Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

86 Diligentia
Een nadeel van de vrije elektronen is dat zij de doorgang van licht afschermen, en dus is
een metaal ondoorzichtig. Elk voordeel heeft zo zijn nadeel. De oorzaak is dat de vrije elektronen
gaan trillen in het wisselende elektrische veld van de invallende lichtstraal. Daarbij
wordt energie in alle golflengten geabsorbeerd waardoor het metaal ondoorzichtig wordt.
Bovendien zenden de trillende elektronen licht uit en produceren zo een spiegelend effect,
meestal grijs ‘metallisch’ maar bij goud en koper geelachtig.
Niet-metalen zoals zuurstof en chloor gedragen zich veel minder solidair: de elektronen
die bij hun individuele atoom horen houden ze voor zichzelf óf worden bij een verbinding
volledig geruild voor extra bindingsenergie. Ook in combinaties met metalen gedragen
zij zich zo, met als gevolg dat metaaloxides en metaalchloriden geen enkele metallische
eigenschap hebben.
Metaal-metaal reacties
Chemici weten goed te voorspellen hoe twee verschillende niet-metalen of een metaal en
een niet-metaal met elkaar reageren. Wat er gebeurt als men twee verschillende metalen
bij elkaar brengt en laat reageren, is echter veeleer een vraag voor metallurgen of metaalkundigen
dan voor chemici.
De metallurgen hebben heel lang gebruik gemaakt van vuistregels als het ging om reacties
tussen verschillende metalen. Het product van een dergelijke reactie heet een legering. Het
blijkt namelijk dat metalen mooie verbindingen zoals AuCu 3 of NiAl of PtZr 2 kunnen vormen
maar tevens genoegen kunnen nemen met mengsels in uiteenlopende verhoudingen
van de uitgangsmetalen. Sommige metalen lossen volledig in elkaar op, andere metalen
verzetten zich hardnekkig tegen mengen en vormen in de legering eilandjes waarin je de
oorspronkelijke metalen nog duidelijk herkent. De vuistregels gelden voor klassen van
metalen en het atomaire volume van de metalen speelt daarin een belangrijke rol. Zij
voorspellen redelijk goed wanneer metalen niet met elkaar willen legeren, maar slaan de
plank vaak mis in het geval dat metalen juist wel willen legeren. Soms past metaal A met
een groot atoomvolume beter bij metaal B met een klein atoomvolume, maar soms heb je
ongeveer gelijke volumina nodig om een mooi geordend legeringskristal te maken.
Als twee metalen een verbinding vormen of in elkaar oplossen doen ze dat alleen als de
energie van de legering lager is dan de gewogen som van de energieën van de uitgangsmetalen.
De kunst is dus de vormingswarmte of mengenergie van de legering uit te rekenen
en die te vergelijken met de beginenergie van de zuivere constituerende metalen. Als je dat
kunt, kun je het legeringsgedrag van metalen voorspellen.
Het Miedema-model van legeringen
Omstreeks 1970 ontwikkelde prof. Andries Miedema aan de Universiteit van Amsterdam
een empirisch model, het macroscopisch atoommodel, om het legeringsgedrag van metalen
te beschrijven. Sleutelbegrip in het model is de vormingswarmte van de legering en
omdat het specifiek om metalen gaat moeten de geleidingselektronen wel een doorslaggevende
rol spelen. Legeren is schematisch aangegeven in figuur 1. Een legering A-B wordt
gemaakt door de atomaire cellen van de zuivere uitgangselementen te nemen en ze in
de legering te plaatsen. Die atomaire cellen worden voorgesteld als kleine blokjes met de
eigenschappen van een macroscopisch stuk metaal, dus ook met behoud van de originele
ladingverdeling van de elektronen. De vorm van de cellen wordt iets anders om de hele
ruimte in de legeringsstructuur te vullen maar zolang het atomaire volume niet verandert
is het effect op de energie te verwaarlozen.
De warmte-effecten komen dan van de noodzakelijke wijziging van de ladingverdeling op
die plaatsen waar de atoomsoorten A en B aan elkaar grenzen. Allereerst is er het effect
van het verschil in chemische potentiaal voor elektronen, F *, zoals die geldt voor de zuivere
metalen A en B. De elektronen zullen bij voorkeur daarheen gaan waar de chemische
potentiaal gunstiger is en derhalve zal zo’n verschil tot een verlaging van de energie leiden.
IJzer, meester der metalen?