Metalle

METALL, aus lat. metallum, griech. μεταλλα

metall, als allgemeiner name für bergmännisch gewonnene schmid- und gieszbare körper jeder art: metallum, allerlei erz oder metall DASYP.; das metall, allerlei erz, das man grabt, als gold, silber, metallum, aes MAALER 289b; als collectivbezeichnung im sing.: am Schneeberg hat man erst angefangen metall zu suchen anno Christi 1470. S. MÜNSTER cosmographie (1578) 967; oder im vereinzelnden plural: der bergmeister soll macht und gewalt haben, auf den gebürgen, so ihm befohlen sein, nach bergwerks gebrauch und bergrecht, auf alle metall bergwerk zu verleihen. LÖHNEYS regierkunst 571a; für ihn (den philosophen) ist der erden schoos von metallen schwanger, und ihre oberfläche an pflanzen fruchtbar.

Kompetenzzentrum für elektronische Erschließungs- und Publikationsverfahren in den Geisteswissenschaften an der Universität Trier

In der Astronomie werden alle chemische Element mit einer Ordnungszahl höher als Helium als Metalle bezeichnet. Diese Unterscheidung ist sinnvoll, da Wasserstoff und Helium zusammen mit einigen Spuren von Lithium die einzigen Elemente sind, welche im Universum durch den Urknall entstanden sind. Alle weiteren Elemente entstanden später, in Sternen durch Kernfusion oder durch Supernovae.

Metalle bilden diejenigen chemischen Elemente, die sich im Periodensystem der Elemente links und unterhalb einer Trennungslinie von Bor bis Astat befinden. Das sind etwa 80 Prozent der chemischen Elemente, wobei der Übergang zu den Nichtmetallen über die Halbmetalle fließend ist. Als charakteristisch für Metalle können die gemeinsamen Stoffeigenschaften gelten:

elektrische Leitfähigkeit, die mit steigender Temperatur abnimmt,
hohe Wärmeleitfähigkeit,
Duktilität (Verformbarkeit) und
metallischen Glanz (Spiegelglanz).

Alle diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter frei beweglichen Elektronen sind.

Ein einzelnes Atom dieser Elemente hat keine metallischen Eigenschaften; es ist kein Metall. Erst wenn mehrere solcher Atome miteinander wechselwirken und zwischen ihnen eine metallische Bindung besteht, zeigen solche Atomgruppen (engl. cluster) metallische Eigenschaften.

Einteilung

Einteilung der Metalle

Leichtmetalle < 5 g/cm³

Schwermetalle < 10 g/cm³

Schwermetalle > 10 g/cm³

Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle und nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle, wobei Letztere gute Reduktionsmittel darstellen.

Im Periodensystem der Elemente sind Metalle im Bereich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Astat (s. r.), wobei der metallische Charakter von oben nach unten bzw. von rechts nach links zunimmt. Ganz oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle. Die Nebengruppenelemente sind ausnahmslos Metalle.

Schwermetalle

Mit der Bezeichnung Schwermetalle wird eine Gruppe von Metallen zusammengefasst. Durch das Fehlen einer eindeutigen wissenschaftlich akzeptierten Definition des Begriffes „Schwermetall“ gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Definitionen in der Literatur. Allerdings bewerten mehrere Quellen ein Schwermetall als ein Metall, dessn Dichte größer als 5,0 g/cm³ oder bei älteren Quellen 4,5 g/cm³ ist.

Eine Studie der IUPAC fand jedoch mindestens 38 Definitionen für die Bezeichnung „Schwermetall“, die angefangen von der Dichte, dem Atomgewicht oder der Ordnungszahl bis zu den chemischen Eigenschaften oder der Toxizität reichen. Folglich unterscheiden sich Listen von „Schwermetallen“ von einem Satz von Richtlinien zu einem anderen; dabei werden oft auch Halbmetalle wie z. B. Arsen mit eingeschlossen. Die Bezeichnung wird oft ohne Angabe der Metalle, auf die sie sich bezieht, verwendet. Aus den oben aufgeführten Gründen ist die Bezeichnung aller anderen Metalle als Leichtmetalle ebenso undefiniert.

Leichtmetalle

Als Leichtmetalle werden allgemein Metalle und Legierungen bezeichnet, deren Dichte unter 5 g/cm³ liegt. Alle anderen Metalle sind Schwermetalle, von denen Europium mit einer Dichte von 5,244 g/cm³ das leichteste ist. Im technischen Bereich sind vor allem Aluminium, Magnesium, Titan sowie in geringem Umfang Beryllium und Lithium im Gebrauch – sowie weitere Elemente als Legierungselemente in geringer Konzentration. Die Verarbeitung metallischer Werkstoffe erfolgt bei Leichtmetallen grundsätzlich wie bei anderen Metallen auch.

Physikalische Eigenschaften

Voraussetzung für die Bildung des metallischen Zustandes sind folgende Eigenschaften von Atomen:

Die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale ist gering und kleiner als die Koordinationszahl
Die (zur Abspaltung dieser Außenelektronen nötige) Ionisierungsenergie ist klein (< 10 eV)

Daraus resultiert, dass derartige Atome sich untereinander nicht über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen Atombindungen vor, z.B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na₂-Molekülen.

Metallatome ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, welches aus positiv geladenen Atomrümpfen besteht, während die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind; keines dieser Elektronen gehört mehr zu einem bestimmten Kern. Diese frei beweglichen Elektronen kann man sich als Teilchen eines Gases vorstellen, das den Platz zwischen den Atomrümpfen ausfüllt. Da dieses Elektronengas unter anderem die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle bewirkt, wird das Energieniveau, auf dem sich die freien Elektronen befinden, als „Leitungsband“ bezeichnet. Die genauen energetischen Gegebenheiten beschreibt das Bändermodell auf Basis des Orbitalmodells.

Aus dieser Bindungsart und diesem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:

Glanz (Spiegelglanz): Die frei beweglichen Elektronen können fast die gesamte auftreffende elektromagnetische Strahlung bis zu Wellenlängen der Röntgenstrahlung wieder emittieren; so entstehen der Glanz und Reflexion; aus glatten Metallflächen werden deshalb Spiegel angefertigt.
Undurchsichtigkeit: Die vorbeschriebene, an der Metalloberfläche stattfindende Reflexion und die Absorption des nicht reflektierten Anteiles bewirken, dass zum Beispiel Licht kaum in Metall eintreten kann. Metalle sind deshalb nur in dünnsten Schichten etwas lichtdurchlässig und erscheinen in der Durchsicht grau oder blau.
Gute elektrische Leitfähigkeit: Die Wanderung der frei beweglichen Elektronen in eine Richtung ist der elektrische Strom.
Gute thermische Leitfähigkeit: Die leicht verschiebbaren Elektronen nehmen an der Wärmebewegung teil. Sie übertragen zudem die thermische Eigenbewegung der Atomrümpfe (Schwingungen) und tragen so zum Wärmetransport bei, vgl. Wärmeleitung.
Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metall befinden sich Korngrenzen und Versetzungen, die sich schon bei einer Dehnung unterhalb der Bruchdehnung bewegen können, das heißt, ohne dass der Zusammenhalt verloren geht; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall, bevor es bricht.
Relativ hoher Schmelzpunkt: Er resultiert aus den allseitig gerichteten Bindungskräften zwischen den Kationen und den frei beweglichen Elektronen, ein jedoch weniger starker Effekt als die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Ionen in Salzkristallen.

Siehe auch

Metallizität