|
Elektronengasmodell
Bereits 1900 entwickelten DRUDE und LORENZ das Elektronengas (In der Festkörperphysik ist das Freie-Elektronen-Modell ein einfaches Modell für das Verhalten von Valenzelektronen in einer Kristallstruktur eines metallischen Festkörpers) Modell der metallischen Bindung (Metallbindung ergibt sich aus der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen leitenden Elektronen und positiv geladenen Metallionen) . Dementsprechend werden die Valenzelektronen in Metallen delokalisiert, d.h. sie sind nicht an ein bestimmtes Atom gebunden (Ein Atom ist die kleinste Bausteineinheit der gewöhnlichen Materie, die die Eigenschaften eines chemischen Elements aufweist) und können sich ähnlich wie Gasatome frei im Gasraum bewegen. Daher werden die Valenzelektronen auch als Elektronengas bezeichnet. Die verbleibenden positiven Atomkörper nehmen die Gitterplätze ein. In Aluminium (Aluminium oder Aluminium ist ein chemisches Element in der Bor-Gruppe mit Symbol Al und Ordnungszahl 13), zum Beispiel machen die kugelförmigen Al3+-Rümpfe nur etwa 18% des Gesamtvolumens des Metalls aus, während das Elektronengas 82% des Volumens ausmacht.
Abb. 3: Elektronengasmodell am Beispiel von Aluminium
Viele Eigenschaften von Metallen lassen sich mit diesem Modell darstellen. Die Existenz von Elektronengas erklärt die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit von Metallen. Beim Anlegen einer Spannung bewegen
sich die Elektronen des Elektronengases in Richtung der Anode (Eine Anode ist eine Elektrode, durch die konventioneller Strom in eine polarisierte elektrische Vorrichtung fließt). Mit steigender Temperatur sinkt die Leitfähigkeit, da die mit der Temperatur zunehmenden Schwingungen der positiven Atomkörper eine zunehmende Störung der freien Beweglichkeit der Elektronen verursachen.
Demonstration: Durch das Eintauchen eines Kunststofflöffels und eines Metalllöffels in eine heiße Flüssigkeit wird die gute Wärmeleitfähigkeit (in der Physik ist die Wärmeleitfähigkeit die Eigenschaft eines wärmeleitenden Materials) von Metall im Vergleich zu einem anderen Material (Kunststoff) nachgewiesen. Darüber hinaus wird durch das Eintauchen eines Memory-Metalllöffels (Legierung: Nitinol (Nickel-Titan, auch bekannt als Nitinol, ist eine Metalllegierung aus Nickel und Titan, bei der die beiden Elemente in etwa gleichen Atomprozenten z.B.) ) in der heißen Flüssigkeit (Löffel mit Speichermetall (Eine Formgedächtnislegierung ist eine Legierung, die sich an ihre ursprüngliche Form “erinnert” und die bei Erwärmung in ihre vorgeformte Form zurückkehrt) Einlage kollabiert), wird nachgewiesen, dass andere Metalle (hier Legierung!) zusammenbrechen.) kann auch zeigen anders Reaktionen auf Wärme.
Exkurs: AlloysAlloys sind Mischungen aus zwei oder mehr Metallen, auf denen andere nichtmetallische Substanzen wie Kohlenstoff, Silizium (Carbon/Silicon ist ein Punk-Rock-Duo, das aus zwei erfahrenen Punk-Rock-Musikern besteht: Mick Jones, ehemals von The Clash and Big Audio Dynamite, und Tony James, ehemals von Generation X und Sigue Sigue Sigue Sputnik ), Phosphor (Phosphor ist ein chemisches Element mit Symbol P und Ordnungszahl 15) oder Stickstoff (Stickstoff ist ein chemisches Element mit Symbol N und Ordnungszahl 7) werden gelegentlich hinzugefügt. Legierungen können durch Verschmelzen der einzelnen Komponenten untereinander, durch Sintern (Sintern ist der Prozess des Verdichtens und Bildens einer festen Materialmasse durch Wärme oder Druck, ohne sie bis zum Verflüssigungspunkt zu schmelzen) oder durch Reduktion der entsprechenden Rohstoffe hergestellt werden. Werden nach dem Abkühlen in der Legierung einheitliche Mischkristalle gebildet, die aus Atomen aller Legierungsbestandteile bestehen, spricht man von einer homogenen Legierung. Eine heterogene Legierung liegt dagegen vor, wenn die Kristalle der einzelnen Legierungsbestandteile unverändert nebeneinander in der Mischung enthalten sind. Die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von Legierungen unterscheiden sich oft erheblich von denen ihrer Bestandteile. Zum Beispiel, Kupfer und Zinn sind relativ weiche Metalle, während eine Legierung aus 75-80% Kupfer (Kupfer ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29) und 25-30% Zinn sehr hart ist und wird verwendet wie Glockenbronze. Darüber hinaus können freie Elektronen Licht aller Wellenlängen absorbieren. Dadurch erscheinen die Metalle undurchsichtig. Die Grauweißer Glanz der meisten Metalle entsteht durch die Reflexion von Licht aller Wellenlängen.