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Chemie: Von salzartigen Metallen zu maßgeschneiderten Nanoteilchen

Kombiniert man Metalle, die gern Elektronen abgeben, mit solchen, die sie bereitwillig aufnehmen, entstehen ungewöhnliche Legierungen, die Charakteristika von Salzen und Metallen in sich vereinen. Die negativ geladenen Ionen darin bilden komplexe Aggregate, die sich vielfach abwandeln lassen – unter anderem zu Nanoteilchen mit exakt definiertem Aufbau und fein abstimmbaren Eigenschaften.
Na(20)Zn(8)Sn(11), Beispiel einer Zintl-PhaseLaden...

Metalle und Salze unterscheiden sich schon äußerlich stark. Die einen sind völlig undurchsichtig, glänzen und lassen sich verformen, während die anderen als Kristalle mehr oder weniger transparent erscheinen und zersplittern, wenn man mit dem Hammer darauf schlägt. Metalle leiten elektrischen Strom, wogegen Salze im festen Zustand Isolatoren sind. Auch chemisch bestehen große Unterschiede. Salze sind Verbindungen – in der Regel zwischen einem Metall und einem oder mehreren Nichtmetallen –, deren Komponenten in einem festen Mengenverhältnis zueinander stehen. Metalle liegen dagegen elementar vor oder sind, wenn es sich um Legierungen handelt, homogene Gemische mit meist hochgradig variablem Anteil der Bestandteile.

Die meisten Salze lösen sich in polaren Flüssigkeiten wie Wasser. Ein bekanntes Beispiel ist Natriumchlorid, gemeinhin als Kochsalz bekannt. Das Natrium hat darin ein Elektron pro Atom an das Chlor abgegeben. In der wässrigen Lösung sowie im Salzkristall liegen deshalb positiv geladene Natrium- und negative Chloridionen vor. Diese bilden im festen Zustand ein Ionengitter, während sie in der Lösung als frei bewegliche Kationen und Anionen auftreten und deshalb elektrischen Strom transportieren können.

Metalle enthalten dagegen keine unterschiedlich geladenen Atome. Vielmehr sind die Bindungselektronen gleichmäßig über den gesamten Festkörper verteilt. Auch in gängigen Legierungen wie Bronze oder Messing gibt es nur geringe Ladungsdifferenzen zwischen den Atomen – in diesem Fall Kupfer und Zinn beziehungsweise Zink. Deshalb lassen sich Metalle in üblichen Lösungsmitteln nicht lösen.

Diese scheinbar so klare Abgrenzung der beiden Stoffklassen wurde jedoch schon Ende des 19. Jahrhunderts erschüttert, als Fortschritte in der Kühltechnik erstmals die Möglichkeit eröffneten, Ammoniak zu verflüssigen, und Chemiker feststellten, dass sich bestimmte Metalle darin auflösen. ...

März 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft März 2014

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  • Quellen

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Scharfe, S. et al.: Zintl-Ionen, Käfigverbindungen und intermetalloide Cluster der Elemente der 14. und 15. Gruppe. In: Angewandte Chemie 123, S. 3712 - 3754, 2011

Stegmaier, S., Fässler T. F.: A Bronze Matryoshka: The Discrete Intermetalloid Cluster [Sn@Cu12@Sn20]12– in the Ternary Phases A12Cu12Sn21 (A = Na, K). In: Journal of the American Chemical Society 133, S. 19758 - 19768, 2011

Zintl, E. et al.: Salzartige Verbindungen und intermetallische Phasen des Natriums in flüssigem Ammoniak. In: Zeitschrift für Physikalische Chemie A154, S. 1 - 46, 1931