Metallische Bindung

Als metallische Bindung oder Metallbindung bezeichnet man die chemische Bindung, wie sie bei Metallen und in Legierungen vorliegt. Diese ist durch das Auftreten von frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen im Metallgitter gekennzeichnet, die unter anderem für die makroskopischen Eigenschaften elektrische Leitfähigkeit, metallischer Glanz, Duktilität (Schmiedbarkeit, Verformbarkeit) verantwortlich sind. Sie wird durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Metallionen und freien Elektronen verursacht.

Entstehung

Metallgitter: positive Atomrümpfe umgeben von frei beweglichen Elektronen

Die Außenelektronen (Valenzelektronen) der Metalle, die sich auf der äußersten Schale befinden, sind nur schwach gebunden und können daher leicht vom Atom abgetrennt werden. Im Metall bildet sich deshalb ein Gitter aus positiv geladenen Metallionen, den sogenannten Atomrümpfen, welche jeweils die Rumpfladung tragen. Die abgegebenen Außenelektronen sind nun nicht mehr einem einzelnen Atom zugeordnet und können sich innerhalb des Gitters nahezu frei bewegen. Dies nennt man Elektronengas oder Elektronengaswolke. Mitunter benennt man das Elektronengas auch Fermigas nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi. Dies führt ferner dazu, dass keine feste Bindung zwischen Atomrümpfen und Elektronen besteht und die Bindung daher ungerichtet ist.

Die delokalisierten Elektronen bewirken die gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle, welche mit steigender Temperatur abnimmt. Der Grund dafür liegt in den ebenso zunehmenden Gitterschwingungen (Phononen), welche die Ladungsträger mit steigender Temperatur immer stärker streuen. Diese empirischen Eigenschaften der Metalle lassen sich direkt aus dem Bändermodell ableiten.

Die positiv geladenen Atomrümpfe bilden ein sogenanntes Metallgitter (Metallkristall), in dem sie analog zum Ionengitter periodisch angeordnet sind. Hierbei sind verschiedene Gittertypen möglich. Häufig tritt ein kubisch flächenzentriertes Gitter bei Alkali- und Erdalkalimetallen auf. Für Übergangsmetalle ist aufgrund der gerichteten Bindung zwischen den d-Orbitalen auch das raumzentrierte kubische Gitter stabil. Andere Gittertypen sind bei unlegierten Metallen eher selten.

Vorkommen

Eine rein metallische Bindung tritt bei metallischen Elementen (Metallen) und Legierungen (Mischungen von Metallen) auf. Andersartige metallische Festkörper weisen Mischformen von chemischen Bindungen auf. Einige Salze zeigen z.B. eine Übergangsform zwischen ionischer und metallischer Bindung, da diese metallisch glänzen, aber farbig sind, bzw. Strom nur in eine Richtung gut leiten (eindimensionale Metalle). Es ist aber auch gelungen, Kunststoffe (Polymere, die normalerweise durch kovalente Bindung gekennzeichnet sind) mit metallischen Eigenschaften herzustellen. Hier wurden delokalisierte Elektronen in die Substanz durch das gezielte Einfügen von Doppelbindungen „eingebaut“. Bei sehr hohem Druck kann sogar der normalerweise gasförmige Stoff und elektrische Isolator Wasserstoff (H₂) metallische Eigenschaften annehmen. Man nimmt an, dass dies zum Beispiel bei den „Gasriesenplaneten“ Jupiter und Saturn der Fall ist.

Hierdurch wird deutlich, dass die Ausdrücke kovalente Bindung, ionische Bindung und metallische Bindung zwar leichter verständlich sind, aber für Zwischenbereiche die Molekülorbitaltheorie bessere Beschreibungen und Vorhersagen treffen kann.