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Metalle
Legierungen haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem die Härte und die Festigkeit sind teilweise …
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Begriff und Kennzeichen
Metalle sind chemische Elemente, die im Periodensystem links und unterhalb einer Linie von Bor bis Astat liegen. Rund 80 Prozent der chemischen Elemente gehören dazu. Der Übergang zu den Nichtmetallen verläuft über die Halbmetalle fließend: Einige Halbmetalle besitzen sowohl metallische Modifikationen mit metallischen Bindungen als auch nichtmetallische Modifikationen mit atomaren Bindungen. Der Begriff „Metall“ bezeichnet außerdem Legierungen und bestimmte intermetallische Phasen, sofern sie typische metallische Stoffeigenschaften zeigen.
Vier kennzeichnende Eigenschaften sind eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die mit steigender Temperatur abnimmt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und metallischer Glanz. Duktilität bedeutet Verformbarkeit und ermöglicht die Herstellung dünner Bleche oder langer Drähte. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist auch der Grund, weshalb sich Metalle kühl anfühlen.
Diese Eigenschaften beruhen auf der metallischen Bindung und ihren im Gitter frei beweglichen Elektronen. Ein einzelnes Atom eines metallischen Elements ist daher noch kein Metall. Erst mehrere miteinander wechselwirkende Atome mit metallischen Bindungen zeigen metallische Eigenschaften. Metallatome können sich bei extrem schneller Abkühlung auch ohne Kristallgitter amorph anordnen; dabei entsteht metallisches Glas. Umgekehrt können Nichtmetalle unter extremem Druck metallische Bindungen und Eigenschaften annehmen, beispielsweise metallischer Wasserstoff.
Einteilung und metallische Bindung
Metalle werden traditionell nach ihrer Dichte in Leichtmetalle und Schwermetalle sowie nach ihrer Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle eingeteilt. Unedle Metalle sind gute Reduktionsmittel, geben also bei chemischen Reaktionen leicht Elektronen ab. Für das chemische Verhalten ist außerdem wichtig, ob ein Element zu den Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems gehört. Alle Nebengruppenelemente sind Metalle.
Der metallische Charakter nimmt im Periodensystem von oben nach unten und von rechts nach links zu. Nichtmetalle befinden sich überwiegend oben rechts, Halbmetalle im Übergangsbereich. Die Grenze ist nicht eindeutig: Antimon, Arsen und Zinn besitzen beispielsweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen.
Für den metallischen Zustand haben Atome typischerweise nur wenige Elektronen in ihrer äußeren Schale; deren Zahl ist kleiner als die Koordinationszahl, also die Zahl der nächsten Nachbaratome. Zudem ist die zur Abspaltung der Außenelektronen notwendige Ionisierungsenergie klein und liegt unter 10 eV. Deshalb verbinden sich Metallatome untereinander normalerweise nicht durch gerichtete Atombindungen zu Molekülen oder Atomgittern. Eine Ausnahme kann Metalldampf sein: Natriumdampf besteht etwa zu 1 Prozent aus Na₂-Molekülen.
Im Metallgitter sitzen positiv geladene Atomrümpfe. Die Valenzelektronen sind über das gesamte Gitter verteilt und keinem einzelnen Atomkern zugeordnet. Dieses bewegliche „Elektronengas“ ermöglicht unter anderem den elektrischen Strom. Sein Energiebereich heißt Leitungsband; die genaueren Energieverhältnisse beschreibt das Bändermodell auf Grundlage des Orbitalmodells.
Physikalische Eigenschaften
Die metallische Bindung erklärt die wichtigsten physikalischen Eigenschaften:
• Glanz und Reflexion: Frei bewegliche Elektronen können fast die gesamte auftreffende elektromagnetische Strahlung bis zu Wellenlängen der Röntgenstrahlung wieder aussenden. Daher glänzen Metalle, und glatte Metallflächen können als Spiegel dienen.
