Warum sind Metalle biegbar ( Duktil )?
Frage ist oben. Bitte möglichst einfach aber mit Fachbegriffen erklären, wieso Metalle diese Eigenschaft haben. Danke im Vorraus.
1 Antwort
Dass dies mit der Metallbindung zusammenhängt, dürftest du schon gefunden haben, z. B. auf Wikipedia.
Eine Grafik zum Thema habe ich auf http://www.schule-studium.de/Chemie/Metallbindung.html ganz unten gefunden - leider mit zu wenig Text dabei.
Wir haben ja im wesentlichen drei Typen von chemischer Bindung - die Atombindung (kovalente Bindung), die Ionenbindung (ionische Bindung, Salzbindung) und die Metallbindung.
Kovalente Bindungen haben grundsätzlich einen bestimmten Winkel zu ihren Nachbarbindungen am selben Atom. Dieser Winkel kann in einem gewissen Maß verzerrt werden, aber bei zu starker Verzerrung reißt eine der Bindungen, und bei weniger starken Verzerrungen stellt sich das System elastisch zurück. Das bedeutet, dass es hier keine Duktilität gibt.
Die Coulomb-Kräfte (elektrostatische Kräfte) in den Salzkristallen (ionische Bindung) sind zwar auch ungerichtet, aber hier wechseln sich Ionen mit verschiedenartigen Ladungen im Kristallgitter ab. Wenn man einen Salzkristall ein klein wenig verformt, stellt er sich elastisch zurück, wenn man ihn so stark verformt, dass Ionen gleicher Ladung sich gegenüberstehen, bricht er natürlich auseinander.
In Metallen hat man die Metallbindung - hier "schwimmen" die Metallionen in ihrem gemeinsamen "Elektronensee". Wir haben hier auch einen Zusammenhalt durch Coulomb-Kräfte, aber im Gegensatz zu Salzen ist hier eine Art von Ladungsträgern (die Elektronen) frei beweglich. Dadurch kann das System vermeiden, dass sich Teilchen gleicher Ladung direkt gegenüberstehen - der Elektronensee ist flüssig genug, sich der Verzerrung anzupassen.
(Man spricht auch oft vom Elektronengas - weil die Dichte der Elektronen sich ändern kann -, aber hier passt das Wort See besser.)
Natürlich gibt es auch hier bevorzugte Anordnungen der Metallionen, aber die Energieunterschiede (Energiedifferenzen) bei Verzerrung sind ziemlich gering. Etwa so, als wenn man einen Bollerwagen über Wellblech zieht - es ist nicht unbedingt leicht, aber es geht (ohne direktes Anheben). Im Gegensatz zum Fall, dass man den Bollerwagen einen hohen Bordstein hinaufziehen will. (Dies entspricht Metall- bzw. Salzbindung.)
Wenn man den Bollerwagen über eine Welle des Wellblechs hinübergezogen hat oder eine Atomschicht im Metallkristall einen Atomabstand (eine Gitterkonstante im Kristall) weitergeschoben hat, ist das System wieder in einem ähnlichen Gleichgewichtszustand wie vorher.
Durch die Verformungen des Kristalls entstehen auch Gitterfehler (Gitterfehlstellen), besonders wenn man den Kristall nicht schert (Parallelverschiebung), sondern biegt. Fehlstellen in Metallen werden z. B. hier erwähnt: http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/metall/14-gitterfehler - alle diese Fehler, die keine Fremdatome erfordern, entstehen beim Verformen von Metallen.
Durch diese Gitterfehler werden weitere Verformungen schwieriger - das Metall wird härter und spröder.
