Andreas Minsinger und Christian Herdt

Das Elektronengas-Modell

Elektronengas-Modell, Metalle, Metall-Atomrümpfe
Modell für α-Eisen-Gitter in Acrylglas, kubisch innenzentrierter Gittertyp, orange Linsen als Elektronenmodelle (Simulation einer gasförmigen Bewegung), © Christian Herdt

Andreas Minsinger und Christian Herdt

Möglichkeiten und Grenzen einer unterschätzten Modellvorstellung

Metalle und ihre Legierungen sind den Schülerinnen und Schülern aus ihren alltäglichen, lebensweltlichen Erfahrungen mit Aluminiumfolie, Geldmünzen, Schmuckwaren, Besteck, Kochtöpfen, Musikinstrumenten, Stahlkonstruktionen und vielen weiteren Alltagsgegenständen bestens bekannt. Das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler aus dem Anfangsunterricht Chemie beschränkt sich meist auf ganz bestimmte Eigenschaften von Metallen, wie beispielsweise den metallischen Glanz oder die Verformbarkeit. Ein Verständnis hinsichtlich der Bindungskräfte, die die Stoffbausteine in einem Metall „zusammenhalten, kann bei den Schülerinnen und Schülern jedoch noch nicht vorausgesetzt werden.
Die Idee eines Elektronengases
Die Metallbindung lässt sich im schulischen Kontext auf der Modell-ebene mit dem sogenannten Elek-tronengas-Modell erklären. Demzufolge befinden sich positiv geladene Atomrümpfe auf festen Gitterplätzen. Die von den Metallatomen abgegebenen Valenzelektronen umgeben die Atomrümpfe in Analogie zu der ungeordneten Bewegung von Gasteilchen wie eine Art Gas, das dann als „Elektronengas bezeichnet wird (Abb.1 , Abb.2 , Arbeitsblatt1 ). Im Gegensatz zu den Ionen von Salzen sind die Valenzelektronen in diesem Fall frei beweglich. Im Gitter aus Metallatomrümpfen herrscht ein elektrostatisches Gleichgewicht aus ungerichteten Anziehungs- und Abstoßungskräften [1].
Ergänzend zur Erklärung der metallischen Bindung durch das Elektronengas-Modell, dient auf Universitätsniveau das auf der Molekülorbitaltheorie basierende Energiebändermodell, das große Vorteile hinsichtlich der Erklärungen des metallischen Glanzes und der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Festkörpertypen, darunter verschiedener Kategorien von Halbleitern, mit sich bringt [2].
Aufgrund der Komplexität des Bändermodells beschränkt sich die Erarbeitung einer modellhaften Vorstellung zur Metallbindung im Sinne der didaktischen Reduktion in den Lehrplänen der SekundarstufeI jedoch auf das Elektronengas-Modell.
Einsetzbarkeit des Elektronengas-Modells
Das Elektronengas-Modell bietet die Möglichkeit, auf der Modellebene wesentliche Metalleigenschaften zu erklären, die im Chemieunterricht tatsächlich beobachtet werden können. Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen kann beispielsweise dadurch erklärt werden, dass bei angelegter Spannung Elektronen vom Minuspol der Stromquelle durch das Gitter aus Metallatomrümpfen hindurch zum Pluspol der Stromquelle „fließen [1].
Die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen kann auf der Modellebene dadurch erklärt werden, dass die Atomrümpfe des Metallgitters durch Wärmezufuhr zu starken Schwingungen angeregt werden. Infolgedessen werden die delokalisierten Elektronen beschleunigt und übertragen die Bewegungsenergie wiederum auf weitere Metallatomrümpfe [3].
Im Gegensatz zur Sprödigkeit von Salzen erweisen sich Metalle meist als sehr duktil, also durch Druck gut verformbar. Auf der Modellebene lässt sich dieses Verhalten so erklären, dass durch eine äußere Krafteinwirkung Schichten von positiv geladenen Atomrümpfen gegeneinander verschoben werden. Vergleicht man diese Verschiebung mit der Verschiebung der Gitterebenen in einem Ionengitter, so treten in einem Gitter aus positiv geladenen Metallatomrümpfen keine abstoßenden elektrostatischen Wechselwirkungen auf. Diese werden durch das eine Bindung vermittelnde negativ geladene „Elektronengas verhindert [1].
Eine Unterrichtseinheit zum Elektronengas-Modell
Einbettung in ein strukturorientiertes Gesamtkonzept im ersten Lernjahr
Der Anfangsunterricht im Fach Chemie ermöglicht den Lernenden zunächst den Aufbau von Basiswissen hinsichtlich der Themenfelder „Stoffe und Reaktionen sowie „Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente. Vor der Besprechung des Elektronengas-Modells sollten folgende Inhaltsbereiche behandelt...
Unterricht Chemie
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 169 / 2019

Bindungen und Wechselwirkungen

Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Praxis Schuljahr 8-9