Die Bindungen zwischen Atomen bzw. Ionen sind verantwortlich für den Aufbau von Stoffen. Allen Bindungstypen ist gemeinsam, dass sie aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen entstehen (entgegengesetzt geladene Teilchen ziehen sich an). So beruht die bindende Wechselwirkung (Ionenbindung) bei Salzen auf den gegenseitigen Anziehungs- und Abstoßungskräften von Kationen bzw. Anionen unter- und miteinander. Analog gilt dies auch bei der Metallbindung. Die Metallbindung ist eine chemische Bindung (bei Metallen), die durch Anziehungskräfte zwischen positiv geladenen Metallatomen und freien Elektronen gebildet wird.
Wie aus den Grundlagen der Allgemeinen Chemie bekannt, besitzen Metallatome eine eher niedrige Elektronegativität. Damit ist das Bestreben in einer Verbindung Bindungselektronen anzuziehen viel geringer als im Vergleich zu den Nichtmetallen. Daher sind die Valenzelektronen von Metallatomen nur schwach gebunden und können daher leicht abgetrennt werden. So bilden sich positiv geladene Metallionen, die sogenannte Atomrümpfe, die das Metallgitter bilden. Die abgegebenen Valenzelektronen sind nun nicht mehr an einem einzelnen Metallatom gebunden und bewegen sich innerhalb des Gitters nahezu frei.
Prinzip der Metallbindung
Das Prinzip der Metallbindung ist, dass alle Metallatome alle Valenzelektronen abgeben. Da in dem Metall kein anderer “Bindungspartner” vorhanden ist, der die Elektronen aufnimmt, können sich die Elektronen im gesamten Metallgitter frei bewegen. Wie eingangs erwähnt, wird die Metallbildung nun durch die elektrischen Anziehungskräfte zwischen den Elektronen und den positiv geladen Metallionen aufgebaut. Die Valenzelektronen wechseln aber nicht nur mit einem Metallatom , sondern mit mehreren. Da sich die Valenzelektronen im Metallgitter frei bewegen können, liegt bei der Metallbindung eine Anziehung zwischen diesen frei beweglichen Elektronen und positiv geladenen Atomrümpfen vor. Daher liegt bei der Metallbindung (im Vergleich zur Atombindung) auch eine ungerichtete Bindung vor.
Im Rahmen der Allgemeinen Chemie auf Lernort-Mint werden die Metallbindung kurz vorgestellt. Die Modellvorstellung der Metallbindung (als Bindungstyp) bei Metallen und Legierungen, die durch die anziehenden Wechselwirkungen zwischen frei beweglichen Elektronen und positiv geladenen Metallatomrümpfen in einem Metallgitter aufgebaut wird. Dieses Modell hat den Vorteil, dass es anschaulich und leicht zu verstehen ist. Grundlagen für dieses Modell der Metallbindung war das Bohrsche Atommodell und die Coulombsche Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen.
Im Rahmen der (fortgeschrittenen) Anorganischen Chemie wird die Metallbindung näher betrachtet, dazu gehört beispielsweise der Aufbau eines Metallgitters durch die Bildung von dichtesten Kugelpackungen. Im weiteren geht es um das sogenannte Bändermodell, dass erklärt, wie Metallbindungen zustande kommen.
Grundlage dieses Modells sind die ehemaligen (Valenz)Elektronen die zwischen den Atomrümpfen frei beweglich sind. Wie wir in folgenden Kapiteln sehen, werden diese frei beweglichen Elektronen auch als Elektronengas bezeichnet. Hierbei bereits erwähnt, das Elektronengas keinen gasförmigen Zustand ausbildet. Analog zu den frei beweglichen Teilchen eines Gases befinden sich auch im Elektronengas (in der Metallbindung) in einem frei beweglichen Zustand, daher auch der Name Elektronen”gas”.
Die Metallbindung ist ein Typ chemischer Bindung, der sich zwischen den Atomen von Metallen bildet. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bildung von metallischen Festkörpern und beeinflusst deren Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Glanz.
Metallbindungen entstehen durch die Abgabe von Valenzelektronen von Metallatomen. Diese Elektronen werden zu einem sogenannten ‘Elektronengas’ oder ‘Elektronenmeer’, das die positiv geladenen Metallionen umgibt und zusammenhält.
Durch die Metallbindung erhalten Metalle ihre typischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Malleabilität (Verformbarkeit), Duktilität (Ziehbarkeit) und hohen Schmelzpunkt.
Metalle können Strom und Wärme leiten, weil die freien Elektronen im ‘Elektronenmeer’ in der Lage sind, Energie zu transportieren.
Das ‘Elektronensee’-Modell ist eine Vorstellung von der Struktur von Metallen, bei der die Atome ihre Valenzelektronen an einen gemeinsam genutzten Pool (‘See’) von Elektronen abgeben, wodurch ein beständiges Netz positiv geladener Ionen entsteht.
Metallbindungen sind nicht gerichtet, da die Elektronen im ‘Elektronensee’ frei beweglich sind und sich nicht zwischen bestimmten Ionenpaaren lokalisieren lassen. Dies führt zur Verformbarkeit von Metallen.
Die Metallbindung trägt zur Festigkeit von Metallen bei, da sie über die gesamte Struktur eines metallischen Festkörpers wirkt und die Metallionen fest zusammenhält.
Das ‘Elektronenmeer’ ist für das reflektive Verhalten von Metallen verantwortlich. Die Elektronen im ‘Elektronenmeer’ können Licht absorbieren und wieder abgeben, was den Metallglanz erzeugt.
Im Gegensatz zur Ionen- und kovalenten Bindung, bei denen Elektronen ausgetauscht oder gemeinsam genutzt werden, beinhaltet die Metallbindung die Bildung eines ‘Elektronenmeers’ um einen festen Kern aus positiv geladenen Ionen.
Die Metallbindung führt dazu, dass Metallionen eng zusammengepackt sind, was zu einer hohen Dichte von Metallen führt.