• Undurchsichtigkeit: Ein großer Teil des Lichts wird an der Oberfläche reflektiert, der Rest absorbiert. Nur äußerst dünne Metallschichten sind etwas lichtdurchlässig und erscheinen in der Durchsicht grau oder blau.
• Elektrische Leitfähigkeit: Elektrischer Strom entsteht durch die gerichtete Bewegung der frei beweglichen Elektronen.
• Wärmeleitfähigkeit: Die Elektronen beteiligen sich an der Wärmebewegung und übertragen außerdem die Schwingungen der Atomrümpfe.
• Duktilität: Korngrenzen und Versetzungen im Metall können sich schon vor dem Bruch verschieben. Abhängig vom Gittertyp lässt sich ein Metall deshalb verformen, ohne dass sein Zusammenhalt sofort verloren geht.
• Relativ hoher Schmelzpunkt: Er beruht auf den in alle Richtungen wirkenden Anziehungskräften zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den beweglichen Elektronen. Diese Wirkung ist jedoch schwächer als die elektrostatische Anziehung zwischen Ionen in Salzkristallen.
Die Werte verschiedener Metalle unterscheiden sich stark. Bei 1013 hPa schmilzt Quecksilber bei −38,83 °C, Caesium bei 28,44 °C, Eisen bei 1538 °C und Wolfram bei 3422 °C. Als hochschmelzend gelten Metalle mit einem Schmelzpunkt T_E über 2000 K beziehungsweise über dem Schmelzpunkt von Platin: T_E,Platin = 2045 K = 1772 °C. Dazu zählen Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium sowie bestimmte Metalle der Gruppen IVB bis VIIB, darunter Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Technetium und Rhenium.
Auch Dichte, Härte sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit variieren erheblich. Silber erreicht eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 427 W/(m·K) und damit ungefähr das 50-Fache von Mangan. In der Tabelle des Artikels besitzt Silber mit 61,35 · 10⁶ S/m die höchste aufgeführte elektrische Leitfähigkeit, gefolgt von Kupfer mit 58,1 · 10⁶ S/m.
Chemisches Verhalten und Legierungen
In Verbindungen mit Nichtmetallen treten Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, also als positiv geladene Ionen. Sie geben ihre äußeren Elektronen vollständig an Nichtmetallatome ab. Dadurch entstehen Ionenverbindungen beziehungsweise Salze, deren Ionengitter durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten werden. Bei Übergangsmetallen und größeren Anionen wie dem Sulfid-Ion sind jedoch Übergänge bis hin zur Atombindung möglich.
Mit Wasserstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff können Metalle Einlagerungsverbindungen bilden. Dabei sitzen Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters, ohne dessen Aufbau wesentlich zu verändern. Solche Stoffe behalten typische Metalleigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit. Metallkationen, besonders jene der Nebengruppenmetalle, bilden außerdem mit Basen wie Wasser, Ammoniak, Halogeniden oder Cyaniden Komplexverbindungen. Metalle in hohen Oxidationsstufen können Komplexanionen bilden. Ein Beispiel ist die Reaktion von Chromtrioxid mit Kalilauge zu Kaliumchromat und Wasser: CrO₃ + 2 KOH → K₂CrO₄ + H₂O.
Legierungen sind Mischungen aus einem Metall und einem oder mehreren weiteren metallischen oder nichtmetallischen Elementen, die weiterhin typische metallische Eigenschaften und eine metallische Bindung besitzen. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften können sich stark von denen der reinen Ausgangsmetalle unterscheiden. Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit können deutlich steigen. Der Schmelzpunkt liegt häufig unter dem der reinen Metalle. Die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt heißt Eutektikum.
Bronze war die erste gezielt hergestellte Legierung der Menschheitsgeschichte. Sie enthält 80 bis 95 Prozent Kupfer und 5 bis 20 Prozent Zinn. Stahl ist seit Langem die am häufigsten verwendete Legierung; er besteht aus Eisen, Kohlenstoff und teilweise weiteren Elementen.
