Metaalbinding en metalen

In een metaal zijn de buitenste elektronen van atomen maar zwak aan hun eigen atoom gebonden. De buitenranden van de elektronbanen liggen dicht tegen elkaar aan en elektronen kunnen makkelijk van het ene atoom naar het andere "overstappen". Dat geeft uiteraard wel een verschuiving van lading: het overstappende elektron maakt het atoom waar het naartoe gaat elektrisch negatief, het atoom waar het vandaan komt is nu positief geladen. Deze ladingverschillen worden snel gecompenseerd door andere elektronen die ofwel in "het positieve gat vallen", ofwel de negatieve opeenhoping "ontvluchten" door zelf naar een ander atoom te verhuizen.

De binding die op deze manier tussen de atomen ontstaat heet metaalbinding.

Het gevolg van de vrije beweging van de valentie-elektronen heeft tot gevolg dat een metaal beschreven kan worden als een vast rooster van positief geladen atoomresten, de atoomromp, en een negatief geladen elektronengas.

Dit heeft verschillende gevolgen:

Metaalbinding
Atoomromp
Elektronengas

Metalen zijn goede elektrische geleiders

Doordat elektronen makkelijk van het ene naar het andere atoom kunnen overstappen is maar een klein potentiaalverschil nodig om elektronen door een metaal te laten bewegen. Bovendien is het niet nodig dat een elektron dat aan de ene kant in het metaal komt, er zelf ook aan de andere kant weer uitgaat. Je kunt het vergelijken met een bank vol mensen: als er met een klap iemand aan de linkerkant bij gaat zitten, valt er aan de rechterkant iemand van de bank af. Dat is per saldo minder moeilijk dan zelf over de hele bank van links naar rechts (en over alle knieën!) schuiven.

Geleid elektriciteit

Metalen zijn goede warmtegeleiders

De temperatuur van een voorwerp wordt bepaald door de snelheid van bewegen van de atomen en moleculen waar het van gemaakt is. In een metaal zijn dit de atoomrompen en de toevallig op dat moment aanwezige valentie-elektronen. Op het moment dat een elektron van de ene atoomromp naar de andere overstapt, neemt het ook zijn deel van de warmtebeweging mee. Deze warmtebeweging komt dan bij het ontvangende atoom terecht, dat daardoor (een deel van) de warmtebeweging overneemt van het eerste atoom. Door de grote snelheid waarmee elektronen van het ene atoom naar het andere springen verspreidt de warmtebeweging van een atoom zich snel door het hele stukje metaal.

Geleid warmte

Als wij een metaal vasthouden is onze hand meestal warmer dan het metaal. De eerste atomen die onze hand raken nemen warmte op uit de huid en gaan sneller bewegen. De warmtebeweging wordt naar andere atomen in het stukje metaal geleid, waardoor de eerste atomen afkoelen en meer warmte uit de huid opnemen. de uitgaande warmtestroom uit onze huid ervaren wij als "Het voelt koud.". Metalen voelen normaal gesproken koud aan

Omgekeerd, als het metaal warmer is dan de huid wordt de warmtebeweging van de eerste atomen die de huid raken op de huid overgedragen: binnenkomende warmtebeweging ervaren wij als: warm. De atomen die onze huid raken zijn een deel van hun warmtebeweging kwijtgeraakt en vullen dit via de bewegelijke elektronen aan uit de rest van het metaal. Ook deze nieuwe warmte wordt weer overgedragen op de huid. Afhankelijk van het temperatuurverschil tussen je hand en het metaal ervaar je de temperatuur van het metaal nu als warm, heet of gloeiend heet. Je reactie zal overeenkomstig zijn: prettig om 's winters vast te houden, je kunt het vasthouden maar niet te lang of meteen laten vallen en je hand onder de kraan.

De smid van het openluchtmuseum i Arnhem gebruikt de werkhandschoen als slechte warmtegeleider om het hete metaal te hanteren.

Een erg koud stuk metaal is meestal bedekt met een dun laagje condens of rijp. Als je dit metaal oppakt zal de warmte die uit je hand naar het metaal stroomt de rijp ontdooien door de warmte van je hand. De warmte wordt echter snel door het metaal verspreid, waardoor de ontdooide plek afkoelt. Via je huid wordt nieuwe warmte naar het metaal gebracht. Dit gaat niet zo snel als het metaal de warmte kan afvoeren naar de rest ervan. De ontdooide plek koelt af en zal weer bevriezen. Vloeibaar water dat bevriest hecht zich goed aan voorwerpen waar het tegenaan zit: je huid en het stukje metaal. Je hand vriest aan het metaal vast. Doe je dit experiment in plaats van met je hand met je lippen of je tong dan vriezen je lippen of tong vast. Erg lastig - en pijnlijk - om weer los te komen.

Metalen zijn vervormbaar

Een derde effect dat samenhangt met de binding tussen metaalatomen is de vervormbaarheid van metalen. Een stukje metaal kan relatief makkelijk verbogen of platgeslagen worden. De atoomrompen schuiven iets langs elkaar. De valentieschillen maken opnieuw contact, het elektronengas kan weer vrij bewegen en de atoomrompen zijn weer aan elkaar gekoppeld.

Het opnieuw vormen van de metaalbinding verloopt niet zo goed als wanneer het gesmolten metaal afkoelt tot een vast stof: de atoomresten zitten niet optimaal ten opzichte van elkaar. Het gevolg is dat de nieuwe binding niet zo sterk is als de oude verbinding tussen de atoomrompen. De plek waar de verschuiving optrad is een zwakkere plaats geworden. Bij opnieuw buigen zal op de zwakkere plek eerder een verschuiving optreden dan in de rest van het metaal. Afhankelijk van het metaal treedt vroeg of laat metaalmoeheid op:

het metaal breekt. Koper is erg goed bestand tegen metaalmoeheid, ijzer tot op zekere hoogte. Aluminium is er niet tegen bestand. Een voorwerp van aluminium kan verbogen worden zonder te breken, een poging tot terugbuigen is fataal.

Vervormbaar

Metalen mengen makkelijk

Doordat metalen hun valentie-elektronen makkelijk delen, delen ze die ook makkelijk met elkaar. De elektronen in de valentieschil stappen bijna net zo makkelijk over op een atoom van hetzelfde metaal als een atoom van een ander metaal. Een dergelijk metaalmengsel heet een alliage of legering.

Mengen goed

Bekende legeringen zijn brons (koper en tin), messing (koper en zink) en roestvrij staal (ijzer en chroom, nikkel, koolstof en/of mangaan, molybdeen, vanadium, titanium).

Legeringen
Een bronzen standbeeld.

De verwoeste stad van Ossip Zadkine