METALLBINDUNG: EIGENSCHAFTEN, ENTSTEHUNG UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die metallische Bindung ist diejenige, die die Atome der metallischen Elemente fest zusammenhält. Es ist in Metallen enthalten und definiert alle ihre physikalischen Eigenschaften, die sie als harte, duktile, formbare Materialien und gute Wärme- und Stromleiter charakterisieren.

Von allen chemischen Bindungen ist die metallische Bindung die einzige, bei der sich die Elektronen nicht ausschließlich zwischen zwei Atomen befinden, sondern zwischen Millionen von ihnen in einer Art Klebstoff oder "Elektronenmeer" delokalisiert sind, die sie fest zusammenhalten. oder zusammenhängend.

Kupfermetallbindung

Nehmen wir zum Beispiel das Metall Kupfer an. In Kupfer geben seine Cu-Atome ihre Valenzelektronen ab, um die metallische Bindung zu bilden. Oberhalb dieser Bindung sind Cu ²⁺ -Kationen (blaue Kreise) dargestellt, die von Elektronen (gelbe Kreise) umgeben sind. Die Elektronen sind nicht still: Sie bewegen sich durch den Kupferkristall. In Metallen sprechen wir jedoch formal nicht von Kationen, sondern von neutralen Metallatomen.

Die metallische Bindung wird überprüft, indem die Eigenschaften der metallischen Elemente sowie die ihrer Legierungen untersucht werden. Diese integrieren eine Reihe von glänzenden, silbernen, zähen und harten Materialien, die auch hohe Schmelz- und Siedepunkte aufweisen.

Wie entsteht die Metallbindung?

Metallbindung in Zink

Die Metallbindung wird nur zwischen einem Satz oder einer Gruppe von Metallatomen gebildet. Damit sich die Elektronen im gesamten Metallkristall bewegen können, muss es eine "Autobahn" geben, auf der sie fahren können. Dies ergibt sich aus der Überlappung aller Atomorbitale der benachbarten Atome.

Betrachten Sie zum Beispiel eine Reihe von Zinkatomen, Zn ··· Zn ··· Zn ···. Diese Atome überlappen ihre Valenzatomorbitale, um Molekülorbitale zu erzeugen. Diese Molekülorbitale überlappen sich wiederum mit anderen Orbitalen benachbarter Zn-Atome.

Jedes Zinkatom trägt zwei Elektronen bei, um zur Metallbindung beizutragen. Auf diese Weise entsteht durch die Überlappung oder Vereinigung der Molekülorbitale und der durch Zink gespendeten Atome eine "Autobahn", auf der die Elektronen im gesamten Kristall delokalisiert werden, als wären sie ein Klebstoff oder ein Elektronenmeer, das oder bedeckt alle metallischen Atome baden.

Eigenschaften der Metallbindung

Strukturen

Die metallische Bindung entsteht durch kompakte Strukturen, in denen die Atome eng miteinander verbunden sind, ohne dass ein großer Abstand sie voneinander trennt. Abhängig von der Art der spezifischen Struktur gibt es verschiedene Kristalle, von denen einige dichter sind als andere.

In metallischen Strukturen spricht man nicht von Molekülen, sondern von neutralen Atomen (oder Kationen nach anderen Perspektiven). Zurück zum Beispiel Kupfer: In seinen verdichteten Kristallen gibt es keine Cu ₂ -Moleküle mit einer kovalenten Cu-Cu-Bindung.

Reorganisation

Die metallische Bindung hat die Eigenschaft, sich selbst neu zu organisieren. Dies ist bei den kovalenten und ionischen Bindungen nicht der Fall. Wenn eine kovalente Bindung bricht, bildet sie sich nicht so, als wäre nichts passiert. Auch die elektrischen Ladungen an der Ionenbindung sind unveränderlich, sofern keine chemische Reaktion stattfindet.

Betrachten Sie zum Beispiel das Metall Quecksilber, um diesen Punkt zu erklären.

