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Elektronengasmodell von Metallen

Elektronengasmodell
Schon um 1900 wurde von DRUDE und LORENZ das Elektronengasmodell der metallischen Bindung entwickelt. Demnach sind in Metallen die Valenzelektronen delokalisiert, d.h. sie sind nicht an ein bestimmtes Atom gebunden und können sich ähnlich wie Gasatome im Gasraum frei bewegen. Deshalb werden die Valenzelektronen auch als Elektronengas bezeichnet. Die verbleibenden positiven Atomrümpfe besetzen die Gitterplätze. In Aluminium z. B. nehmen die kugelförmigen Al3+-Rümpfe nur etwa 18% des Gesamtvolumens des Metalls ein, während das Elektronengas 82% des Volumens beansprucht.

Abb. 3: Elektronengasmodell am Beispiel von Aluminium
Mit diesem Modell lassen sich viele Eigenschaften der Metalle darstellen. Die Existenz des Elektronengases erklärt die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit der Metalle. Beim Anlegen einer Spannung wandern die Elektronen des Elektronengases in Richtung Anode. Mit steigender Temperatur sinkt die Leitfähigkeit, weil durch die mit wachsender Temperatur zunehmenden Schwingungen der positiven Atomrümpfe eine wachsende Störung der freien Beweglichkeit der Elektronen erfolgt.
Demonstration: Durch das Eintauchen eines Plastiklöffels und eines Metalllöffels in eine heiße Flüssigkeit wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Metall im Vergleich zu einem anderen Material (Kunststoff) demonstriert.Weiterhin wird durch das Eintauchen eines Löffels aus Memory-Metall (Legierung: Nitinol) in die heiße Flüssigkeit (Löffel mit Memory – Metall - Einlage klappt zusammen) demonstriert, dass andere Metalle (hier Legierung!) auch andere Reaktionen auf Hitzeeinwirkung zeigen können.
Exkurs: LegierungenLegierungen sind Gemische aus zwei oder mehreren Metallen, denen gelegentlich auch noch weitere nichtmetallische Stoffe wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor oder Stickstoff zugesetzt werden. Legierungen können u. a. durch Zusammenschmelzen der einzelnen Bestandteile, durch Sintern oder durch Reduzieren der entsprechenden...

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