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Metalle

Gruppe chemischer Elemente
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Metalle sind die größte Gruppe der chemischen Elemente, etwa 80 % der Elemente sind Metalle. Im Periodensystem der Elemente sind sie nicht bestimmten Reihen oder Perioden zugeordnet, vielmehr befinden sie sich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Polonium. Oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle.

Metalle in der Chemie

Grundsätzliches

Metallatome sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

Daraus ergibt sich, dass Metallatome sich nicht wie viele Nichtmetalle über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen solche Atombindungen vor, z. B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na2-Molekülen. Metalle ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, in dem die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind, man spricht auch von einem Elektronengas. In dem Elektronengas ordnen sich die positiv geladenen Atomrümpfe. Eine exaktere Betrachtung unter Berücksichtigung des Orbitalmodells liefert das Energiebändermodell.

In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz). In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten.

Eigenschaften

Aus der Bindungsart und dem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:

  • Undurchsichtigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen (dadurch dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus => Orbitale gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie viele Wellenlänge absorbieren und deshalb entsteht eine grau bis schwarze Farbe)
  • Glanz, bedingt durch leicht verschiebbare Elektronen an der Oberfläche (dadurch dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus => Orbitale gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie die ganze zuvor aufgenomme Energie wieder emittieren => deshalb der Glanz)
  • Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metallgitter befinden sich Versetzungen, die sich schon bei einer Spannung unterhalb der Trennspannung bewegen können; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall eher, als dass es bricht
  • Hoher Schmelzpunkt durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte
  • Gute Elektrische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen
  • Gute Thermische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen
  • z. T. ferromagnetisch z.B. Eisen, Nickel, Kobalt
  • zum größten Teil nicht korrosions- und säurebeständig

Einteilung

Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle, nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle.

Daneben ist gerade für das chemische Verhalten die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend.

Vorkommen

Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen, da es das physikalisch stabilste Element ist.

In der Erdkruste dagegen überwiegen die Nichtmetalle, relativ häufige Metalle sind Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Kalzium, Magnesium, Natrium und Kalium. Viele seltene Metalle treten aber in ihren Abbaustätten stark angereichert auf, sodass sich ein Abbau lohnt.

Gesteine, die klassische Werkmetalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werden Erze genannt. Zu den wichtigsten Erzen gehören:

Andere Metallverbindungen wie Kochsalz oder Kalk werden dagegen nicht als Erze bezeichnet.

Manche Edelmetalle, v. a. Gold, kommen auch gediegen vor, d. h. als Element vor.

Gewinnung

Zur Gewinnung der reinen Metalle müssen die Erze reduziert werden. Bei relativ edlen Metallen (wie Eisen) geschieht dies mit Kohle im Hochofen.

Unedle Metalle können durch noch unedlere reduziert werden.

Sehr unedle Metalle können nur durch Elektrolyse ihrer geschmolzenen Salze gewonnen werden.

Reinigung von Metallen

Einige wenige Metalle mit einem Siedepunkt von bis zu maximal 1000°C können direkt destilliert werden. Dazu gehören Zink, Cadmium und Quecksilber. Andere Metalle müssen erst in eine flüchtige Verbindung überführt werden, um sie anschließend zu destillieren. Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Reinigung von Uran, als UF6, Titan, als TiCl4 oder Silicium, als SiHCl3 angewendet.
Die am häufigsten verwendeten Verfahren zur Metallreinigung beruhen auf dem chemischen Transport. Dabei wird ein Quarzrohr in einen heißen, etwa 130°C, und einen kalten Teil, etwa 80° C geteilt. Anschließend reagiert das Metall mit einer geeigneten Komponente zu einer flüchtigen Verbindung. Da die Triebkraft des chemischen Transportes der Energietransport ist, findet bei einer endothermen Reaktion der Transport von der heißen Seite zur kalten Seite statt und bei einer exothermen Reaktion von der kalten Seite zur heißen Seite. Diese Methode wird beispielsweise zur Reinigung von Nickel mit dem Mond-Verfahren verwendet. Für extrem hohe Reinheiten, wie sie zum Beispiel in der Mikro-Elektronik von Silicium und Germanium verlangt werden, eignet sich das extrem teure Zonenschmelzen.

Siehe auch:Affinerie

Verbindungen

Die Verbindungen oder auch Lösungen von verschiedenen Metallen miteinander heißen Legierungen. Diese haben z. T. völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem die Härte ist teilweise um Größenordnungen höher. Ebenso ist vielfach die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöht. Reine Metalle werden praktisch nicht verwendet.

Mit vielen Nichtmetallen werden Ionenverbindungen eingegangen, wobei aber gerade bei Übergangsmetallen beziehungsweise bei größeren Anionen wie dem Sulfid-Ion alle Übergängsstufen zur Atombindung vorkommen.

Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungen gebildet, wobei sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters befinden, ohne dieses wesentlich zu verändern. Diese Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften wie die Elektrische Leitfähigkeit.

Metallkationen, v. a. die der Nebengruppenmetalle, bilden mit Basen (Wasser, Ammoniak, Halogeniden, Cyanid u. v. a.) Komplexverbindungen, deren Stabilität nicht allein durch die elektrostatische Anziehung erklärt werden kann.

Metalle in höheren Oxidationsstufen bilden auch Komplexanionen, z. B. löst sich Chromtrioxid CrO3 in Kalilauge unter Bildung des Chromat-Anions CrO42-: CrO3 + 2 KOH -> K2CrO4 + H2O

Verwendung

Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe. Unsere moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet.

Die folgende Tabelle enthält die wichtigsten Metalle und Legierungsbestandteile, keine Verbindungen.

Metalle in der Astronomie

In der Astronomie bezeichnet Metall jedes chemische Element mit einer Ordnungszahl höher als Helium. Diese Unterscheidung ist sinnvoll, da Wasserstoff und Helium zusammen mit einigen Spuren von Lithium die einzigen Elemente sind, welche im Universum auftreten, ohne ein Produkt der Kernfusion innerhalb von Sternen zu sein. Die Metallizität von Objekten des Weltraums kann daher als Indikator für seine stellare Aktivität aufgefasst werden.

Metall in der Chinesischen Philosophie

Metall bezeichnet ein Element der traditionellen Chinesischen Philosophie.

Siehe auch

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