Der BegriffMetall wird auch fürLegierungen und einigeintermetallische Phasen verwendet, denn der Begriff gilt für alle Materialien, die in fester oder flüssiger Form die folgenden vier charakteristischen metallischenStoffeigenschaften in mehr oder weniger ausgeprägter Form aufweisen:
Duktilität (Verformbarkeit), was die Bildung dünner Bleche oder langer Drähte ermöglicht
metallischer Glanz (Spiegelglanz).
Alle diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffendenAtome mit dermetallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter frei beweglichen Elektronen sind.
Ein einzelnes Atom dieser Elemente hat keine metallischen Eigenschaften; es ist kein Metall. Erst wenn mehrere solcher Atome miteinander wechselwirken können und wenn zwischen ihnen metallische Bindungen bestehen, zeigen solche Atomgruppen(cluster) metallische Eigenschaften.[1]
Einzelne Atome dieser Elemente können sich bei extrem schneller Abkühlung auchamorph zusammenlagern, ohne einKristallgitter zu bilden – sieheMetallisches Glas.
Andererseits können auch Atome von Nichtmetallen unter extremen Bedingungen (Druck) metallische Bindungen eingehen und dann die genannten metallischen Eigenschaften annehmen – siehemetallischer Wasserstoff.
Metalle finden seit Beginn der Zivilisation vielfältige Anwendungen alsWerkstoffe. Unter dem Begriff Metallphysik oder auchMetallkunde beschäftigen sich Physiker und Materialwissenschaftler mit allen Grundlagen, siehe unterFestkörperphysik, und mit Anwendungen, siehe unterMaterialwissenschaft.
Einteilung
Die Elemente, aufgeteilt in Nichtmetalle, Halbmetalle und Metalle. Letztere unterschieden nach Dichte (berechnet für Fm zu Og)[2] Nichtmetall: bis 5 g/cm³ (Halb-)Metall:bis 5 g/cm³ab 5 g/cm³ab 10 g/cm³ab 20 g/cm³
Metalle werden gebildet von den Elementen, die imPeriodensystem der Elemente im Bereich links und unterhalb einer Linie vomBor (B) zumAstat (At) stehen, wobei der metallische Charakter von oben nach unten bzw. von rechts nach links zunimmt. Ganz oben rechts befinden sich dieNichtmetalle, dazwischen dieHalbmetalle. DieNebengruppenelemente bilden ausnahmslos Metalle. Die Grenze zu den Nichtmetallen ist fließend. So haben zum BeispielAntimon,Arsen,Cer undZinn sowohl metallische als auchnichtmetallischeModifikationen.[3]
Für das chemische Verhalten ist auch die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend.
Die (zur Abspaltung dieser Außenelektronen nötige)Ionisierungsenergie ist klein (< 10 eV)
Daraus resultiert, dass derartige Atome sich untereinander nicht über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen Atombindungen vor, z. B. bestehtNatriumdampf zu etwa 1 % aus Na2-Molekülen.
Metallatome ordnen sich vielmehr zu einemMetallgitter, welches aus positiv geladenenAtomrümpfen besteht, während dieValenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind; keines dieser Elektronen gehört mehr zu einem bestimmten Kern. Diese frei beweglichen Elektronen kann man sich als Teilchen einesGases vorstellen, das den Platz zwischen den Atomrümpfen ausfüllt. Da diesesElektronengas unter anderem die guteelektrische Leitfähigkeit der Metalle bewirkt, wird das Energieniveau, auf dem sich die freien Elektronen befinden, als „Leitungsband“ bezeichnet. Die genauen energetischen Gegebenheiten beschreibt dasBändermodell auf Basis desOrbitalmodells.
Aus dieser Bindungsart und diesemGitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
Glanz (Spiegelglanz): Die frei beweglichen Elektronen können fast die gesamte auftreffende elektromagnetische Strahlung bis zu Wellenlängen der Röntgenstrahlung wieder emittieren; so entstehen der Glanz undReflexion; aus glatten Metallflächen werden deshalbSpiegel angefertigt.
Undurchsichtigkeit: Die vorbeschriebene, an der Metalloberfläche stattfindende Reflexion und die Absorption des nicht reflektierten Anteiles bewirken, dass zum Beispiel Licht kaum in Metall eintreten kann. Metalle sind deshalb nur in dünnsten Schichten etwas lichtdurchlässig und erscheinen in der Durchsicht grau oder blau.
Gutethermische Leitfähigkeit: Die leicht verschiebbaren Elektronen nehmen an der Wärmebewegung teil. Sie übertragen zudem die thermische Eigenbewegung der Atomrümpfe (Schwingungen) und tragen so zum Wärmetransport bei, vgl.Wärmeleitung.
Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metall befinden sichKorngrenzen undVersetzungen, die sich schon bei einer Dehnung unterhalb derBruchdehnung bewegen können, das heißt, ohne dass der Zusammenhalt verloren geht; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall, bevor es bricht.
In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen alsKationen auf, d. h., die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz). In einemIonengitter werden die Ionen nur durchelektrostatische Kräfte zusammengehalten.
Bei Verbindungen mitÜbergangsmetallen und bei größerenAnionen (wie demSulfid-Ion) können alle Übergangsstufen zur Atombindung vorkommen.
