9.14: Bindungen bei Metallen

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Drüde called the “Electron Sea Model”. 

Electron Sea Model

Most metal atoms do not possess enough valence electrons to enter into an ionic or covalent bonding. However, the valence electrons in metal atoms are loosely held due to their low electronegativity or attraction with the nucleus. The ionization energy of metal atoms (energy required to remove an electron from the atom) is low, facilitating the easy removal of valence electrons from the parent atom. The atom forms a positively charged metal ion, while the free outer electrons exist as negatively charged delocalized electron clouds. These electrons can be shared by multiple neighboring metal-cations through a strong, attractive force between these negatively and positively charged species. Such an attractive force between the negatively charged electrons and metal cations is called metallic bonds, holding the atoms together. This electron sea model accounts for most physical properties of metals such as conductance to heat and electricity, high melting and boiling points, malleability, and ductility.

Metallic Solids

The electron sea model accounts for several metallic properties, including high thermal and electrical conductivity, metallic luster, ductility, and malleability. The delocalized electrons can conduct both electricity and heat from one end of the metal to another with low resistance. The metallic bond is not between two specific metal atoms, but between metal ions and many delocalized electrons, allowing metals to deform under pressure and heat without shattering or breaking. Different metals, such as iron, mercury, or copper, differ in their physical properties, reflecting the difference in metallic bond strength among the metals.

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms: all exhibit high thermal and electrical conductivity, metallic luster, and malleability. Many are very hard and quite strong. Because of their malleability (the ability to deform under pressure or hammering), they do not shatter and, therefore, make useful construction materials. The melting points of the metals vary widely. Mercury is a liquid at room temperature, and the alkali metals melt below 200 °C. Several post-transition metals also have low melting points, whereas the transition metals melt at temperatures above 1000 °C. These differences reflect differences in the strength of metallic bonding among the metals.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.

Eine Metallbindung ist eine Bindung zwischen zwei Metallatomen. Im Vergleich zu Nichtmetallen haben Metalle niedrige Ionisierungsenergien, wodurch sie leicht Valenzelektronen verlieren können. Dies verleiht der Metallbindung im Gegensatz zu ionischen und kovalenten Bindungen unterschiedliche Eigenschaften.

Metallische Bindungen und die meisten ihrer Eigenschaften können mit Hilfe des Elektronen-wolkenmodells erklärt werden. Betrachten Sie das Metall Kalium. Aufgrund der niedrigen Ionisierungsenergie kann jedes Kaliumatom leicht sein Valenzelektron verlieren und zu einem Kation werden.

Diese Kalium-Kationen werden in einem engem Gitter zusammengehalten, da sie vom negativ geladenen Elektronen angezogen werden. Diese Elektronen sind nicht auf ein einzelnes Ion beschränkt, sondern sind gleichmäßig verteilt und können sich im Metall relativ frei bewegen. Das Modell der Elektronenwolke berücksichtigt mehrere wichtige Eigenschaften von Metallen.

Wenn beispielsweise eine Spannungsdifferenz an einen Metalldraht, wie Kupferdraht, angelegt wird, bewegen sich die negativ geladenen Elektronen frei zum positiven Ende des Drahtes hin und erzeugen einen elektrischen Strom. Aus diesem Grund sind die meisten Metalle ausgezeichnete elektrische Leiter. Im Gegensatz dazu sind ionische Verbindungen in ihrer festen Form nicht elektrisch leitend, können aber Elektrizität leiten, wenn sie in Wasser gelöst sind.

Das liegt daran, dass bei einer festen Ionenverbindung Elektronen vom Metall auf das Nichtmetall übertragen werden, aber auf ein Ion beschränkt bleiben. Wenn sie jedoch in Wasser gelöst werden, dissoziieren die Kationen und Anionen und können sich bewegen, wenn sie einer Potentialdifferenz ausgesetzt werden, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Metalle sind auch ausgezeichnete Wärmeleiter.

Nach dem Elektronenwolken-Modell, wenn an einem Ende des Metalls Wärme angelegt wird, bewegen sich die Elektronen frei und verteilen die Wärme schnell im Metall. Metalle können aufgrund ihrer Verformbarkeit leicht zu Blechen oder aufgrund ihrer Duktilitätseigenschaft zu Drähten verarbeitet werden. Da es in Metallen keine festen Bindungen gibt, können die Metallatome aneinander vorbeigleiten und sich leicht verformen.

Elektronen fließen dann in die neue Form, um sich der Verformung anzupassen.