Wesentliche Eigenschaften von Metallen, Nichtmetallen & Halbmetallen: Leitfähigkeit, Formbarkeit, Aggregatzustand

Elemente lassen sich als Metalle, Nichtmetalle oder Halbmetalle (Semimetalle) klassifizieren.

Metalle sind gute Wärme- und Elektroleiter, formbar (zu Blechen walzbar) und duktil (zu Drähten ziehbar). Die meisten Metalle sind bei Raumtemperatur fest mit charakteristischem silbrigem Glanz (Ausnahme: Quecksilber, flüssig).

Nichtmetalle sind (meist) schlechte Wärme- und Elektroleiter und weder formbar noch duktil; viele elementare Nichtmetalle sind bei Raumtemperatur gasförmig, andere flüssig, andere fest.

Die Halbmetalle sind in ihren Eigenschaften intermediär. Physikalisch ähneln sie Nichtmetallen, aber unter bestimmten Bedingungen können einige Strom leiten. Diese Halbleiter sind extrem wichtig in Computern und Elektronik.

Viele Periodensysteme trennen rechts Metalle von Nichtmetallen. Metalle links der Linie (außer Wasserstoff, Nichtmetall), Nichtmetalle rechts, angrenzende Elemente sind Halbmetalle.

Bei der Bildung von Verbindungen gibt es zwei Hauptbindungsarten. Ionenbindungen bei Elektronenübertragung von einer Spezies zur anderen, erzeugen geladene Ionen, die sich stark elektrostatisch anziehen. Kovalente Bindungen, wenn Atome Elektronen teilen, um neutrale Moleküle zu bilden.

Im Allgemeinen bilden Metalle und Nichtmetalle ionische Verbindungen, während Nichtmetalle untereinander kovalente Verbindungen (Moleküle) bilden.

Metalle im Periodensystem

Die meisten Elemente sind Metalle. Sie gruppieren sich in der Mitte bis links im Periodensystem. Metalle umfassen Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle, Lanthanoide, Actinoide.

Weiterführend: Was sind Metalle und ihre Arten?

Alkalimetalle

Gruppe 1, linke Spalte. Weiche, hochreaktive Metalle mit einem Elektron im äußersten s-Unterschalenorbital.

Sechs Alkalimetalle: Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Lepidolith-Mineralquelle für Rubidium, Cäsium, Cäsium, Francium.

Erdalkalimetalle

Gruppe 2, linke Seite. Allgemein härter und dichter als Alkalimetalle, 2 Elektronen im äußersten s-Orbital, jede erzeugt eigene Flammenfarbe.

Sechs Erdalkalimetalle: Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Radium.

Übergangsmetalle

Mitte des Hauptkörpers. Manchmal Schwermetalle genannt, dichter als Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle.

38 Übergangsmetalle u. a.: Kobalt, Kupfer, Nativer Kupfer aus Arizona, Gold, Eisen, Quecksilber, Platin, Silber, Titan, Wolfram, Zink.

Seltene Erden (Seltene Erden-Metalle)

Typischerweise in eigener Tabelle unter dem Hauptperiodensystem. Passen aber eigentlich in die Mitte. Zwei Arten: Lanthanoide und Actinoide.

Lanthanoid-Metalle

15 Lanthanoide im Periodensystem. Alle so ähnlich, schwer zu differenzieren.

Beispiele: Cer, Promethium, Gadolinium, Dysprosium, Lutetium.

Actinoid-Metalle

15 Actinoide im Periodensystem. Die meisten kommen natürlich nicht vor (instabil), werden in Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern erzeugt.

Beispiele: Thorium, Uran, Plutonium, Californium, Mendelevium.

Andere Metalle

Rechts im Hauptkörper. Manchmal Semimetalle oder Post-Übergangsmetalle genannt. Typischerweise weicher, niedrigere Schmelzpunkte.

Wissenschaftler stimmen nicht universell überein, welche Elemente dazugehören – je nach Tabelle 8–14 Elemente.

Beispiele: Aluminium, Bismut, Bismutkristall, Indium, Blei, Zinn.

Eigenschaften von Metallen

Metalle bilden positive Ionen durch Elektronenabgabe bei chemischen Reaktionen (außer Wasserstoff). Daher elektropositive Elemente mit niedrigen Ionisationsenergien. Die meisten Metalle teilen Eigenschaften: glänzend, sehr dicht, hohe Schmelzpunkte. Zudem duktil, formbar, glänzend. Gute Wärme- und Elektroleiter. Alle Metalle fest bei Raumtemperatur, außer Quecksilber (flüssig).

