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Inhalt Kap. 1 Kap. 2 Kap. 3 Kap. 4 Kap. 5 Kap. 6 Kap. 7 Kap. 8 Kap. 9 Literatur

Vorlesung Chemie der Metalle

1. Einleitung, Allgemeines

1.2. Abgrenzung Metalle - Nichtmetalle


Aus 'chemischer' Sicht sind Metalle die elektropositiven Elemente, die i.A. Kationen bilden. Damit sind als Bindungstypen neben der metallischen vor allem die ionische und zusätzlich die koordinative Bindung (mit ionischen und kovalenten Anteilen) wichtig.

Als offensichtlichstes (s. Abb. 1.2.1.) Kennzeichen metallischer Elemente können zunächst jedoch genannt werden:

Natrium Magnesium Gallium
Mangan Nickel Molybdän
Abb. 1.2.1. Fotos einiger typischer metallischer Elemente

Weitere Eigenschaften von metallischen Elementen und Legierungen sind:

Die Werte für die Leitfähigkeiten (bzw. der elektrische Widerstand als Kehrwert der Leitfähigkeit) unterschieden sich bei Metallen und Nichtmetallen gravierend, wie Tab. 1.2.1. zeigt.

Leiter Stoffklasse Substanz spezifischer elektr. Widerstand Bandlücke ΔE DOS bei EF
[Ω m] bei 25oC [eV] bei 0 K (s. Abb. 1.2.3)
1. Klasse Metalle Cu 1.7 * 10-8 keine gross
Li 8.6 * 10-8
Halbmetalle As 3.5 * 10-7 0 klein
Bi 1.2 * 10-6
C (Graphit) 0.8 * 10-5
2. Klasse Halbleiter Te 2 * 10-3 0.33 0
Si 6.4 * 102 1.17
Nichtmetalle Glas 109 > 3 eV
S8 1015 2.61 eV
C (Diamant) 1012 5.4 eV
NaCl ? 8.7 eV
Teflon 1023 ?

Tab. 1.2.1. Elektrische Leitfähigkeiten ausgewählter Elemente VL 1.1. unten

Im Übrigen ist der metallische Zustand an kondensierte Stoffe (Flüssigkeiten oder Festkörper) gebunden. Bei Metalldämpfen entfallen eine Reihe charakteristischer Eigenschaften von Metallen.

Für die genaue Eingruppierung ist die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit σ maßgeblich. Danach unterschiedet man in:

Abb. 1.2.2. Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands ρ SVG
Die obenstehende Abbildung 1.2.2. zeigt den typischen Verlauf des elektrischen Widerstands für die beiden Leiterklassen sowie den von Supraleitern.
Meissner-Ochsenfeld-Effekt (1-2-3-Supraleiter, YBa2Cu3O7-x, fliegen lassen)

Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt basiert auf der Eigenschaft der Supraleiter, dass sie perfekte Diamagnete sind, also kein Magnetfeld im Innern aufweisen. Diese Eigenschaft wiederum läßt sich durch einen vom äußeren Magnetfeld induzierten Ringstrom verstehen, der einige 100 Angström in die Oberfläche des Materials eindringt.

Zur Erklärung dieser Abhängigkeit ist wichtig, dass die elektronische Leitfähigkeit neben der Elementarladung der Elektronen (e), von der Zahl der Ladungsträger (N) und deren Beweglichkeit (B) bestimmt wird:

σ = e N B

Die Gruppierung in Metalle und Nichtmetalle aus bindungstheoretischer Sicht ist ebenfalls möglich. Der Unterschied ist der energetische Abstand zwischen besetzten und unbesetzten elektronischen Zuständen im Festkörper. Dieser Abstand entspricht den vom MO-Modell der Molekülchemie bekannten HOMO-LUMO-Abstand. Molekülverbindungen sind damit Nichtmetalle. Im Bänder-Modell des Festkörper entspricht er der Bandlücke, d.h. dem energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband. Danach lassen sich wieder die beiden Leiterklasse unterscheiden
(Erinnerung zu Energie-Einheiten: 1 eV = 100 kJ/mol; RT = 0.025 eV = 2.5 kJ/mol)

Die Grenze zwischen Metallen und Halbmetallen läßt sich nur über die Zustandsdichte am Ferminiveau (s. Tab. 1.2.1, Abb. 1.2.3. und Kap. 1.3.) festlegen. Die Halbmetalle haben ein sehr deutliches Minimum am Ferminiveau, d.h. die Zustandsdichte ist dort deutlich kleiner (bei T = 0 K: DOS(EF) = 0) als bei den echten Metallen.
Abb. 1.2.3. Zustandsichten SVG VL 1.2. oben
Bezüglich der optischen Eigenschaften (s.o.) folgt unmittelbar, dass Stoffe mit Bandlücken zwischen ca. 1.5 und 3 eV (150 bis 300 kJ/mol) farbig (gelb bis schwarz), alle mit kleineren Bandlücken schwarz oder metallisch glänzend sind.

Die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetalle im Periodensystem ist ebenfalls nicht ganz eindeutig zu ziehen. Eine Reihe von Elementen an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen bildet zusätzlich mehrere Modifikationen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften:

Abb. 1.2.4. Details zur Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem SVG VL 1.1. unten rechts
Einige Punkte zur Erläuterung der Grenze Metalle - Nichtmetalle in Abbildung 1.2.4.:

Abb. 1.2.5. Metalle im Periodensystem SVG VL 1.1. Mitte
Hieraus folgt für das weitere Vorgehen in der Vorlesung Chemie der Metalle (Inhaltsübersicht): Wie bereits in der Einleitung angedeutet, werden viele Dinge aus den ersten Semestern nochmals kurz wiederholt bzw. vorausgesetzt. Wirklich neu sind vor allem Aspekte der technisch wichtigen Verfahren, die Strukturchemie von Metallen und Ionenkristallen und die entsprechenden Bindungskonzepte. Auch die Koordinationschemie ist ein wichtiges Teilgebiet der Chemie der Metalle. Viele Metallverbindungen haben sehr interessante Eigenschaften und sind daher für Anwendungen hochaktuell (Magnetismus, optische Eigenschaften, Homogenkatalysatoren, elektronische und Supra-Leiter, Thermoelektrika, Piezoelektrika usw.). Diese Eigenschaften werden im MSc. im Detail besprochen und hier meist nur kurz angedeutet.

Für alle Metalle gemeinsam sind noch die folgenden beiden Teilkapitel:

Inhalt Kap. 1 Kap. 2 Kap. 3 Kap. 4 Kap. 5 Kap. 6 Kap. 7 Kap. 8 Kap. 9 Literatur
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