Metallische Bindung

Grundidee und Eigenschaften

Metallische Bindungen oder Metallbindungen sind chemische Bindungen, die in Metallen und Legierungen vorkommen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass frei bewegliche, delokalisierte Elektronen in einem Metallgitter vorhanden sind. Delokalisiert bedeutet, dass die Elektronen nicht fest zu einem einzelnen Atom gehören, sondern sich im Gitter bewegen können.

Das Metallgitter besteht aus Metallkationen beziehungsweise positiv geladenen Atomrümpfen, die als dichte Kugelpackung angeordnet sind. Zwischen diesen positiven Metallionen und den freien Elektronen wirken elektrostatische Anziehungskräfte. Diese Kräfte stabilisieren das Gitter.

Die metallische Bindung erklärt wichtige makroskopische Eigenschaften von Metallen: elektrische Leitfähigkeit, metallischen Glanz und Duktilität. Duktilität bedeutet Schmiedbarkeit oder Verformbarkeit. Einzelne Atome der entsprechenden Elemente besitzen diese Eigenschaften nicht; sie entstehen erst durch die besondere Bindung im Metallverband.

Da Glanz und Duktilität auch bei nichtmetallischen Stoffen auftreten können, reicht ihr Auftreten allein nicht als Nachweis für einen metallischen Leiter. Eine notwendige Bedingung ist ein negativer Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit: Bei steigender Temperatur muss sich die elektrische Leitfähigkeit des Materials verschlechtern.

Elektronengasmodell

Die Entstehung der metallischen Bindung lässt sich im einfachen Elektronengasmodell erklären. Die Außenelektronen, auch Valenzelektronen genannt, befinden sich auf der äußersten Schale der Metallatome. Sie sind nur schwach gebunden und können daher leicht vom Atom abgetrennt werden.

Im Metall entsteht ein periodisch angeordnetes Gitter aus positiv geladenen Metallionen, den sogenannten Atomrümpfen. Diese tragen jeweils die Rumpfladung. Die abgegebenen Außenelektronen sind keinem einzelnen Atom mehr zugeordnet und können sich nahezu frei im Gitter bewegen. Man bezeichnet sie als Elektronengas oder Elektronengaswolke. Dieses Elektronengas lässt sich als Fermigas beschreiben, benannt nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi.

Durch die elektrostatische Anziehung zwischen den Atomrümpfen und dem Elektronengas entsteht eine ungerichtete Bindung. Die delokalisierten Elektronen bewirken die gute elektrische Leitfähigkeit und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen. Beide nehmen mit steigender Temperatur ab, weil die Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, zunehmen und die Ladungsträger stärker gestreut werden. Das einfache Elektronengasmodell kann jedoch keine quantitativen Aussagen, zum Beispiel zur elektrischen Leitfähigkeit, liefern.

Bändermodell und Gittertypen

Das quantenmechanische Bändermodell stammt aus der Molekülorbitaltheorie und ist komplexer als das Elektronengasmodell. Es ermöglicht zuverlässige quantitative Aussagen zur elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, zum Photoelektrischen Effekt und zu vielen weiteren messbaren Phänomenen.

In beiden Modellen bilden die positiv geladenen Atomrümpfe ein Metallgitter oder einen Metallkristall. Die Atomrümpfe sind darin periodisch angeordnet, ähnlich wie Ionen in einem Ionengitter. Es gibt verschiedene Gittertypen.

Ein kubisch flächenzentriertes Gitter, auch kubisch dichteste Packung genannt, tritt bei den Alkali- und Erdalkalimetallen, Aluminium, den Platinmetallen sowie den Münzmetallen Kupfer, Silber und Gold auf. Es ist durch hohe Duktilität gekennzeichnet: Die Atomrümpfe können gegeneinander verschoben werden, ohne dass starke Abstoßung entsteht, weil der Zusammenhalt durch die delokalisierten Elektronen erhalten bleibt.

Ein hexagonal flächenzentriertes Gitter, auch hexagonal dichteste Kugelpackung genannt, tritt unter anderem bei den recht spröden Metallen Magnesium, Titan, Cobalt und Zink auf. Bei Übergangsmetallen ist wegen der gerichteten Bindung zwischen den d-Orbitalen auch das raumzentrierte kubische Gitter stabil. Wichtige Vertreter dieser sehr spröden und harten Metalle sind Wolfram, Chrom und Eisen; reines Gusseisen ist spröde. Andere Gittertypen sind bei unlegierten Metallen eher selten.

Vorkommen und Mischformen

Eine reine metallische Bindung tritt bei metallischen Elementen, also Metallen, und bei Legierungen auf. Legierungen sind Mischungen von Metallen.

Andere metallische Festkörper zeigen Mischformen chemischer Bindungen. Einige Salze besitzen zum Beispiel eine Übergangsform zwischen ionischer und metallischer Bindung. Sie können metallisch glänzen, sind aber farbig oder leiten Strom nur in eine Richtung gut; solche Stoffe werden als eindimensionale Metalle beschrieben.

Auch Kunststoffe, also Polymere, die normalerweise durch kovalente Bindung geprägt sind, können mit metallischen Eigenschaften hergestellt werden. Dazu werden delokalisierte Elektronen gezielt durch das Einfügen von Doppelbindungen in die Substanz „eingebaut“.

Bei sehr hohem Druck kann sogar Wasserstoff (H₂), der normalerweise gasförmig und ein elektrischer Isolator ist, metallische Eigenschaften annehmen. Es wird angenommen, dass solcher metallischer Wasserstoff zum Beispiel in den Gasriesenplaneten Jupiter und Saturn vorkommt.

Die Beispiele zeigen, dass die Begriffe kovalente Bindung, ionische Bindung und metallische Bindung zwar gut verständlich sind, aber Zwischenbereiche nur vereinfacht beschreiben. Für solche Fälle kann die Molekülorbitaltheorie bessere Beschreibungen und Vorhersagen liefern.