Metalle bilden allgemein ionische Bindungen mit Nichtmetallen, aber Ausnahmen existieren. Die meisten bilden mindestens ein basisches Oxid, einige amphotere. Metalle zeigen breites Reaktivitätsspektrum. Besondere Gruppen: Edelmetalle (Ru, Rh, Pd, Pt, Au, Os, Ir, Ag) und Feuerfeste Metalle (Nb, Mo, Ta, W, Re).

Physikalische Eigenschaften von Metallen:

• Metalle sind formbar (fest), zu dünnen Blechen hämmерbar. Gold ist formbarstes Metall.
• Metalle sind duktil, zu Drähten ziehbar. Silber eines der duktilsteten Metalle.
• Gute Wärme- und Elektroleiter.
• Glänzend (metallischer Glanz). Manche bilden Patina, verlieren Glanz.
• Hohe Zugfestigkeit – halten schwere Lasten.
• Klingend (sonor) – erzeugen Klang beim Anschlagen.
• Hart – nicht leicht schneidbar.
• Kationenbildung in wässriger Lösung durch Elektronenabgabe.
• Schmelzpunkte: Oft hoch, aber Ausnahmen (Cäsium, Gallium, Quecksilber, Rubidium, Zinn – niedrig). Die meisten Siedepunkte bleiben hoch.
• Breites Dichtespektrum, allgemein dichter als Nichtmetalle. Wolfram, Platin, Osmium, Gold, Iridium extrem dicht.
• Meist silbrig, aber einige wie Gold, Cäsium, Kupfer farbig.

Chemische Eigenschaften von Metallen

Metalle sind elektropositive Elemente, die allgemein basische oder amphotere Oxide mit Sauerstoff bilden. Weitere chemische Eigenschaften:

• Elektropositiver Charakter: Metalle haben niedrige Ionisationsenergien, geben typischerweise Elektronen ab (werden oxidiert) bei chemischen Reaktionen. Normalerweise nehmen sie keine Elektronen auf. Beispiel:
  • Alkalimetalle immer 1+ (Elektron aus s-Unterschale)
  • Erdalkalimetalle immer 2+ (beide Elektronen aus s-Unterschale)
  • Übergangsmetall-Ionen folgen keinem offensichtlichen Muster, 2+ häufig (beide s-Elektronen), 1+ und 3+ auch beobachtet

Na⁰ → Na⁺ + e⁻

Mg⁰ → Mg²⁺ + 2e⁻

Al⁰ → Al³⁺ + 3e⁻

Verbindungen von Metallen mit Nichtmetallen neigen zu ionischem Charakter. Die meisten Metalloxide sind basisch und lösen sich in Wasser zu Metallhydroxiden:

Na₂O(s) + H₂O(l) → 2NaOH(aq)

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)

Metalloxide zeigen basischen Charakter durch Reaktion mit Säuren zu Metallsalzen und Wasser:

MgO(s) + HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)

NiO(s) + H₂SO₄(aq) → NiSO₄(aq) + H₂O(l)

Lage der Metalle im Periodensystem

Über 75 % der Elemente sind Metalle, füllen den größten Teil des Periodensystems. Metalle links. Die zwei Reihen unter dem Hauptkörper (Lanthanoide, Actinoide) sind Metalle.

Im Periodensystem sehen Sie eine Treppenlinie ab Bor (B, Ordnungszahl 5) bis Polonium (Po, Ordnungszahl 84). Außer Germanium (Ge) und Antimon (Sb) können alle Elemente links dieser Linie als Metalle klassifiziert werden.

Verwendungen von Metallen

Metalle finden sich in allen Lebensbereichen. Einige Verwendungen:

• Strukturkomponenten
• Behälter
• Drähte und Elektrogeräte
• Kühlkörper
• Spiegel
• Münzen
• Schmuck
• Waffen
• Ernährung (Eisen, Kupfer, Kobalt, Nickel, Zink, Molybdän)

Nichtmetalle im Periodensystem

Nichtmetallelemente oben rechts im Periodensystem. Nichtmetalle umfassen Nichtmetallgruppe, Halogene, Edelgase. Diese Elemente haben ähnliche chemische Eigenschaften, die sie von Metallen unterscheiden.

Gruppen von Nichtmetallen

Die Nichtmetall-Elementgruppe ist Teilmenge der Nichtmetalle. Besteht aus Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, Selen. Wasserstoff verhält sich bei Normalbedingungen als Nichtmetall und wird allgemein der Nichtmetallgruppe zugeordnet.

