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Chemie · Chemische Bindung
Wie Metallatome ihre Valenzelektronen gemeinsam nutzen und was daraus für Leitfähigkeit, Verformbarkeit und Glanz folgt. Dazu die Bändertheorie für Leiter, Halbleiter und Isolatoren.
Im Metall gehören die Valenzelektronen allen Atomen gemeinsam. Positive Atomrümpfe sitzen im Gitter, die Elektronen bewegen sich frei dazwischen.
Metalle haben eine niedrige Elektronegativität und Ionisierungsenergie. Sie halten ihre Valenzelektronen nur schwach, geben sie leicht ab und neigen zur Oxidation.
Diese Elektronen sind delokalisiert: Sie gehören keinem bestimmten Kern, sondern dem ganzen Verband. Stell dir die positiv geladenen Atomrümpfe (das Atom ohne Valenzelektronen) als feste Gitterpunkte vor, die in einem Elektronengas aus frei beweglichen Elektronen sitzen.
Schrittfolge
Deine AufgabeVergleiche gemeinsamen Zusammenhalt, Elektronendrift und das Gleiten einer Gitterebene. Welche Teilchen bewegen sich in welcher Ansicht, und welche Rolle spielt der delokalisierte Elektronenverband?
Schritt 1 von 4
Die Anziehung zwischen Rümpfen und Elektronengas hält das Metallgitter zusammen. Sie wirkt in alle Richtungen, die Bindung ist also ungerichtet. Es gibt keine Metall-Moleküle, nur ein Gitter ohne festes Ende.
Jedes Atom steuert nur wenige Valenzelektronen bei, zu wenige für Atombindungen zu allen Nachbarn. Darum heißt sie Elektronenmangelbindung, und die Atome packen sich dicht: Koordinationszahl 8 oder 12.
| Eigenschaft | Grund |
|---|---|
| Strom leiten | Elektronen sind beweglich |
| Wärme leiten | leichte Elektronen tragen Bewegungsenergie |
| Glanz | Elektronen nehmen Licht auf und geben es ab |
| Duktilität | Gitterebenen gleiten, das Elektronengas hält sie zusammen |
Im elektrischen Feld überlagert eine kleine gerichtete Nettodrift die ungeordnete Bewegung der Elektronen. Gitterschwingungen und Fremdatome streuen sie und erzeugen den Widerstand. Darum leiten Metalle bei Wärme schlechter: Das Gitter schwingt stärker, die Streuung nimmt zu. Bei Kälte ist es umgekehrt.
Supraleiter verlieren unter ihrer Sprungtemperatur jeden Widerstand und verdrängen Magnetfelder (Meißner-Effekt).
Metalle sind duktil, also verformbar. Beim Verschieben einer Gitterebene bleibt das Elektronengas überall dabei, der Zusammenhalt bleibt. Ein Salzkristall dagegen bricht, weil gleiche Ladungen aufeinandertreffen. → Ausführlich in: Ionenbindung
Die Bändertheorie erklärt, warum ein Stoff leitet:
| Typ | Bänder | Leitfähigkeit bei Wärme |
|---|---|---|
| Leiter | teilbesetzt oder überlappend | sinkt |
| Halbleiter | voll, Lücke 0,1 bis 4 eV | steigt |
| Isolator | voll, Lücke über 4 eV | praktisch null |
Wie es dazu kommt, zeigt Lithium:
Das Band mit den Valenzelektronen heißt Valenzband, das darüber Leitungsband. Dazwischen kann eine Bandlücke liegen, in der keine Niveaus existieren. Bei Metallen fehlt sie, entweder durch ein teilbesetztes Band (Lithium) oder durch überlappende Bänder. Schon wenig Energie hebt Elektronen in freie Niveaus.
Beryllium: Seine 2 Elektronen pro Atom füllen das 2s-Band ganz. Ein volles Band bindet netto nicht, weil bindende und antibindende Hälfte besetzt sind. Da das 2s-Band mit dem leeren 2p-Band überlappt, besetzen Elektronen auch bindende 2p-Niveaus: Be hält zusammen und leitet.
Im Halbleiter heben Wärme oder Licht Elektronen über die kleine Lücke. Im Valenzband bleiben Elektronenlöcher (Defektelektronen), über die ebenfalls Ladung wandert. Gezielte Fremdatome (Dotierung) steuern die Leitfähigkeit. Silicium und Germanium stecken in Computerchips.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeOrdne Leiter, Halbleiter und Nichtleiter den Bändern zu und erkläre, warum die Leitfähigkeit bei Metallen mit steigender Temperatur sinkt, bei Halbleitern aber steigt.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