Die metallische Bindung zwischen zwei benachbarten Quecksilberatomen, Hg ··· Hg, kann brechen und sich mit einem anderen benachbarten Atom neu bilden, wenn der Kristall einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, die ihn verformt.

Somit wird die Bindung reorganisiert, während sich das Glas verformt. Dies verleiht Metallen die Eigenschaften, duktile und formbare Materialien zu sein. Andernfalls brechen sie wie Glas- oder Keramikstücke, auch wenn sie heiß sind.

Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit

Die Eigenschaft der metallischen Bindung, ihre Elektronen delokalisieren zu lassen, gibt Metallen auch die Fähigkeit, Wärme und Elektrizität zu leiten. Dies liegt daran, dass die Elektronen, da sie delokalisiert sind und sich überall bewegen, die atomaren Schwingungen effektiv übertragen, als wäre es eine Welle. Diese Schwingungen werden in Wärme umgewandelt.

Wenn sich andererseits Elektronen bewegen, bleiben leere Räume zurück, die andere besetzen können, wodurch eine elektronische Leerstelle entsteht, durch die mehr Elektronen „laufen“ und somit elektrischen Strom erzeugen können.

Ohne die physikalischen Theorien hinter dem Phänomen anzusprechen, ist dies im Prinzip die allgemeine Erklärung der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen.

Metallischer Schimmer

Delokalisierte und mobile Elektronen können auch mit Photonen im sichtbaren Licht interagieren und diese zurückweisen. Abhängig von der Dichte und der Oberfläche des Metalls kann es unterschiedliche Grau- oder Silbertöne oder sogar schillernde Schimmer aufweisen. Die außergewöhnlichsten Fälle sind Kupfer, Quecksilber und Gold, die Photonen bestimmter Frequenzen absorbieren.

Elektronendelokalisierung

Um die metallische Bindung zu verstehen, muss man verstehen, was unter Delokalisierung von Elektronen zu verstehen ist. Es ist unmöglich zu bestimmen, wo sich die Elektronen befinden. Es kann jedoch geschätzt werden, in welcher Raumregion sie sich wahrscheinlich befinden. In einer kovalenten Bindung AB ist das Elektronenpaar in dem Raum verteilt, der die Atome A und B trennt; sie sollen sich dann zwischen A und B befinden.

In einer AB-Metallbindung kann jedoch nicht gesagt werden, dass sich Elektronen genauso verhalten wie in einer AB-kovalenten Bindung. Sie befinden sich nicht zwischen zwei spezifischen Atomen von A und B, sondern sind diffundiert oder auf andere Teile des Feststoffs gerichtet, wo auch verdichtete, dh eng gebundene Atome von A und B vorhanden sind.

Wenn dies so ist, werden die Elektronen der Metallbindung als delokalisiert bezeichnet: Sie bewegen sich in jede Richtung, in der sich Atome von A und B befinden, wie im ersten Bild mit den Kupferatomen und ihren Elektronen gezeigt.

Daher sprechen wir in der Metallbindung von einer Delokalisierung dieser Elektronen, und diese Eigenschaft ist für viele der Eigenschaften von Metallen verantwortlich. Darauf basiert auch die Theorie des Elektronenmeeres.

Beispiele für metallische Bindungen

Einige im täglichen Leben häufig verwendete Metallglieder sind wie folgt:

- Metallische Elemente

Zink

Metallbindung in Zink

In Zink, einem Übergangsmetall, sind seine Atome durch die Metallbindung verbunden.

Gold (Au)

Reines Gold wird derzeit wie die Legierungen dieses Materials mit Kupfer und Silber häufig in edlem Schmuck verwendet.

Kupfer (Cu)

Dieses Metall wird aufgrund seiner hervorragenden Stromleitungseigenschaften häufig in elektrischen Anwendungen verwendet.

