Metalle bestehen aus positiv geladenen Atomrümpfen (Kationen), die in einem regelmäßigen räumlichen Gitter angeordnet sind. Die Valenzelektronen der Metall-Atome sind nicht an die Atome gebunden und bewegen sich frei durch das gesamte Gitter.
Das Elektronengasmodell
Die frei beweglichen Elektronen bilden das sogenannte Elektronengas. Es hält die positiv geladenen Atomrümpfe durch elektrostatische Anziehung zusammen – das ist die metallische Bindung. Da das Elektronengas keine Richtung vorgibt, ist die metallische Bindung ungerichtet.
Metalleigenschaften – erklärt durch das Teilchenmodell
Elektrische Leitfähigkeit: Freie Elektronen transportieren Ladung durch das Gitter. Wärmeleitfähigkeit: Freie Elektronen übertragen kinetische Energie schnell. Metallischer Glanz: Das Elektronengas absorbiert und re-emittiert Licht aller Wellenlängen. Duktilität: Schichten gleiten aneinander ab, das Elektronengas verteilt sich neu, die Bindung bleibt erhalten. Hohe Schmelztemperaturen: Die starke, ungerichtete metallische Bindung muss erst überwunden werden.
Die drei häufigen Gittertypen
Die meisten Metalle kristallisieren in drei Strukturtypen: kubisch-raumzentriert, kubisch-flächenzentriert und hexagonal dichteste Packung. Die letzten beiden erreichen mit 74 % die maximal mögliche Raumerfüllung für gleich große Kugeln.
Kubisch-raumzentriert
Koordinationszahl 8 · Raumerfüllung 68 % · 2 Atome pro Elementarzelle · Schichtfolge — · Bekannte Metalle: Na, K, Fe (α), Cr, W.
Geometrie der Elementarzelle
Die Elementarzelle ist ein Würfel. An jeder der 8 Ecken sitzt ein Atom, das von 8 benachbarten Zellen geteilt wird (Beitrag: ⅛). Im Mittelpunkt des Würfels sitzt ein weiteres, vollständig zur Zelle gehörendes Atom. Gesamt: 8 × ⅛ + 1 = 2 Atome.
Koordination
Das Raumzentrierungsatom berührt die 8 Eckatome entlang der vier Raumdiagonalen des Würfels. Der Abstand beträgt d = a·√3/2 ≈ 0,866·a. Die nächstgelegenen weiteren Atome sind deutlich weiter entfernt – daher Koordinationszahl 8, nicht 14.
Besonderheit: Polymorphie von Eisen
Eisen wechselt bei 912 °C vom kubisch-raumzentrierten (α-Eisen) zum kubisch-flächenzentrierten Gitter (γ-Eisen). Oberhalb 1394 °C liegt wieder ein kubisch-raumzentriertes Gitter vor (δ-Eisen). Diese Umwandlungen sind für die Stahlherstellung entscheidend.
Die Elementarzelle ist ein Würfel mit Atomen an allen 8 Ecken (Beitrag: ⅛) und in den Mitten aller 6 Würfelflächen (Beitrag: ½). Gesamt: 8 × ⅛ + 6 × ½ = 4 Atome.
Koordination
Jedes Atom hat 12 nächste Nachbarn: 4 in derselben dichtgepackten Schicht, 4 in der Schicht darüber, 4 in der Schicht darunter. Der Abstand beträgt d = a/√2 ≈ 0,707·a.
Schichtfolge ABCABC und Duktilität
Die dichtgepackten Schichten liegen senkrecht zu den vier Raumdiagonalen des Würfels. Diese vier äquivalenten Gleitebenen ermöglichen eine besonders gute Kaltverformbarkeit – etwa von Aluminium (Folien) oder Kupfer (Drähte).
Die primitive Elementarzelle hat die Form eines Rhombus-Prismas. Sie enthält genau 2 Atome (ein A- und ein B-Atom). Das ideale Achsenverhältnis beträgt c/a = √(8/3) ≈ 1,633.
Koordination und Schichtfolge
Jedes Atom hat 12 nächste Nachbarn: 6 in der eigenen hexagonalen Schicht + 3 darüber + 3 darunter. Die Schichten folgen dem ABAB-Muster: Schicht B sitzt in den Vertiefungen von A, dann wiederholt sich A. Das kubisch-flächenzentrierte Gitter hat im Vergleich die Schichtfolge ABCABC.
Vergleich mit kubisch-flächenzentriert
Beide Typen haben Koordinationszahl 12 und 74 % Raumerfüllung. Der einzige Unterschied ist die Schichtfolge. Da die hexagonal dichteste Packung weniger äquivalente Gleitebenen besitzt, sind solche Metalle (z. B. Magnesium, Zink) in der Regel weniger gut kalt verformbar.