Alle Metalle haben ähnliche Eigenschaften, anhand derer wir sie charakterisieren – sie haben beispielsweise einen metallischen Glanz, eine hohe Dichte und sind elektrisch leitfähig. Dennoch unterscheiden sich die Metalle voneinander vor allem darin, wie gut sie verformbar sind. Hast du dich schon einmal gefragt, wieso beispielsweise Gold gut zu verformen und zu Schmuck zu verarbeiten ist, während ein Magnesiumband schnell bricht, wenn man es verbiegt (Abb. 1). Dies hängt mit der Anordnung der Metall-Atome auf der Teilchenebene zusammen. In diesem Artikel erfährst du, auf welche unterschiedlichen Arten sich die Metall-Atome auf der Teilchenebene anordnen können und welchen Einfluss dies auf die Verformbarkeit der Metalle hat.
Gitterstruktur der Metalle
Bis auf Quecksilber sind alle Metalle bei Raumtemperatur fest. Dies liegt daran, dass sich die Metall-Atome auf der Teilchenebene in Gitterstrukturen anordnen und die Metall-Atome somit jeweils einen festen Platz im Gitter einnehmen. Vielleicht weißt du schon, dass es bei Ionenverbindungen, wie z. B. den Salzen, viele verschiedene sogenannte Gittertypen gibt. Bei den Metallen ist das nicht so. Dort gibt es hauptsächlich drei verschiedene Varianten, wie sich die Metalle im Metallgitter anordnen.
Wir bezeichnen die unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten als sogenannte Gittertypen bzw. als Kugelpackung. Wenn wir uns Metalle auf der Teilchenebene anschauen, dann betrachten wir die Metall-Atome als ungeladene Kugeln, die sich nebeneinander im Gitter anordnen und leicht berühren. Daher kommt der Name „Kugelpackung“. Bei den Metallen unterscheiden wir folgende Kugelpackungen:
- hexagonal-dichteste Kugelpackung,
- kubisch-dichteste Kugelpackung und
- kubisch-innenzentrierte Kugelpackung.
Dichteste Kugelpackungen
Bei zwei von den drei hauptsächlich vorkommenden Kugelpackungen in Metallen handelt es sich um sogenannte „dichteste“ Kugelpackungen. Eine dichteste Kugelpackung liegt dann vor, wenn die Anordnung von gleich großen Kugeln so erfolgt, dass sie den kleinsten Raum beanspruchen. Die Kugeln sind also sehr dicht aneinander angeordnet. Bei dichtesten Kugelpackungen ist jede einzelne Kugel, also jedes Atom, von zwölf weiteren Atomen umgeben (Abb. 2).
Hexagonal-dichteste Kugelpackung
In Abbildung 3 siehst du eine Pyramide aus dichtesten gepackten Kugeln. Beim Aufeinanderstapeln der Kugeln werden die Kugeln der jeweils nächsten Schicht in die Lücken der darunter liegenden Schicht gelegt. In der Pyramide kommt es dadurch dazu, dass sich die Kugeln jeder zweiten Schicht genau übereinander befinden. Um dies zu verdeutlichen, sind in Abbildung 3 die Schichten unterschiedlich farbig gekennzeichnet. Die Kugeln der roten Schichten befinden sich jeweils übereinander, ebenso wie die der holzfarbenen Schichten. Da sich die Anordnung der Kugeln in jeder zweiten Schicht wiederholt, sprechen wir auch von der Schichtenfolge ABAB. Eine solche Anordnung hast du auch bei einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung (Abb. 4). Diese Anordnung von Teilchen wird auch Magnesium-Typ genannt, weil die Magnesium-Atome des Metalls Magnesium auf der Teilchenebene in diesen abwechselnden Schichten auf dichteste Weise angeordnet sind. Neben Magnesium bilden beispielsweise auch Titan und Zink auf der Teilchenebene die hexagonal-dichteste Kugelpackung aus. Ebenso wie Magnesium sind diese Metalle zwar verformbar, aber bei höheren Temperaturen eher spröde.
Kubisch-dichteste Kugelpackung
Bei der kubisch-dichtesten Kugelpackung liegen die Atome der dritten Schicht nicht über denen der ersten Schicht. Die Atome ordnen sich auch hier in jeder Schicht so an, dass sie in den Lücken der darunter liegenden Schicht liegen. Es gibt jedoch bei der dritten Schicht zwei verschiedene Möglichkeiten, welche Lücke gefüllt wird. Je nachdem, welche Lücke gefüllt wird, bildet sich entweder die zuvor beschriebene hexagonal-dichtestes Kugel Packung (Abb. 4) mit der Schichtenfolge ABAB aus oder es kann sich nun auch die Schichtenfolge ABCABC ausbilden (Abb. 5). Bei dieser Schichtenfolge ist erst die vierte Schicht deckungsgleich zur ersten. Die Anordnung der Metall-Atome nach der Schichtenfolge ABCABC nennen wir kubisch-dichteste Kugelpackung. Wichtige Metalle unseres Alltags, wie Aluminium, Kupfer, Gold und Silber, liegen in dieser kubisch-dichtesten Kugelpackung vor. Sie wird daher auch der Kupfer-Typ genannt. Die Metalle des Kupfer-Typs lassen sich meistens sehr gut schmelzen und verformen.
