Die Valenzelektronen von Metallatomen werden abgegeben und bilden so 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.
Valenzelektronen von Metallatomen
Über 90% der Metalle kristallisieren in Form der dichtesten Kugelpackung. Dabei kristallisieren die Metalle hauptsächlich in drei verschiedenen Gittertypben bzw. Formen von dichtesten Kugelpackungen: die hexagonal dichteste Kugelpackung(der Magnesium-Typ), die kubisch dichteste Kugelpackung (der Kupfer-Typ) und die kubisch innenzentrierte Kugelpackung.
Beispiel für das kubisch raumzentrierte Metallgitter:
kubisch raumzentriertes Metallgitter
Die dichteste Kugelpackung kann man sich als Schichten von einzelnen Kugeln vorstellen. Dabei hat man eine untereste 1. Schicht aus Kugeln. Anschließend kommt die 2.Schicht an Kugel. Diese 2. Schicht von Kugel ist so angeordnet, dass die Kugeln (der 2. Schicht) sich immer in den Vertiefungen der 1. Schicht befinden.
Bei der dichtesten Kugelpackung bilden sich somit zwei Schichten die versetzt aufeinander liegen. Dieses Muster der dichtesten Kugelpackung ist für alle drei dichtesten Kugelpackungen gleich. Der Unterschied findet sich in der 3. Schicht.
Die dichtesten Kugelpackungen
Es gibt drei wesentliche Modelle der dichtesten Kugelpackung, die fast 90% aller Metalle aufweisen.
Ca. 60% aller Metalle weisen eine kubisch-dichteste bzw. hexagonal-dichteste Kugelpackung auf. Die anderen ca. 30% besitzen ein kubisch-innenzentriertes Gitter.
Dabei weisen die Metalle in der kubisch (und hexagonal) dichtesten Kugelpackung eine Koordinationszahl von 12 auf, d.h jedes Metallkation ist unmittelbar (in der gleichen Schicht) von 6 Nachbarn umgeben,
Kugelpackung
dazu 3 Kugeln aus der oberen Schicht und 3 Kugeln aus der unteren Schicht.
Kugelpackung – 2. Schicht
Das bedeutet, dass die Metallionen an den Ecken eines Würfels (eines hexagonalen Körpers), sowie sich in der Mitte der Würfelebenen (in der Mitte der Flächen) befinden (Beispiel: Kupfer, Silber, Aluminium). Der Unterschied liegt in der Gestaltung der Schichten, die kubisch dichteste Packung hat eine ABCABC-Schichtfolge, während die hexagonal dichteste Kugelpackung eine ABAB-Schichtfolge hat.
In dem kubisch raumzentrierten (auch kubisch innenzentriert genannt) Metallgitter weisen die Metallatome nur eine Koordinationszahl von 8 auf, d.h. die Metallionen befindet sich auf den Ecken eines Würfels und zusätzlich nur noch (ein Metallion) im Zentrum des Würfels (in der Mitte der 6 Würfelebenen befinden sich keine Metallionen).
Eine Kugelpackung ist eine Anordnung von Kugeln (in unserem Fall von Atomen), die den Raum möglichst effizient ausfüllt.
Die zwei wichtigsten Arten von Kugelpackungen in Metallen sind die hexagonal dichteste und die kubisch flächenzentrierte Kugelpackung.
Die Anordnung der Atome in einer Metallstruktur ist relevant für Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnbarkeit, Leitfähigkeit und vieles mehr.
Die Packungsdichte bezeichnet den Anteil des Raumes, der von den Kugeln (Atomen) in einer gegebenen Kugelpackung ausgefüllt wird.
Die Packungsdichte berechnet man, indem man das Volumen aller Kugeln durch das Volumen der kleinsten umgebenden geometrischen Figur teilt.
In einer hexagonal dichtesten Kugelpackung werden die Kugeln in hexagonalen Mustern angeordnet, während sie in einer kubisch flächenzentrierten Kugelpackung ein kubisches Muster aufweisen.
Die Art der Kugelpackung beeinflusst Eigenschaften wie die Festigkeit und Dehnbarkeit des Metalls. Beispiel: Metalle mit hexagonal dichtester Kugelpackung neigen dazu, weniger dehnbar zu sein als jene mit kubisch flächenzentrierter Kugelpackung.
Ja, die Kugelpackungsart eines Metalls kann durch Änderungen der Temperatur oder des Drucks verändert werden.
Silber weist eine kubisch flächenzentrierte Kugelpackung auf.
Fehler in der Kugelpackung eines Metalls können dessen Eigenschaften beeinflussen, einschließlich Festigkeit und Haltbarkeit.