Metạlle
[griechisch-lateinisch], Sammelbezeichnung für feste und flüssige Stoffe (im engeren Sinn chemische Elemente) mit bei Zimmertemperatur relativ großer (Größenordnung 104 bis 105 S/cm), bei steigender Temperatur abnehmender elektrischer Leitfähigkeit, guter Wärmeleitfähigkeit und starkem Glanz (Metallglanz durch hohes Reflexionsvermögen). Von den in der Natur vorkommenden chemischen Elementen zählt man zu den Metallen: die Elemente der ersten und zweiten Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente (Lithium bis Francium und Beryllium bis Radium), die Elemente 13, 31, 49 und 81 aus der dritten Hauptgruppe (Aluminium, Gallium, Indium, Thallium), die Elemente 50 und 82 aus der vierten Hauptgruppe (Zinn, Blei) sowie sämtliche Elemente der Nebengruppen (Übergangselemente einschließlich Lanthanoide und Actinoide). Die Metalle bilden untereinander Legierungen und intermetallische Verbindungen, die ebenfalls als Metalle bezeichnet werden. Außer dem flüssigen Quecksilber befinden sich alle Metalle bei Normaltemperatur im festen Aggregatzustand, in dem sie (besonders in hochreinem Zustand) durch Walzen, Schmieden, Pressen, Ziehen usw. plastisch verformbar sind. Ihre technische Bedeutung beruht v. a. auf Formbarkeit, Leitfähigkeit und Legierungsbildung.
Nach der Affinität zu Sauerstoff werden unedle Metalle, die sehr leicht Oxide bilden (z. B. Alkalimetalle, Magnesium), Halbedelmetalle (z. B. Kupfer) und Edelmetalle, die nur schwer Oxide bilden (z. B. Gold, Silber, Platin), unterschieden. Nach ihrer Dichte, die zwischen 0,534 g/cm3 beim Lithium und 22,42 g/cm3 beim Iridium liegt, unterscheidet man Leichtmetalle (Dichte unter 4,5 g/cm3) und Schwermetalle (Dichte über 4,5 g/cm3). Schmelz- und Siedepunkte der Metalle liegen zwischen —38,83 ºC beziehungsweise 356,73 ºC beim Quecksilber und 3 422 ºC beziehungsweise 5 555 ºC beim Wolfram. Besonders in der Technik wird zwischen Eisen und seinen Legierungen einerseits (Eisenmetalle) und den Nichteisenmetallen (NE-Metallen) andererseits unterschieden; zu Letzteren gehören z. B. die Buntmetalle. Die technisch wichtigsten Metalle sind Eisen, Aluminium, Magnesium, Blei, Zinn, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Titan und Uran. Außer Kupfer und den Edelmetallen, die auch gediegen vorkommen, finden sich Metalle in der Natur nur in Form von Mineralen (z. B. als Oxide, Sulfide, Sulfate, Carbonate) in Erzen und Salzen. - Die Gewinnung und Raffination der Metalle aus ihren Erzen, Altmetalle (Schrott) und metallhaltigen Rückständen (z. B. Schlacke) ist Aufgabe der Metallurgie.
Im festen Aggregatzustand sind die Metalle überwiegend in dichtester Kugelpackung kristallisiert. Im flüssigen Aggregatzustand behalten sie weitgehend ihre charakteristischen physikalischen Eigenschaften bei, während sie im Gas- und im Dampfzustand einatomig sind. Die Gitterbausteine der Metallgitter sind die positiven Ionen der Metallatome; der Zusammenhalt wird durch die Außenelektronen der Atome bewirkt, die dem ganzen Gitter angehören und in diesem mehr oder weniger frei beweglich sind (Metallbindung, chemische Bindung).
Für die Metalle charakteristisch ist die unvollständige Besetzung der Valenzbänder (Bändermodell). Als Folge davon sind die Valenzelektronen zugleich die Leitungselektronen: Sie lassen sich durch ein elektrisches Feld in ihrer Gesamtheit leicht verschieben, da sie bereits bei Aufnahme sehr kleiner Energiebeträge in unbesetzte Energiezustände des gleichen Energiebandes gelangen und nicht wie im Falle der Halbleiter durch Energiezuführung erst in das Leitungsband gehoben (angeregt) werden müssen. Die große Beweglichkeit der Leitungselektronen sowie die große Dichte des entarteten Elektronengases, das diese bilden (etwa 1022 Elektronen pro cm3), sind für die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit der Metalle verantwortlich. - Einige Metalle der Eisengruppe (Eisen, Kobalt, Nickel) sowie eine Reihe von Legierungen zeigen Ferromagnetismus. Andere Metalle (z. B. Aluminium, Cadmium, Quecksilber) zeigen bei sehr tiefen Temperaturen die Eigenschaft der Supraleitung.
Geschichtliches:
Das Vorkommen und die Verwendung von Metallen waren für die Geschichte der Menschheit so bedeutungsvoll, dass große Epochen der Vorgeschichte nach den für Werkzeuge nutzbaren Metallen benannt werden (Kupferzeit, Bronzezeit, Eisenzeit). Die Verfügungsmacht über die Edelmetalle Gold und Silber sowie über die Werkstoffe Kupfer, Zinn und Eisen entschied während langer Zeit über die Überlegenheit oder Unterlegenheit von Völkern und Staaten.
Die Metallurgie war im Besitz aller frühen Hochkulturen, andere Völker waren vor ihrer Kontaktnahme zu den Europäern mit der Gewinnung, Bearbeitung und Verwendung von Metallen in Form von Schmuck, Werkzeugen, Waffen und Kultobjekten in unterschiedlichem Maße vertraut. Während in Ozeanien und Australien die Kenntnis davon fast völlig fehlte und sich in Nordamerika auf das Kalthämmern von Meteoreisen und gediegenem Kupfer beschränkte, waren in Afrika und Asien, wo Eisen zum Teil noch heute in Erdgruben, Lehmöfen mit Gebläsen oder eigenem Zug oder in Tiegeln aus Erzen reduziert wird, die Aufbereitung und, neben anderen Techniken der Formgebung, auch der Guss von Gold, Silber, Kupfer und Bronze im Wachsausschmelzverfahren, Gewinnung und Verarbeitung bekannt.
Metals handbook, hg. v. H. E. Boyer u. a. (Neuausg. Metals Park, Oh., 1985);
H. Moesta: Erze u. M. Ihre Kulturgesch. im Experiment (21986);
P. Haasen: Physikal. Metallkunde (31994).
Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:
metallische Werkstoffe: Vom Schmiedeeisen zur intelligenten Legierung
Rohstoffe: Bedarf und Verbrauch
mineralische Rohstoffe
Rohstoffe: Erzlagerstätten im Meer
Universal-Lexikon. 2012.