Kubisch-innenzentrierte Kugelpackung
Die dritte Anordnungsvariante der Metall-Atome in einem Metallgitter heißt kubisch-innenzentrierte Kugelpackung. In dieser Kugelpackung ist jedes Metall-Atom würfelförmig, also kubisch, und nur von acht weiteren Atomen umgeben (Abb. 6). Zum Vergleich ist bei den dichtesten Kugelpackungen jedes Atom von zwölf weiteren Atomen umgeben. Die Anordnung der Atome erfolgt bei der kubisch-innenzentrierten Kugelpackung also nicht auf die dichteste Weise. Daher ist diese Anordnungsvariante keine dichteste Kugelpackung. Durch die räumliche Anordnung der Atome in diesem Gittertyp wird folglich deutlich mehr Raum eingenommen als bei den dichtesten Kugelpackungen. Die Schichtenfolge ist ABAB. Das heißt, es gibt zwei sich wiederholende Schichten, wie bei der hexagonal-dichtesten Kugelpackung. Die Alkalimetalle, wie z.B. Lithium und Natrium sowie die Metalle Eisen, Niob und Chrom sind Beispiel für Metalle, die auf der Teilcheneben die kubisch-innenzentrierte Kugelpackung aufweisen.
Auswirkung der Kugelpackung auf die Verformbarkeit der Metalle
Die Art der Kugelpackung, die auf der Teilcheneben vorliegt, hat Auswirkungen auf die Eigenschaften der jeweiligen Metalle. Vor allem bei der Verformbarkeit der Metalle lassen sich Unterschiede in Abhängigkeit der vorliegenden Kugelpackung feststellen.
Kubisch-dichteste Kugelpackung
- Bei dem Schichtentyp ABC in der kubisch-dichtesten Kugelpackung haben wir die meisten stabilen Schichten von Metallatomen vorliegen.
- Die Metallatome können gegeneinander verschoben werden, sodass es sich um ein eher weiches Metall handelt, das gut verformt werden kann.
- Die Metalle mit kubisch-dichtester Kugelpackung auf der Teilchenebene sind daher gut verformbar und gut schmiedbar, wie z.B. Silber und Gold, die zur Schmuckherstellung verwendet werden.
- Das Metall Eisen weist bei Raumtemperatur eine kubisch-innenzentrierte Struktur auf. Wird es jedoch erhitzt, wandelt es sich bei Temperaturen von über 900°C um in Gamma-Eisen (γ-Eisen), welches eine kubisch-dichteste Kugelpackung auf der Teilchenebene aufweist. Daher kann Eisen dann deutlich leichter verarbeitet und verformt werden.
Hexagonal-dichteste Kugelpackung
- Magnesium als Vertreter der hexagonal-dichtesten Kugelpackung mit der Schichtenfolge ABAB hat weniger stabile Schichten von Metallatomen, die gegeneinander verschoben werden können. Darum ist Magnesium etwas spröder sowie härter und bricht leichter (Abb. 1).
Kubisch-innenzentrierte Kugelpackung
- Am härtesten und am sprödesten sind meistens die Vertreter der kubisch-innenzentrierten Kugelpackung, wie Chrom oder Wolfram.
- Zugleich sind aber beispielsweise die Alkalimetalle Natrium oder Lithium, die eine kubisch-innenzentrierte Kugelpackung auf der Teilchenebene aufweisen, so weich, dass sie mit dem Messer geschnitten werden können. Dies liegt vermutlich an dem großen Abstand zwischen den Teilchen.
Legierungen
Legierungen bestehen aus mehreren unterschiedlichen Metallen, die miteinander vermischt sind. Die Metallgitter auf der Teilchenebene sind bei Legierungen daher aus unterschiedlichen Metallatomen aufgebaut. Das Gleiten der Schichten aus Metallatomen wird durch die unterschiedlichen Atomgrößen der verschiedenen Metallatome erschwert. Dies merken wir auch auf der makroskopischen Ebene. Die Legierungen sind gegenüber den reinen Metallen, aus denen sie bestehen, meistens härter und spröder.
Zusammenfassung
Die Metall-Atome, die ein Stück Metall bilden, sind auf der Teilchenebene gitterförmig angeordnet. Dabei gibt es im Wesentlichen drei verschiedene Anordnungsmöglichkeiten, die wir Gittertypen nennen. Die Gittertypen heißen kubisch-innenzentrierte Kugelpackung (Schichtenfolge ABAB), kubisch-dichteste Kugelpackung (Schichtenfolge ABCABC) und hexagonal-dichteste Kugelpackung (Schichtenfolge ABAB). Die Art der Anordnung der Metall-Atome auf Teilchenebene hat Auswirkungen auf die Eigenschaften der jeweiligen Metalle, vorallem bei der Verformbarkeit.