Exkurs: Warum leiten Metalle den elektrischen Strom?

Warum Metalle den elektrischen Strom leiten, kann mit Hilfe der „Metallbindung“ erklärt werden. Bekanntermaßen leiten nicht alle Stoffe den elektrischen Strom. So leiten beispielsweise Holz und Plastik nicht den Strom. Kohle und alle Metalle (wie zum Beispiel Eisen, Kupfer, Gold, usw.) leiten diesen jedoch. Warum manche Stoffe „elektrisch leitend“ sind und andere Stoffe nicht, liegt in der Atomstruktur der Stoffe. Die Erklärung warum Metalle den elektrischen Strom leiten, bedient sich dabei einer Theorie die man „Metallbindung“ nennt. Diese Theorie kann auch erklären, warum Metalle zum Beispiel so hart sind oder warum sie glänzen oder warum sie verformbar sind. Ursprünglich - und daher auch der Name - wurde sie entwickelt um erklären zu können wie die Metall-Teilchen zusammenhalten und warum sie nicht auseinander fallen. Um diese Theorie zu verstehen, ist es hilfreich sich noch einmal mit dem Aufbau eines Atoms vertraut zu machen. Deswegen ist dies, dem eigentlichen Thema vorangestellt.

Rückblick - Der Aufbau eines Atoms

Meist lernt man in der 7. Klasse auf einer sehr einfachen Ebene, dass jeder Stoff aus winzigen Teilchen besteht. Holz besteht aus Holz-Teilchen, Wasser aus Wasser-Teilchen und Eisen aus Eisen-Teilchen. Auch auf dieser Website bediene ich mich im Thema „Die Welt der Stoffe“ dieser Teilchen-Vorstellung. Meine Teilchen zeichne ich dabei sehr gerne als kleine Wesen, mit Gesichtern, Armen und Beinen. Schulbücher verwenden hingegen gerne das sogenannte „Kugelteilchenmodell“, in welchem alle Teilchen kugelförmig sind. Im Thema „Die Welt der Stoffe“ wird auch erklärt, dass sich die Teilchen mit Hilfe ihrer Ärmchen gegenseitig festhalten und deswegen nicht auseinander fallen. Je stärker sie sich festhalten, desto stärker ist auch die Bindung zwischen ihnen und desto mehr Energie benötigt man, um sie auseinander zu bringen. Natürlich handelt es sich dabei um eine sehr einfache (kindliche) Vorstellung. Ausgehend von verschiedenen Naturforschern und Naturwissenschaftlern ab dem etwa 18. Jahrhundert, wurden immer komplexere Modelle und Theorien entwickelt, wie die Teilchen aussehen und sich verhalten. So kennen wir heute 118 verschiedene Elemente. Dabei handelt es sich um „Grundbaustoffe“ aus denen sich alle anderen Stoffe zusammensetzen können. Jedes Element hat ein ganz typischen „Grundbaustein“, das sogenannte Atom. Dieser Begriff geht auf John Dalton zurück. Die Atome verbinden sich miteinander und bilden so neue Stoffe. Wie sie dies tun ist Teil der „Chemischen Bindungslehre“. Ein Unterthema der „Chemischen Bindungslehre“ ist beispielsweise die „Metallbindung“, um die es hier gehen soll. John Dalton lehrte uns, dass Atome kugelförmig und massiv sind. Ernst Rutherford entwickelte aufbauend auf dieser Vorstellung seine Atomtheorie, das sogenannte „Rutherford‘sche Atommodell“, auch „Kern-Hülle-Modell“ genannt. Demnach setzt sich ein Atom aus drei noch kleineren Teilchen, den Elementarteilchen, zusammen. Diese sind das positiv geladene Proton, das neutral geladene Neutron und das negativ geladene Elektron. Proton und Neutron bilden den winzigen aber massereichen Atomkern. Darum befindet sich in sehr großer Bereich, die Atomhülle, welche die Elektronen enthält. Niels Bohr war ein Schüler Rutherfords und forschte auf dem Gebiet der Atome weiter. Rutherford hatte angenommen, dass sich die Elektronen wild in der Atomhülle verteilen. Bohr erkannte jedoch, dass dem nicht so ist. Die Elektronen befinden sich in ganz bestimmten Bereichen. Und in jeden Bereich passt nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen hinein. Das „Bohr‘sche Atommodell“ wird aufgrund seines Aussehens gerne als „Schalenmodell bezeichnet. Nach Bohr gibt es in der Atomhülle verschiedene Bereiche, die wie die Schalen einer Zwiebel angeordnet sind. In die innerste Schale passen maximal zwei Elektronen. In jede weitere Schale passen acht Elektronen. Die Schalen werden der Reihe nach mit Elektronen gefüllt. Das bedeutet erst wenn eine Schale voll ist, wird die nächste Schale angefangen. Die äußerste Schale mit ihren Elektronen wird „Valenzschale“ genannt. Sie ist zum Großteil für die Eigenschaften des Atoms verantwortlich.

Die Oktettregel

Eine vollständig gefüllte Valenzschale mit 8 Elektronen (Oktett) führt dazu, dass ein Atom reaktionsträge, d.h. chemisch stabil ist. Alle Edelgase haben von Natur aus solch eine volle Valenzschale. Alle anderen Elemente versuchen durch verschiedene „Tricks“ diesen Zustand zu erreichen. Alle Edelgase (wie Helium, Neon, Argon usw.) haben eine volle Schale. Diese volle Schale ist dafür verantwortlich, dass alle Edelgase so reaktionsträge sind und kaum chemische Verbindungen eingehen. Alle anderen Elemente (wie Sauerstoff, Eisen, usw. ) versuchen durch verschiedene „Tricks“ solch einen edelgasähnlichen Zustand zu erreichen. Dies bezeichnet man als die „Oktettregel“. Was letztlich zur Metallbindung führt ist der „Trick“ der Metalle die Oktettregel zu erfüllen.  
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Exkurs: Warum leiten Metalle den elektrischen Strom? Impressum Impressum Fehler gefunden? Fehler gefunden? Hinweis: Experimente Hinweis: Experimente Zurück Zurück Weiter Weiter Einleitung  Rückblick: Der Aufbau eines Atoms Warum und wie Metalle den Strom leiten Zusatz  Harte Metalle lassen sich verformen
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Impressum Impressum + - Atomkern aus drei Protonen (+) und vier Neutronen Elektron (-) das den Atomkern umkreist (grauer Kreis) Atomhülle, möglicher Aufenthaltsbereich für die drei Elektronen + + n n n n - - Vorstellung nach Rutherford eines „Lithium-Atoms“:  Es hat gleich viele Protonen wie Elektronen. Deswegen ist es elektrisch neutral. Seine Masse von 7u ergibt sich aus den drei Protonen und vier Neutronen im Atomkern. Der winzige Atomkern: bestehend aus Protonen und Neutronen Die innerste Schale: Maximal 2 Elektronen finden hier Platz. Elektronenkonfiguration von Natrium:  Die linke Grafik zeigt die richtige Elektronenverteilung in den einzelnen Schalen. Zuerst werden die „inneren Schalen“ vollständig besetzt, vor die „Valenzschale“ befüllt wird. Jede weitere Schale bietet maximal 8 Elektronen Platz. Oktett als Vorbild:  Neon erfüllt die Oktettregel von Natur aus. Natrium, Magnesium und Fluor wollen das auch. Die Metallbindung