Vorkommen, Gewinnung und Nutzung
Der Erdkern besteht überwiegend aus Eisen. Der Artikel begründet dies mit dessen großer Häufigkeit als kernphysikalisch stabilstem Element und mit seiner hohen Dichte. In der Erdkruste überwiegen dagegen Nichtmetalle. Vergleichsweise häufige Metalle sind Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium und Kalium.
Gesteine, die nutzbare Metalle in abbauwürdiger Konzentration enthalten, heißen Erze. Wichtige Erzgruppen sind Oxide, Sulfide und Carbonate. Aus ihnen werden Metalle durch metallurgische Verfahren gewonnen. Einige Edelmetalle, besonders Gold, kommen auch gediegen vor, also in reiner Form statt als chemische Verbindung.
Metalle gehören zu den wichtigsten Werkstoffen. Ihre Bedeutung zeigt sich auch in Bezeichnungen wie Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Reine Metalle werden vor allem für elektrische Leitungen eingesetzt, weil sie die höchste Leitfähigkeit besitzen. Dafür verwendet man besonders unlegiertes Kupfer und Aluminium, seltener Gold. Für die meisten anderen Zwecke nutzt man Legierungen.
Eisen ist als Grundlage von Stahl und Gusseisen der wichtigste metallische Werkstoff. Aluminium und Magnesium eignen sich für leichte Werkstücke; Titan wird trotz hoher Kosten im Leichtbau verwendet. Kupfer dient wegen seiner nach Silber zweithöchsten Leitfähigkeit der Elektrotechnik und ist Bestandteil von Bronze und Messing. Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän, Vanadium und Wolfram werden unter anderem zur Verbesserung von Stählen eingesetzt. Zink schützt Stahl durch Verzinken und ist Bestandteil von Messing; Zinn dient unter anderem für Bronze, Lote und Weißblech. Gold, Silber, Platin und Rhodium werden als Schmuckmetalle verwendet, während Palladium, Platin und Ruthenium auch in der Katalyse wichtig sind. Tantal wird für Kondensatoren, Zirconium für Brennstabhüllen und Natrium-Kalium-Legierungen als Kühlmittel in Kernreaktoren eingesetzt.
Andere Bedeutungen des Begriffs
In der Astrophysik hat „Metall“ eine andere Bedeutung als in Chemie und Materialwissenschaft. Dort bezeichnet der Begriff gewöhnlich jedes Element mit einer Ordnungszahl höher als Helium. Solche Elemente entstanden durch Kernfusion in Sternen oder durch Supernovae; Wasserstoff und Helium sowie Spuren von Lithium gelten dagegen als Produkte des Urknalls. Der Anteil der astrophysikalischen Metalle heißt Metallizität und hängt bei einem Stern mit seinem Entstehungszeitpunkt zusammen.
Im Inneren hinreichend schwerer Gasplaneten kann Wasserstoff vermutlich in den metallischen Zustand im chemischen Sinn übergehen. Dieser metallische Wasserstoff ist wahrscheinlich am sehr starken Magnetfeld des Jupiter beteiligt, zählt aber nicht zur astrophysikalischen Metallizität des Planeten.
In der traditionellen chinesischen Fünf-Elemente-Lehre ist Metall eines der fünf Elemente. Aristoteles unterschied verformbare Metalle von nicht schmelzbaren Mineralien anhand verschiedener unterirdischer „Ausdünstungen“: Metalle sollten aus einem in „Luft“ verwandelbaren „wässrigen Dunst“, Steine und Mineralien aus einem in „Feuer“ verwandelbaren „erdigen Rauch“ entstehen. Beide bestanden seiner Vier-Elemente-Lehre zufolge grundsätzlich aus Feuer, Erde, Wasser und Luft.
In der Heraldik, der Lehre von den Wappen, nennt man die Tinkturen Gold und Silber „Metalle“. In gemalten Wappen wird Gold durch Gelb und Silber durch Weiß ersetzt.