Halogene sind Nichtmetalle in Gruppe 7. Atome haben -1-Oxidationszustand. Oben Gase, nach unten Flüssigkeiten/Feststoffe. Halogene: Fluor, Chlor, Brom, Jod, Astat. Tennessin-Eigenschaften unklar – könnte Halogen oder Halbmetall sein.

Edelgase: relativ unreaktive Gase in Gruppe 8 (letzte Spalte). Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Oganesson. Oganesson wahrscheinlich bei Raumtemperatur kein Gas.

Weiterführend: Was sind Nichtmetalle?

Eigenschaften von Nichtmetallen

Elemente, die bei chemischen Reaktionen Elektronen aufnehmen und Anionen bilden, heißen Nichtmetalle. Elektronegative Elemente mit hohen Ionisationsenergien. Nicht glänzend, spröde, schlechte Wärme- und Elektroleiter (Ausnahme Graphit). Nichtmetalle können Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe sein.

Physikalische Eigenschaften von Nichtmetallen

• Aggregatzustand: Die meisten Nichtmetalle existieren bei Raumtemperatur in zwei der drei Zustände: Gase (Sauerstoff) und Feststoffe (Kohlenstoff). Nur Brom ist flüssig.
• Nicht formbar/duktile: Sehr spröde, nicht zu Drähten oder Blechen verarbeitbar.
• Leitung: Schlechte Wärme- und Elektroleiter.
• Glanz: Kein metallischer Glanz, reflektieren kein Licht.
• Schmelz- und Siedepunkte: Beim Schmelzen/Sieden ändert sich Aggregatzustand. Energie wird zugeführt, um Anziehungskräfte zwischen Metallionen und delokalisierten Elektronen zu überwinden. Mehr Energie = höherer Schmelz-/Siedepunkt. Da Metalle Riesen-Gitterstrukturen sind, ist die Zahl elektrostatischer Kräfte extrem groß → hohe Schmelz-/Siedepunkte. Ähnlicher als ionische Verbindungen als kovalente Stoffe.
• Sieben Nichtmetalle als diatomare Moleküle unter Standardbedingungen: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂(l), I₂(s).

Chemische Eigenschaften von Nichtmetallen

Nichtmetalle neigen dazu, Elektronen mit anderen Atomen zu gewinnen oder zu teilen. Elektronegativ im Charakter. Nichtmetalle, die mit Metallen reagieren, gewinnen Elektronen (typischerweise Edelgaskonfiguration) und werden Anionen:

3Br₂(l) + 2Al(s) → 2AlBr₃(s)

Rein nichtmetallische Verbindungen sind kovalent. Bilden allgemein saure oder neutrale Oxide mit Sauerstoff, die in Wasser Säuren bilden:

CO₂(g) + H₂O(l) → H₂CO₃(aq) (Kohlensäure)

Kohlensäurehaltiges Wasser ist leicht sauer (Kohlensäure).

Nichtmetalloxide können mit Basen Salze bilden:

CO₂(g) + 2NaOH(aq) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)

Lage der Nichtmetalle im Periodensystem

Nichtmetalle ganz rechts im Periodensystem, außer Wasserstoff (oben links).

Die 17 Nichtmetallelemente: Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon, Selen, Brom, Krypton, Jod, Xenon, Radon.

Verwendungen von Nichtmetallen

Anders als Metalle haben Nichtmetalle keine universellen Anwendungen. Aber in bestimmten Bereichen gemeinsam:

• Lebenswichtig (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Chlor, Phosphor)
• Düngemittel (Wasserstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Chlor, Selen)
• Kältemittel & Kryotechnik (Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon)
• Industrielle Säuren (Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Phosphor, Schwefel, Chlor)
• Laser & Lampen
• Medizin & Pharmazie

Nichtmetalle bilden viele Verbindungen. Tatsächlich enthalten die meisten Verbindungen, denen Sie begegnen, Nichtmetalle. Sie kommen in Wasser, Nahrung, Stoffen, Kunststoffen, Alltagsgegenständen vor.

Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen – Was ist der Unterschied?

Eigenschaft	Metall	Nichtmetall
Aussehen	Glänzend	Matt
Zustand bei Raumtemperatur	Fest (außer Quecksilber, flüssig)	Ca. Hälfte fest, Hälfte gasförmig, eines (Brom) flüssig
Dichte	Hoch (schwer für Größe)	Niedrig (leicht für Größe)
Festigkeit	Stark	Schwach
Formbar oder spröde	Formbar (biegen ohne Brechen)	Spröde (brechen/zersplittern beim Hämmern)
Wärmeleitung	Gut	Schlecht (Isolatoren)
Stromleitung	Gut	Schlecht (Isolatoren, außer Graphit)
Magnetisches Material	Nur Eisen, Kobalt, Nickel	Keines
Klang beim Anschlagen	Klingend (sonor)	Dumpf
Oxidtyp	Basisch/alkalisch	Sauer

Halbmetalle im Periodensystem

Halbmetalle (Semimetalle) haben Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen. Definition umfasst 6–9 Elemente entlang einer schrägen Linie zwischen Metall- und Nichtmetallelementen.

