Metallische Bindung und Bändermodell

Die meisten der Elemente im Periodensystem sind Metalle. Mithilfe des Elektronengasmodells können viele ihrer Eigenschaften erklärt werden.

Elektronengasmodell

Die Atome in einem Metall sind regelmässig angeordnet, ihre Valenzelektronen sind nur schwach gebunden. Da die äusseren Elektronen sich leicht zwischen den Atomrümpfen bewegen können, wird von einem Elektronengas gesprochen. Durch die elektrostatischen Anziehungskräfte zischen den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen kommt die Metallbindung zustande.

Verformbarkeit

Durch die Beweglichkeit der Atomrümpfe gegeneinander sind Metalle plastisch verformbar. Wirken Kräfte von aussen auf ein Metall, so gleiten die Gitterebenen des Metallgitters aneinander vorbei, ohne dass die Kräfte zwischen ihnen aufgehoben werden.

Elektrische Leitfähigkeit

Metalle leiten elektrischen Strom. Der Grund hierfür ist, dass Elektronen durch das Metallgitter hindurch zum positiven Pol wandern. Steigt die Temperatur, werden die Schwingungen des Metallgitters auch grösser, was den Ladungstransport zunehmend stört. Als Konsequenz daraus sinkt die Leitfähigkeit des Metalls.

Metallischer Glanz

Durch eingestrahltes Licht werden Elektronen im Elektronengas angeregt. Sie geben diese Energie jedoch sofort wieder ab, was sich als Reflexion bemerkbar macht.

Bändermodell

Betrachtest du ein isoliertes Atom, liegen die Energieniveaus der Elektronen in klaren Energieniveaus vor. Näherst du zwei Atome aneinander an, so koppeln ihre Energieniveaus und ihre Anzahl nimmt durch Aufspaltung zu. Betrachtest du nun einen ganzen Kristall, bei dem eine Vielzahl von Atomen miteinander wechselwirken, verschmelzen die Energiezustände zu Energiebändern. Das unterste, nicht mit Elektronen besetzte Energieband ist das Leitungsband. Elektronen können durch Anregung aus dem darunter liegenden sogenannten Valenzband in das Leitungsband gelangen.

Halbleiter

Bei einem Isolator oder Nichtleiter ist die energetische Lücke zwischen Leitungsband und Valenzband so gross, dass auch bei grösserer Anregungsenergie (thermischer Energie) keine Elektronen in das Leitungsband gelangen können. Dieses Material leitet also keinen elektrischen Strom. Ist die Bandlücke jedoch so klein, dass durch thermische Energie oder Absorption eines Photons (Licht) ein Elektron in das Leitungsband gehoben werden kann, wird von einem Halbleiter gesprochen. Zugleich hinterlässt es im Valenzband eine Lücke, die durch benachbarte Elektronen aufgefüllt werden kann. Somit ist im Valenzband die Lücke beweglich. Dies wird auch als Defektelektron oder Elektronenfehlstelle bezeichnet. Bei Raumtemperatur weist ein Halbleiter dadurch eine geringe Leitfähigkeit auf, die entweder durch Temperaturerhöhung oder durch gezieltes Einbringen von Ionen anderer Wertigkeit (Dotierung) gesteigert werden kann.