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Mischungen aus einem Metall und einem oder mehreren anderen Elementen, die metallisch oder nicht-metallisch sein können, heißenLegierungen, wenn diese Mischung die typischen metallischen Eigenschaften aufweist (Verformbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, …), wenn also weiterhin eine metallische Bindung vorliegt.
Legierungen haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem dieHärte und dieFestigkeit sind teilweise um Größenordnungen höher. Ebenso kann sich dieKorrosionsbeständigkeit deutlich erhöhen. Der Schmelzpunkt von Legierungen liegt dagegen oft unter dem der reinen Metalle; bei einer bestimmten Zusammensetzung wird der tiefste Schmelzpunkt erreicht, dasEutektikum.
Als erste gezielt hergestellte Legierung der Menschheitsgeschichte wurde dieBronze genutzt, eine Legierung aus 80 bis 95 % Kupfer und 5 bis 20 % Zinn. Seit langem istStahl die am häufigsten verwendete Legierung; er ist eine Mischung aus Eisen mit Anteilen von Kohlenstoff und teils von weiteren Elementen (→Stahllegierung).
Vorkommen
Das Vorkommen einiger Metalle an Land und im Meer im Vergleich Quelle: Meeresatlas – Daten und Fakten über unseren Umgang mit dem Ozean, 2017[5]
DerErdkern besteht zum größten Teil ausEisen, da es erstens in sehr großen Mengen vorkommt, weil es daskernphysikalisch stabilste Element ist, und zweitens aufgrund seiner hohen Dichte.
In derErdkruste dagegen überwiegen die Nichtmetalle, relativ häufige Metalle sindAluminium,Eisen,Mangan,Titan,Calcium,Magnesium,Natrium undKalium. Viele seltene Metalle treten aber in ihren Abbaustätten stark angereichert auf.Gesteine, die nutzbare Metalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werdenErze genannt. Zu den wichtigsten Erzen gehören:
Die Metalle werden aus den jeweiligen Erzenmetallurgisch gewonnen.
Manche Edelmetalle, v. a.Gold, kommen auchgediegen, d. h. in reiner Form und nicht als Verbindung (Erz oderMineral) vor.
Verwendung
Silbermünze „Eichbaum“ Fünf Reichsmark (1927–1933)Kupferdach in DresdenPreise für Metalle
Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe. Die moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen alsSteinzeit,Bronzezeit,Eisenzeit bezeichnet.
Reine Metalle werden zur Herstellung elektrischer Leitungen genutzt, da sie die größte Leitfähigkeit besitzen. Dafür wird vor allem unlegiertesKupfer undAluminium und selten auchGold verwendet. Ansonsten werden reine Metalle praktisch nie eingesetzt.
Die folgende Liste enthält die wichtigsten Metalle undLegierungsbestandteile, keine Verbindungen:
In derAstrophysik istMetall anders definiert, siehe dazuMetallizität; hier bezeichnet es jedes chemische Element oberhalb einer bestimmtenOrdnungszahl (meist höher alsHelium). Das sind alle durchKernfusion in Sternen oder durchSupernovae entstandenen Elemente, wogegenWasserstoff und Helium (zusammen mit einigen Spuren vonLithium) als durch denUrknall entstanden gedacht werden. Die Metallizität eines Sterns hängt mit seinem Entstehungszeitpunkt zusammen (siehePopulation).
Es wird angenommen, dass Wasserstoff im Inneren von hinreichend schwerenGasplaneten in den metallischen Zustand (im Sinne der chemischen Metalldefinition) übergehen kann; diesermetallische Wasserstoff ist wahrscheinlich auch für das extrem starkeMagnetfeld desJupiter verantwortlich. Metallischer Wasserstoff trägt aber nicht zur astrophysikalischenMetallizität des Objekts bei, in dem er vorkommt.
AlsMetalle werden in derHeraldik dieTinkturen (Wappenfarben)Gold undSilber bezeichnet. Bei Wappenmalereien wird als Ersatz für Gold die FarbeGelb und als Ersatz für Silber die FarbeWeiß verwendet.
Ikora, Verfahren zur farblichen Veränderung zwecks Dekoration
Literatur
Zur Geschichte der Metalle
Karl Otto Henseling:Bronze, Eisen, Stahl. Bedeutung der Metalle in der Geschichte (=Rororo. rororo-Sachbuch 7706 =Kulturgeschichte der Naturwissenschaften und der Technik. Bd. 6). Rowohlt, Reinbek bei Hamburg 1981,ISBN 3-499-17706-4.
Franz Zippe:Geschichte der Metalle. Wien 1857; Neudruck Wiesbaden 1967.
Adelbert Rössing:Geschichte der Metalle. Berlin 1901.
Zu den Metallen
Erhard Hornbogen, Hans Warlimont:Metalle – Struktur und Eigenschaften der Metalle und Legierungen, Springer, 6. Auflage, 2016,ISBN 978-3-662-47952-0.
Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf Georg Weissenhorn (Hrsg.):Handbuch der experimentellen Chemie. Sekundarbereich II. Band 5:Chemie der Gebrauchsmetalle. Aulis-Verlag Deubner, Köln 2003,ISBN 3-7614-2384-5.
Zur Metallkorrosion
W. Tödt:Messung und Verhütung der Metallkorrosion. Walter de Gruyter & Co., Berlin 1941 (ReiheArbeitsmethoden der modernen Naturwissenschaften).
Weblinks
Wiktionary: Metall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Metalle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