Die sechs einstimmig als Halbmetalle geltenden Elemente: Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur.

Zusätzlich manchmal Bismut, Polonium, Astat. Mehrdeutigkeit mangels spezifischer, für alle Halbmetalle charakteristischer Eigenschaften.

Stattdessen einfach als Mischung von Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen charakterisiert. Strukturell bilden sie kovalent gebundene Kristallstrukturen – primär Nichtmetallmerkmal.

Bekannte Nutzung: Halbleiter in elektronischen Geräten jedes Haushalts.

Eigenschaften von Halbmetallen

Halbmetalle haben intermediäre Eigenschaften. Nützlich in Halbleiterindustrie. Alle fest bei Raumtemperatur. Können Legierungen mit anderen Metallen bilden.

Einige, wie Silicium und Germanium, leiten unter richtigen Bedingungen Strom → Halbleiter. Silicium z. B. glänzend, aber nicht formbar/duktile (spröde – Nichtmetallmerkmal). Viel schlechterer Wärme- und Elektroleiter als Metalle. Physikalisch tendenziell metallisch, chemisch tendenziell nichtmetallisch. Oxidationszahl von +5 bis -2, je nach Gruppe.

Metalle	Nichtmetalle	Halbmetalle
Gold	Sauerstoff	Silicium
Silber	Kohlenstoff	Bor
Kupfer	Wasserstoff	Arsen
Eisen	Stickstoff	Antimon
Quecksilber	Schwefel	Germanium
Zinc	Phosphor

Gemeinsame Eigenschaften von Halbmetallen

• Elektronegativitäten zwischen Nichtmetallen und Metallen.
• Ionisationsenergien ebenfalls zwischen Nichtmetallen und Metallen.
• Semimetalle/Halbmetalle haben Merkmale von Nichtmetallen und Metallen.
• Reaktivität hängt von Eigenschaften der interagierenden Elemente ab.
• Halbmetalle tendieren zu guten Halbleitern.
• Können metallischen Glanz haben, aber auch Allotrope mit nichtmetallischem Aussehen.
• Meist spröde, typischerweise fest, nur unter ungewöhnlichen Bedingungen nicht fest.
• Verhalten sich in chemischen Reaktionen typischerweise wie Nichtmetalle, können Legierungen mit Metallen bilden.

Chemische Eigenschaften von Halbmetallen

Chemische Eigenschaften definieren Wechselwirkung/Reaktion mit anderen Substanzen oder Umwandlung. Nur bei chemischen Reaktionen quantifizierbar. Umfassen Rosten, Verbrennen, Anlaufen, Explodieren etc.

Chemische Eigenschaften der Halbmetalle:

• Halbmetalle bilden leicht Gase bei Oxidation.
• Können mit Metallen zu Legierungen kombiniert werden.
• Haben unterschiedliche metallische und nichtmetallische Allotrope.
• Beim Schmelzen ziehen sich manche zusammen.
• Können mit Halogenen Verbindungen bilden.

Lage der Halbmetalle im Periodensystem

Wie erwähnt, treten Halbmetalle in schräger Linie zwischen Metallen und Nichtmetallen auf. Diese Linie spannt sich von Gruppe 13 bis Gruppe 16, 17 oder 18 (je nach Anzahl wahrer Halbmetalle).

Links dieser Linie: Metalle. Rechts: Nichtmetalle. Ausnahme: Wasserstoff (Nichtmetall, aber links im Periodensystem).

Periodensystem mit sechs Halbmetallen (ab Bor (B)) beige markiert. Manchmal auch Bismut (Bi), Polonium (Po), Astat (At) aus Periode 6.

Weiterführend: Wo sind Halbmetalle im Periodensystem?

Trends im metallischen und nichtmetallischen Charakter

Metallischer Charakter stärkste für Elemente links im Periodensystem, nimmt ab, wenn wir in einer Periode nach rechts gehen (nichtmetallischer Charakter nimmt mit steigender Elektronegativität und Ionisationsenergie zu).

Innerhalb einer Gruppe (Spalten) nimmt metallischer Charakter von oben nach unten zu (Elektronegativität und Ionisationsenergie nehmen allgemein ab). Dieser Trend nicht unbedingt bei Übergangsmetallen beobachtet.