Metalle leiten Wärme und Strom gut, weil sie eine große Anzahl freier Elektronen haben. Diese freien Elektronen können sich leicht bewegen und miteinander kollidieren, was es ermöglicht, dass Wärme und Strom durch das Metall fließen.
Die meisten Materialien, die Wärme und Strom leiten, sind Metalle, weil sie eine große Anzahl freier Elektronen haben.
Was sind freie Elektronen?
Obwohl Elektronen in Atomen nicht tatsächlich existieren wie Planeten in einem Sonnensystem, bietet das atomare Modell, das auf dem Sonnensystem basiert, eine einfachere Erklärung für komplexe quantenmechanische Phänomene. In diesem Modell bewegen sich Elektronen um den Kern eines Atoms, ähnlich wie Planeten um die Sonne.
(Foto: Wikimedia Commons)
Es ist bekannt, dass der positive Kern die negativen Elektronen im Atom durch die Coulomb-Kraft festhält. Diese Kraft schwächt sich jedoch mit zunehmendem Abstand ab. Mit zunehmenden Elektronschalen wird die Kraft, die die Elektronen anzieht, schwächer, besonders in der äußersten Valenzschale.
Die Elektronen in der Valenzschale sind schwach an das Atom gebunden und können entkommen, was sie zu freien Elektronen macht. Metalle haben eine große atomare Größe und eine geringe Anzahl von Valenzelektronen, was es diesen Elektronen erleichtert, freigesetzt zu werden. Im Gegensatz dazu haben Nichtmetalle wie Chlor sieben Valenzelektronen, sodass ihre Atome kleiner sind, um sie festzuhalten.
Jedes Metallatom kann ein oder zwei freie Elektronen produzieren, und eine Metallplatte enthält Milliarden von Atomen. Das bedeutet, dass die Platte mit einer großen Anzahl von freien Elektronen gefüllt ist, die für die Leitung von Wärme und Strom durch das Metall verantwortlich sind.
Wie leiten freie Elektronen Strom und Wärme?
Wenn ein Kupferdraht mit einer Batterie verbunden wird, zieht das positive Terminal die negativen freien Elektronen an. Das elektrische Feld übt eine Kraft auf die Elektronen aus, wodurch sie mit hoher Geschwindigkeit miteinander kollidieren. Dies erzeugt einen Dominoeffekt, bei dem jedes Elektron mit dem vor ihm kollidiert und schließlich das letzte Elektron in der Reihe in den Stromkreis gelangt. Durchschnittlich bewegen sich die Elektronen jedoch mit einer geringen Geschwindigkeit, die als Driftgeschwindigkeit bekannt ist. Insgesamt entsteht so ein Strom von Elektronen, den wir als elektrischen Strom bezeichnen.
Wärme wird auf ähnliche Weise durch ein Metall übertragen. Eine Wärmequelle ist im Wesentlichen eine Quelle für kinetische Energie. Wenn wir eine Wärmequelle nahe an ein Material bringen, überträgt sie kinetische Energie auf die Atome des Materials. Diese kinetische Energie verursacht eine kräftige Vibration der Atome in ihrer Position. Je höher die Hitze, desto intensiver die Vibrationen.
Ionische Verbindungen leiten auch Wärme, da die Ionen in ihrer Position vibrieren. Allerdings haben ionische Verbindungen eine stark symmetrische geometrische Anordnung oder Struktur. Sie vibrieren, aber ihre Bewegung ist durch diese Struktur stark eingeschränkt. Auf der anderen Seite sind reine Metalle ausgezeichnete Leiter, weil ihre Atome zwar durch Struktur eingeschränkt sind, ihre Elektronen jedoch nicht… sie sind frei! Die Elektronen sind nicht gebunden und beginnen daher willkürlich zu wandern, wenn ihnen kinetische Energie durch die Wärmequelle übertragen wird. Sie stoßen dann mit benachbarten Elektronen zusammen und übertragen ihre kinetische Energie. Diese Kollisionen erzeugen einen Dominoeffekt und die Wärme wird von der heißen Region (näher an der Wärmequelle) in die kalte Region (fernes Ende des Metalls) übertragen.
Ich habe speziell reine Metalle erwähnt, weil Legierungen vergleichsweise schlechte Leiter von Wärme und Strom sind. Dies liegt daran, dass Legierungen durch das Einbringen fremder Atome in ein Metall hergestellt werden. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten eingeführt, die die Bewegung der freien Elektronen behindern. Da die freien Elektronen nicht reisen und miteinander kollidieren können, wird es schwieriger, dass sich Wärme und Strom ausbreiten.
Edelstahl ist eine Legierung aus Eisen und Chrom. (Foto: Pixabay)
Das Einbringen fremder Atome in ein Metall ist immer ein Diskussionsthema, denn während es die Leitfähigkeit verringert, verbessert es auch andere Eigenschaften des Metalls, wie z.B. Stärke. Eisen rostet, während Edelstahl, eine Legierung aus Eisen und Chrom, nicht rostet. Da es die freien Elektronen sind, die sowohl für die Fähigkeit eines Metalls, Strom zu leiten, als auch für seine Fähigkeit, Wärme zu leiten, verantwortlich sind, ist es kein Zufall, dass die Gesetze, die die Leitung von Strom regeln, sehr ähnlich sind wie die Gesetze, die die Leitung von Wärme regeln.