle Metalle in der Zinkgruppe (Zn, Cd und Hg) relativ flüchtig.

Wie stark sind metallische Bindungen??

Da die Stärke einer Bindung von ihren beteiligten Atomen abhängt, ist es schwierig, Arten chemischer Bindungen zu klassifizieren. Kovalente, ionische und metallische Bindungen können alle starke chemische Bindungen sein. Selbst in geschmolzenem Metall kann die Bindung stark sein. Gallium ist zum Beispiel nichtflüchtig und hat einen hohen Siedepunkt, obwohl es einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Wenn die Bedingungen stimmen, ist für das metallische Bonden nicht einmal ein Gitter erforderlich. Dies wurde bei Gläsern beobachtet, die eine amorphe Struktur aufweisen.