Typische Eigenschaften

Metalle sind durch folgende typische Eigenschaften gekennzeichnet

• Geringe Anzahl an Valenzelektronen,

• Geringe Ionisierungsenergie

• Glanz (Spiegelglanz): Durch die frei beweglichen Elektronen kann die gesamte eingestrahlte Energie unabhängig von der Wellenlänge wieder unverändert emittiert werden.

• Undurchsichtigkeit: Da das gesamte einfallende Licht reflektiert wird, sind Metalle selbst in dünnen Schichten undurchsichtig.

• Gute elektrische Leitfähigkeit: Valenz- und Leitungsband von Metallen überlappen, wodurch Elektronen frei beweglich werden. Beim Vorhandensein eines äußeren elektrischen Feldes fließt ein elektrischen Strom.

• Viele Metalle und Legierungen verlieren beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur Tc sprunghaft ihren elektrischen Widerstand. Tc, heißt aus diesem Grund auch Sprungtemperatur oder kritische Temperatur. Ihr Wert ist materialabhängig und kann durch (von außen anliegende) Magnetfelder gesenkt werden.

• Supraleiter zeigen den Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Magnetfelder unterhalb eines kritischen Wertes werden wegen des verschwindenden Widerstandes aus dem Leiter gedrängt.

• Ein von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort einen Kreisstrom, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Feld aufbaut, welches das äußere kompensiert. Aufgrund des nicht vorhandenen elektrischen Widerstandes wird der Kreisstrom nicht mehr schwächer, das Magnetfeld bleibt erhalten. Durch den Effekt kann eine kleine supraleitende Probe im Magnetfeld zum Schweben gebracht werden.

• Metalle und Legierungen sind Supraleiter 1. Art: magnetische Feldlinien werden in ihnen bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche vollständig aus dem Inneren verdrängt. Das Magnetfeld nimmt an der Oberfläche des Supraleiters exponentiell ab; das charakteristische Maß der Oberflächenschicht ist die so genannte (Londonsche) Eindringtiefe. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Meissner-Phase. Ein Supraleiter 1. Art wird normalleitend, wenn entweder das äußere Magnetfeld einen kritischen Wert Bc oder die Stromdichte durch den Supraleiter einen kritischen Wert Jc überschreitet.

• Gute thermische Leitfähigkeit: die leicht verschiebbaren Elektronen nehmen an der Wärmebewegung teil und tragen so zum Wärmetransport bei.

• Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metallgitter befinden sich Versetzungen, die sich schon bei einer Spannung unterhalb der Trennspannung bewegen können.

• In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden unter Bildung eines Salzes (Ionenverbindung) vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben. In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten.

• Bei Verbindungen mit Übergangsmetallen und bei größeren Anionen (wie dem Sulfid-Ion) können alle Übergangsstufen zur Atombindung vorkommen.

• Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungen gebildet, wobei sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters befinden, ohne dieses wesentlich zu verändern. Diese Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften wie die Elektrische Leitfähigkeit.

• Metallkationen, v. a. die der Nebengruppenmetalle, bilden mit Basen (Wasser, Ammoniak, Halogeniden, Cyanid u. v. a.) Komplexverbindungen.

• Hoher Schmelzpunkt: durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte. Die Tabelle zeigt die Schmelz- (TM) und Siedetemperaturen (TS) einiger Metalle bei Normaldruck. Der Schmelzpunkt von Legierungen liegt dagegen unter dem der reinen Metalle; bei einer bestimmten Zusammensetzung wird der tiefste Schmelzpunkt erreicht, das Eutektikum.

Exemplarische Übersicht der Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Metalle

Als hochschmelzend bezeichnet man die Edelmetalle Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium und die Metalle Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Technetium und Rhenium ( TM über 2000K).

Wärmeleiteigenschaften

Die für die Wärmeleitung relevanten Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit variieren stark. So hat etwa Silber mit 427 W/(m K) eine ca. 20-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Mangan, vgl. Tabelle.

Temperaturleitfähigkeit

Die Temperaturleitfähigkeit oder Temperaturleitzahl (engl. thermal diffusivity), ist eine Materialkonstante, die zur Beschreibung der zeitlichen Veränderung der räumlichen Verteilung der Temperatur durch Wärmeleitung als Folge eines Temperaturgefälles dient. Sie ist verwandt mit der Wärmeleitfähigkeit λ, die zur Beschreibung des Energietransportes dient. Die Temperaturleitfähigkeit beschreibt im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit nicht nur das stationäre Verhalten bei der Wärmeleitung, sondern ebenso die instationären Effekte, wie sie etwa bei der Weitergabe von Temperaturzyklen entstehen.

Tabelle 2: thermodynamisch relevante Materialkonstanten einiger Metalle

[ρ]: kg/m³, [c_p]: kJ/kgK, [λ]: W/mK, [a]: 10^-6 m²/s

Tabelle 3: Sprungtemperaturen metallischer Supraleiter

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