Metalle 12WC

Die hohe Dichte der meisten Metalle beruht auf der Anordnung (kugelförmig gedachten) Kationen.

Diese beschreibt man am besten durch übereinander gelegte Kugelschichten.

Metalle kristallisieren in 3 Gittertypen:

-Die hexagonal-dichteste Kugelpackung ist eine Abfolge von 3 dichtest gepackten Kugelschichten (z.B. Beryllium, Magnesium, Titan oder Zink).

-Die kubisch-dichteste Kugelpackung besteht sogar aus einer Abfolge von 4 Schichten (z.B. Calcium, Aluminium, Kupfer, Silber und Gold).

-Bei der kubisch-innenzentrierter Packung ist ein Zentralkation würfelförmig von 8 weiterten Kationen umgeben (z.B. Alkalimetalle, Vanadium und Chrom)

Die Koordinationszahl gibt die Anzahl der direkten Nachbarn (Kationen) an.

(z.B in den beiden dichtesten Packungen hat jedes Kation 12 direkte Nachbarn, also Koordinationszahl 12, in der kubisch-innenzentrierter Packung hat jedes Kation nur 8 Nachbarn, also Koordinationszahl 8)

Metalle lassen sich untereinander und auch mit einigen Nichtmetallen zu so genannten Legierungen mischen bzw. zusammenschmelzen. Dabei werden Fremdatome in den Gitterverband aufgenommen. Dies geht um so leichter, je ähnlicher die Größe der Metallkationen ist. Sie können sich dann gegenseitig ersetzen. Sind die Fremdatome sehr klein, z.B. Wasserstoff-, Kohlenstoff-, oder Boratome, so werden sie in die Lücken des normalen Metallgitters eingebaut. derartige Einschlusslegierungen gibt es etwa von Eisen mit Kohlenstoff, sie spielen bei der Härtung von Stahl eine wichtige Rolle.

-Schmelztemperatur meist tiefer als bei den einzelnen reinen Metallen (⇒ einfachere Verarbeitung)

-meist größere Härte als ihre Bestandteile (⇒ Edelstahl ist härter als Eisen)

-die Eigenschaften der Legierungen können durch Veränderung der Zusammensetzung speziellen Verwendungszwecken angepasst werden (⇒ spielen in der Technik eine große Rolle)

75% Kupfer

25% Zink

70% Kupfer

30% Zinn

Kupfer mit Nickel und Zink

ca. 70% Eisen mit Nickel, Chrom und Wolfram

Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit. Erhitzt man ein Metallstück an einem Ende, so geraten dort die Metallatome in Schwingungen, die Geschwindigkeit der Elektronen nimmt zu. Die angeregten Elektronen können weitere Metallatome zu Schwingungen anregen und so im Metall rasch Wärmeenergie transportieren. Diese Eigenschaft macht sie zum geeigneten Material, um Wärmeenergie zu übertragen (⇒ Heiz- und Kühlsysteme sind aus Metallen gefertigt, z.B. Heizungskörper).

Bei der Verformung werden die Kations-Schichten gegeneinander verschoben, das Elektronengas hat hier die Funktion eines "Schmiermittels". Man erhält bei der Verschiebung von Ebenen aus gleichen Atomrümpfen eine praktisch identische Lage. Deswegen kann man auch z.B. Eisen und Kupfer auswalzen zu Blechen oder Goldfolien herstellen.

Die Härte der Metalle beruht auf der elektrostatischen Anziehung zwischen den freien Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen. Die Härte hängt somit auch von der Anzahl der abgegebenen Elektronen ab. (Eisenatome geben doppelt so viele Elektronen pro Ion ab wie Lithiumatome. So kann man Eisen im Gegensatz zu Lithium nicht mit dem Fingernagel ritzen)

In manchen Eigenschaften verhalten sich Metalle auch sehr unterschiedlich. Während Wolfram erst bei 3410 Grad schmilzt, ist Quecksilber bereits bei Zimmertemperatur flüssig! Auch in der Dichte unterscheiden sich Metalle zum Teil stark: Leichtmetalle wie die Alkalimetalle, Magnesium oder Aluminium haben eine Dichte unter 5000kg/m³. Sie haben keine dichteste Packung, sondern sind kubisch-innenzentriert. Zu den Schwermetallen (Dichte über 5000kg/m³) mit der größten Dichte zählen Blei, Gold Platin, Iridium und Osmium. Nur 3 Metalle zeigen magnetische Eigenschaften: Eisen, Kobalt und Nickel.

Metalle zeichnen sich durch ihren metallischen Glanz aus. Sie leiten den elektrischen Strom, sind gute Wärmeleiter und lassen sich leicht verformen.

Da edle Metalle wie Gold, Silber oder Platin kaum das Bestreben haben, Elektronen abzugeben und somit reaktionsträge sind, kommen sie in der Natur auch elementar (gediegen) vor. Edle Metalle lösen sich nicht in verdünnten Säuren, auch mit Luftsauerstoff reagieren sie nur sehr langsam, Gold z.B. überhaupt nicht. (⇒ ohne Gold wäre die heutige Mikrotechnik nicht denkbar)

Unedle Metalle wie Natrium oder Zink bilden mit Salzsäure das Metallchlorid und Wasserstoff: Zn(s) + 2HCL(aq) →ZnCl₂(aq) + H₂(g). Mit Sauerstoff reagieren sie recht unterschiedlich: Cäsium entzündet sich bei Luftkontakt, während z.B. Magnesium oder Aluminium an der Luft beständig sind. Eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche schützt das Metall vor weiteren Reaktionen. Man nennt diesen Vorgang auch Passivierung. (Deswegen kann Aluminium als Fassadenverkleidung der Luft und dem Sauren Regen ausgesetzt werden) Unedle Metalle wie Natrium oder oder Magnesium bilden mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung Laugen.

