Gitterstruktur

Metalle nehmen im Maschinenbau eine wichtige Rolle ein. Sie sind im Vergleich zu anderen Stoffen relativ hoch belastbar, besitzen aber dennoch eine ausreichende Duktilität (Verformbarkeit), um unter Belastung nicht sofort zu brechen. Zudem besitzen Metalle eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, was diesen Werkstoffen ein breites Anwendungsspektrum verleiht. Aufgrund dieser besonderen Stellung der Metalle im Maschinenbau wird im Folgenden auf deren atomaren Aufbau näher eingegangen.

Im Kapitel Metallbindung wurde der Aufbau von Metallen in Kürze bereits erläutert. So geben die Metallatome im Atomverbund alle ihre Außenelektronen ab und erreichen auf diese Weise die Edelgaskonfiguration. Es bleiben elektrisch positiv geladene Metallionen zurück (Kationen), die in der Gitterstruktur dann auch als Atomrümpfe bezeichnet werden. Durch die abgegebenen Elektronen bildet sich um die positiven Atomrümpfe herum eine Art "gasförmiger" Zustand der freien Elektronen. Dies bezeichnet man auch als sogenanntes Elektronengas.

Metallbindung, Atomrümpfe, Kation, Metall, Elektronengas

Abbildung: Metallbindung

Auf die Atomrümpfe in einem Metall wirken somit prinzipiell zwei Kräfte ein. Zum einen wirken Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und dem negativ geladenen Elektronengas. Zum anderen wirken zwischen den Metallionen selbst Abstoßungskräfte aufgrund den gleichnamigen Ladungen. Das Elektronengas versucht also die verschiedenen Atomrümpfe anzunähern, während die Atomrümpfe selbst sich gegenseitig abstoßen. Folglich existiert ein Gleichgewichtszustand bei dem sich beide Kräfte gegenseitig kompensieren. In dieser Position zeigt sich eine stabile Lage und die Atomrümpfe halten einen fest definierten Abstand ein. Dies führt schließlich zu einem regelmäßigen Aufbau der Atomstruktur. Eine solche Regelmäßigkeit im atomaren Aufbau wird auch als Kristallstruktur oder Gitterstruktur bezeichnet. Der Stoff selbst wird als kristallin bezeichnet. Die Gitterstruktur kann dabei unterschiedliche Formen annehmen, auf die im nächsten Kapitel dann näher eingegangen wird.

Ein kristalliner Aufbau der Atomstruktur ist ein typisches Merkmal von Metallen. Stoffe, denen hingegen eine solche kristalline Struktur fehlt bezeichnet man als amorph. Typisches Beispiel eines amorphen Stoffes ist Glas, aber auch viele Kunststoffe besitzen eine unregelmäßige Atomstruktur.

Die Abbildung unten zeigt qualitativ die wirkenden Kräfte zwischen zwei Atomrümpfen. In großem Abstand überwiegt dabei die anziehende Wirkung des Elektronengases, sodass sich die beiden Atomrümpfe zunächst gegenseitig annähern. Verringert sich nun der Abstand der beiden Metallionen, so nimmt die Abstoßungskraft mehr und mehr zu und steigt im Vergleich zur anziehenden Wirkung überproportional an. Bei einer zu starken Annäherung ist die abstoßende Kraft hingegen größer, sodass folglich auch der Abstand wieder zunimmt. Es pendelt sich sozusagen ein Gleichgewichtsabstand ein, bei dem beide Kräfte gleich groß sind bzw. eine resultierende Kraft auf die Atomrümpfe verschwindet..

Gitteraufbau, Diagramm, Atomrumpf, Elektronengas, Anziehung, Abstoßung, Kristall

Abbildung: Kräfte zwischen den Atomrümpfen eines Metalls

Video: Gleichgewichtsabstand im Metallgitter

Ein Metall besteht natürlich nicht nur aus zwei Atomen sondern aus einer Vielzahl von Teilchen. Die einzelnen Teilchen verspüren dann nicht nur die Abstoßungskräfte ihrer unmittelbar benachbarten Teilchen sondern auch die Kräfte von weiter weg liegenden Teilchen. Die ganzen Teilchen beeinflussen sich in ihrer elektrostatischen Wirkung somit gegenseitig. Deshalb wird der Atomabstand von zwei benachbarten Atomrümpfen nicht exakt dem Wert entsprechen, welcher man in der oben gezeigten Abbildung mit nur zwei Atomrümpfen erhält.

Der Abstand zweier Atomrümpfe ist eine charakteristische Größe für das entsprechende Metall und wird Gitterkonstante genannt. Die Gitterkonstante liegt in der Größenordnung von rund 250 bis 500 pm. In einem massiven Eisenwürfel mit einer Kantenlänge von 25 mm befinden sich somit rund eine Quadrillionen (1024) Metallatome wieder! Dies entspricht in etwa der Anzahl an 1-Liter-Milchtüten die man bräuchte, um das gesamte Volumen der Erde mit Milch zu füllen!