Silber (Ag)

Aufgrund seiner Eigenschaften wird dieses Metall sowohl in feinen Schmuckanwendungen als auch im industriellen Bereich häufig verwendet.

Nickel (Ni)

In reinem Zustand wird es üblicherweise zur Herstellung von Münzen, Batterien, Gießereien oder verschiedenen Metallteilen verwendet.

Cadmium (Cd)

Es ist ein sehr giftiges Material und wird zur Herstellung von Batterien verwendet.

Platin (Pt)

Es wird in edlem Schmuck (Legierungen mit Gold) sowie bei der Herstellung von Labormessgeräten und Zahnimplantaten verwendet.

Titan (Ti)

Dieses Metall wird üblicherweise in der Technik sowie bei der Herstellung von osteosynthetischen Implantaten, industriellen Anwendungen und Schmuck verwendet.

Blei (Pb)

Dieses Material wird bei der Herstellung elektrischer Leiter verwendet, insbesondere bei der Herstellung des Außenmantels von Telefon- und Telekommunikationskabeln.

- Metallische Verbindungen

Stahl

Bei der Reaktion von Eisen mit Kohlenstoff entsteht gewöhnlicher Stahl, ein Material, das im Vergleich zu Eisen wesentlich widerstandsfähiger gegen mechanische Beanspruchung ist.

Rostfreier Stahl

Eine Variation des obigen Materials kann gefunden werden, indem gewöhnlicher Stahl mit Übergangsmetallen wie Chrom und Nickel kombiniert wird.

Bronze

Es wird durch Kombination von Kupfer mit Zinn in einem ungefähren Anteil von 88% bzw. 12% hergestellt. Es wird zur Herstellung von Münzen, Werkzeugen und öffentlichen Ornamenten verwendet.

Quecksilberlegierungen

Verschiedene Quecksilberlegierungen mit anderen Übergangsmetallen wie Silber, Kupfer und Zink produzieren die in der Zahnmedizin verwendeten Amalgame.

Chrom-Platin-Legierung

Diese Art von Legierung wird häufig zur Herstellung von Rasierklingen verwendet.

Pieltre

Diese Legierung aus Zinn, Antimon, Hülle und Wismut wird üblicherweise zur Herstellung von Haushaltsgegenständen verwendet.

Messing

Es wird durch Kombination von Kupfer mit Zink in einem Anteil von 67% bzw. 33% erzeugt. Es wird bei der Herstellung von Hardware-Artikeln verwendet.

Theorie des Meeres des Elektrons

Einfache Darstellung eines Elektronenmeeres. Quelle: Muskid

Das Bild oben zeigt das Konzept eines Elektronenmeeres. Nach der Theorie des Elektronenmeeres geben Metallatome ihre Valenzelektronen (negative Ladungen) ab und werden zu Atomionen (positive Ladungen). Die freigesetzten Elektronen werden Teil eines Meeres, in dem sie für jeden Zoll des Metallkristalls delokalisiert werden.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass ein Metall aus Ionen besteht; seine Atome sind tatsächlich neutral. Wir sprechen nicht von Hg ⁺ -Ionen in flüssigem Quecksilber, sondern von neutralen Hg-Atomen.

Eine andere Möglichkeit, das Elektronenmeer zu visualisieren, besteht darin, die Neutralität der Atome anzunehmen. Obwohl sie ihren Elektronen gewähren, um die metallische Bindung zu definieren, die sie eng zusammenhält, empfangen sie auch sofort andere Elektronen aus anderen Regionen des Kristalls, so dass sie niemals eine positive Ladung erhalten.

Diese Theorie erklärt, warum Metalle duktil und formbar sind und wie Bindungen neu angeordnet werden können, um die Verformung eines Kristalls zu ermöglichen, ohne zu brechen. Einige Leute nennen dieses Elektronenmeer "elektronischen Zement", da es sich bewegen kann, aber unter normalen Bedingungen verfestigt es die Metallatome und hält sie fest und fest.

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