Eisen bildet mit Sauerstoff ebenfalls eine Oxidschicht, doch liegt diese zu locker auf, sodass Feuchtigkeit und Luftsauerstoff weiter an die Metalloberfläche gelangen können. Das Metall wird durch Rostbildung zerstört, diesen Vorgang nennt man Korrrosion.

Durch Galvanisieren lassen sich unedlere Metalle durch einen Überzug aus edleren Metallen schützen und auch verschönern.

-bei Fahrrädern und Motorrädern werden Lenkstangen und andere Teile verchromt

-zur Herrstellung von preiswertem Modeschmuck wird Eisen mit einer dünnen Schicht aus wesentlich teureren Silber oder Gold überzogen

Das Leichtmetall wird mit Aluminium legiert im Flugzeug und Schiffsbau eingesetzt, weil es gegenüber Eisen eine Gewichtsverminderung um 80% ermöglicht. Auch Bleistiftspitzer aus Metall bestehen aus Magnesium. In jedem Feuerwerk stammt der blendende Funkenregen vor allem von brennendem Magnesiumpulver, dessen Licht z.B. von Strontiumsalzen rot und von Bariumsalzen grün gefärbt wird.

Kupfer ist als Münzmetall bekannt, wird aber meist in Form seiner Legierungen eingesetzt. Vor allem als Leitungsmaterial in der Elektrik (Stromkabel) findet Kupfer Verwendung. Auch für Dachrinnen und Dachabdeckungen, für Wasserrohre, Heizrohre und Kühlschlangen sowie zum Löten wird es genutzt.

Blei, ein relativ weiches Metall, wird hauptsächlich in Autobatterien (Bleiakkumulatoren) verwendet und kann als Schutzmaterial für Röntgenstrahlen genutzt werden. Blei ist ein kumulierendes Gift: Durch Ansammlung im Körper kommt es zu einer Vergiftung.

Quecksilber ist bei Zimmertemperatur flüssig und wird in Thermometern als Steigflüssigkeit verwendet. Mit Silber, Zinn und Kupfer ergibt Quecksilber die Legierung Amalgam, welche zuerst verformbar ist und dann aushärtet. Deshalb wird diese Legierung bei Zahnfüllungen benutzt. Quecksilberdampflampen werden in Beamern eingesetzt.

Eisen ist in Form seiner Legierungen, so den rostfreien Stählen (mit etwa 20% chrom und 10% Nickel), auch heute noch das wichtigste Gebrauchsmetall. Roheisen ist wegen seiner Verunreinigungen vor allem mit Kohlenstoff recht spröde und brüchig. Über 90% des Roheisens werden zu Stahl verarbeitet. Zu diesem Zweck wird der Kohlenstoffgehalt von bis zu4% durch Entkohlung in einem so genannten Konverter auf etwa 1,7% gesenkt. Eisen findet sich in unserem Leben an vielen Stellen:

-Autos, Fahrräder

-Werkzeuge, Baumaterial, Nägel

-Kochtöpfe, Möbel

Ausgangsstoffe: Eisenerz (z.B. Fe₂O₃), Koks (C), heiße Luft und Zuschläge (z.B. Kalk)

Reaktionsprodukte: Gichtgas (CO, CO₂), Roheisen und Schlacke

Fe₂O₃ + 3CO→2Fe + 3CO₂

Die festen Stoffe bewegen sich nach unten und die gasförmigen nach oben. Durch diesen stofflichen Gegenstrom kommt es zu einer guten Durchmischung. Das fördert die Umsetzung der Ausgangsstoffe. Außerdem erfolgt ein thermischer Gegenstrom. Die Ausgangsstoffe werden vorgewärmt, die Reaktionsprodukte abgekühlt. Dadurch wird Energie gespart.

-via Elektrolyse

-via Reduktion von Erzen mittels Koks (C)

1.Aluminium 2. Eisen 3.Calcium 4. Natrium 5. Kalium 6. Magnesium (alle in Salzen gebunden)

Beispiele: Metalle, Graphit

Eigenschaft: keine stoffliche veränderung durch Stromleitung

Teilchenebene: Elektronenleiter

bewegliche Ladungsträger: Elektronen

Beispiele: Salzschmelzen, Salzlösungen

Eigenschaft:Stoffliche Veränderung (z.B. Analyse) bei Stromdurchfluss

Teilchenebene: Ionenleiter

bewegliche Ladungsträger: Kationen, Anionen

Teilchen zwischen denen die Bindung wirksam ist: Ionen

Bindungskräfte: elektrostatische Kräfte, zwischen Ionen, ungerichtet, stark

Entstehende Strukturen: Ionengitter

Eigenschaften kristalliner Feststoffe: hart, spröde, Ionenleitung in der Schmelze und in der Lösung, hohe Schmelztemperatur

Beispiele kristalliner Stoffe: NaCl, BaO, CaF₂

Teilchen zwischen denen die Bindung wirksam ist: Atome

Bindungskräfte: Bindung zwischen Atomrümpfen und delokalisierten Elektronen, ungerichtet, wechselnde Stärke

entstehende Strukturen: Metallgitter

Eigenschaften kristalliner Stoffe: unterschiedliche Schmelztemperaturen, duktil, Elektronenleiter

Beispiele kristalliner Stoffe: Fe, Al, CuAu₃

Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie (E_A) herab. Sie eröffnen einen alternativen Reaktionsweg und beschleunigen die Reaktion. Er bleibt dabei unverändert.