Metall
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.
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2 Metalle in der Astronomie 3 Metall in der Chinesischen Philosophie |
Metallatome sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
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 Iononengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten.
Aus der Bindungsart und dem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
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.
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:
Manche Edelmetalle, v.a. Gold, kommen auch gediegen vor, d.h. als Element vor.
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.
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 bzw. bei größeren Anionen wie dem Sulfid-Ion alle Übergängsstufen zur Atombindung vorkommen.
Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungenen 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
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.
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.Metalle in der Chemie
Grundsätzliches
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 ca. 1 % aus Na2-Molekülen. Metalle ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, in dem die Elektronen 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.Eigenschaften
Einteilung
Vorkommen
Andere Metallverbindungen wie Kochsalz oder Kalk werden dagegen nicht als Erze bezeichnet.Gewinnung
Verbindungen
Verwendung
Siehe auchMetalle in der Astronomie