Warum ist Kalzium ein Metall?
Hier eine gängige Darstellung der Trennung der Elemente hinsichtlich des metallischen Charakters:
Die hellblaue Diagonale beschreibt einen schwammigen Bereich, eine Grauzone, einen Übergang von Metall zu Nichtmetall. Der Natur sind unsere Kategorien vollkommen egal, somit ist es ein recht flüssiger Übergang. Nur die rot bzw. dunkelblau gekennzeichneten Elemente sind eindeutig einer Gruppe zuzuordnen.
Es gibt einige Möglichkeiten, ein Metall zu definieren. Eine meiner Meinung nach sehr ersichtliche:
Der metallische Charakter kann über die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit unterschieden werden:
Ein Metall zeigt mit steigender Temperatur eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Im Falle des Nichtmetalls ist es genau umgekehrt.
Warum ist das so? Was ermöglicht überhaupt eine elektrische Leitfähigkeit, sprich den Transport freier Ladungen?
Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich wie folgt definieren:
Je größer die Ladung e der Teilchen in Bewegung ist, desto mehr Ladungstransport kann letzten Endes stattfinden. Dabei ist e in unserem Fall die Elementarladung, welche konstant ist und der Ladung eines Elektrons entspricht.
Wir fokussieren uns also auf N und B. Die Anzahl (N) der freien verfügbaren Ladungsträger (in unserem Fall Elektronen) und deren Beweglichkeit (B).
Frei verfügbare Elektronen, die Ladungstransport ermöglichen befinden sich energetisch betrachtet im sog. Leitungsband (LB).
In der Grafik zu sehen sind die jeweiligen statistischen Verteilungen der Energiezustände der Elektronen. Die sog. Bänder
Es fällt auf, dass beim Metall keine Trennung zwischen VB (Valenzband) und LB besteht und, dass Elektronen in Hülle und Fülle im LB ansässig sind.
Für Freunde der Gruppierungen: Ab einer Bandlücke von 300 kJ/mol spricht man üblicherweise von einem Isolator.
Was geschieht bei einer Temperaturveränderung? Temperatur ist ein Maß der Molekülbewegung. Wie schnell bewegen sie sich und wie stark schwingen sie.
Eine Erhöhung der Temperatur bedeutet also mehr Schwingung. Dies führt dazu, dass die Atomkerne mehr Platz in Anspruch nehmen und somit die Beweglichkeit (B) der Elektronen behindern: es kommt zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit beim Metall.
Warum steigt sie dann beim Nichtmetall?
Beim Nichtmetall sind nicht viele freie Elektronen verfügbar und eine Erhöhung der Temperatur regt Elektronen aus niedrigeren Energiezuständen an und promoviert sie in das Leitungsband (N steigt).
Die Beweglichkeit B sinkt hier natürlich auch, wie beim Metall. Jedoch fällt dieser Effekt nicht so stark ins Gewicht wie die nun höhere Anzahl freier Ladungsträger (N).
Beim Metall ist es zwar auch so, dass bei steigender Temp. mehr Elektronen angeregt werden, dieser Effekt ist aber zu vernachlässigen, da bereits so viele Elektronen verfügbar sind.
B und N sind bei variierender Temperatur also zwei gegenläufige Faktoren. Beim Metall kommt B zum tragen und beim Nichtmetall spielt N die Rolle.
Also, warum ist Calcium ein Metall?
Weil es sich gemäß der Definition so verhält wie ein Metall.
A propos: Wasserstoff wird bei 0.23 Mbar und 25°C fest. Ab 2.2 Mbar und 25°C zeigt Wasserstoff Halbleiter-Charakter und ab 2.7 Mbar und 25°C verhält er sich wie ein Metall!
Achtung: Mbar ≠ mbar