1 ALLE MATERIE IM UNIVERSUM BESTEHT AUS SEHR KLEINEN TEILCHEN

Metalle in unserem Leben

Metalle sind die am weitesten verbreiteten Elemente der Erde. Im Periodensystem der Elemente gibt es nur 25 Halbmetalle und Nichtmetalle unter den 118 bekannten Elementen. Alle anderen Elemente sind Metalle. Es wird angenommen, dass neu erfundene oder künstlich hergestellte Elemente auch Metalle sein werden. Metalle kommen in der Natur am häufigsten in Form von Oxiden, Sulfiden und Salzen vor. Schwermetalle kommen in der Natur auch als reine Metalle vor. Metalle sind typischerweise elektropositive Elemente, das heißt, sie spalten leicht Elektronen und wirken in Verbindungen als Kationen.

Metalle sind Festkörper mit einer regelmäßigen Anordnung der Atome. Die Ausnahme stellt Quecksilber dar, das bei normaler Temperatur und normalem (atmosphärischem) Druck flüssig ist. Metalle haben eine silbrig glänzende Farbe – mit Ausnahme von rotbraunem Kupfer und gelbem Gold. Alle Metalle sind elektrisch leitfähig, form- und dehnbar – mit ihnen können sehr dünne Bleche produziert werden.

Metalldichte

Die Dichte (physikalische Größe, die dem Anteil des Gewichts des Körpers im Verhältnis zu seinem Volumen ausdrückt) der Metalle variiert und hängt von der inneren Konfiguration ab. Der Dichtewert von Metalllegierungen liegt immer zwischen den Werten der beteiligten reinen Metallen und hängt vom Verhältnis der Metalle in der Legierung ab. Beispiele für Dichten von reinen Metallen sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Legierungsdichten und ihre Zusammensetzung sind in Tabelle 2 gezeigt.

**Tabelle 1:** Metalldichten
Reines Metall	Dichte
Eisen	7.800
Kupfer	8.960
Zinn	7.260
Aluminium	2.700

**Tabelle 2:** Zusammensetzung von Legierungen und deren Dichte
Legierung	Zusammensetzung	Dichte
Messing	Kupfer (70%) + Zinn (30%)	8.400
Edelstahl	Eisen + Chrom	8.000
Duralumin	Aluminium (96%) + Kupfer (4%)	2.800

Metalllegierungen

Eine Metalllegierung ist eine Mischung von Metallen, die durch Schmelzen des Metalls mit anderen Metallen, Elementen oder Verbindungen hergestellt werden. Entsprechend der Anzahl der Komponenten werden Legierungen in binäre Legierungen – sie enthalten zwei Komponenten, ternäre – bestehend aus drei Komponenten und quaternäre – vierkomponentige Legierung unterteilt. Die erste historisch bedeutsame Metalllegierung war Bronze. Seine Eigenschaften wurden schon vor Urzeiten entdeckt. Die Entdeckung von Bronze bedeutete große technologische Fortschritte bei der Herstellung von Werkzeugen, Waffen und Ornamenten. Im Gegensatz zu reinen Metallen hat Bronze – das aus Kupfer und Zinn produziert wird – einen höheren Härtegrad. Seine Bedeutung für den Menschen zeigt sich auch darin, dass nach ihr eine Epoche der Menschheitsgeschichte benannt wurde – die Bronzezeit. Metalllegierungen werden aufgrund von Eigenschaften, die reine Metalle nicht aufweisen, hergestellt. Das gezielte Hinzufügen von Elementen zu Metall wird Legieren genannt. Zum Beispiel wird Stahl mit Chrom legiert. Der produzierte Stahl ist korrosionsbeständig und wird zur Herstellung von Auspuffrohren, Besteck und Kochtöpfen verwendet.

Magnetische Eigenschaften von Metallen

Die magnetischen Eigenschaften von Metallen sind durch eine parallele Ausrichtung der Atome (Elementarmagnet) bedingt. Bewegte Elektronen bilden um sich herum elementare Magnetfelder. Aus den Elementarmagneten der Atome resultiert ein Magnetfeld und somit die magnetischen Eigenschaften der Substanz. Sogenannte diamagnetische Substanzen bilden entgegengesetzte Magnetfelder zu externen Magneten. So werden Elektronen gestört werden. Diamagnetische Substanzen schwächen das Magnetfeld, in das sie eingeführt werden. Diamagnetische Metalle sind Gold, Silber, Kupfer und Wismut.

Bei paramagnetischen Substanzen sind elementare Magnetfelder so angeordnet, dass die Substanzen das Magnetfeld, in das sie eingefügt werden, sehr schwach verstärken. Äußerlich verhalten sie sich wie sehr schwache Magnete. Außerhalb des externen Magnetfelds ordnen sich die Atome nicht so an, dass die Substanz das Magnetfeld noch verstärkt. Zu den paramagnetischen Metallen gehören zum Beispiel Aluminium, Zinn und Chrom. Um zwischen paramagnetischen und diamagnetischen Substanzen zu unterscheiden, verwenden wir Messverfahren, die auf magnetischer Induktion mittels einer Spule basieren, Magnetfeldkraftmessung oder auf magnetischem Material basierende Verfahren in Gegenwart eines Magnetfelds.

Ferromagnetische Substanzen haben Atome, die ähnlich wie paramagnetische Substanzen angeordnet sind. Im Gegensatz zu paramagnetischen Substanzen sind die Atome ferromagnetischer Substanzen in kleinen Bereichen, die magnetisch übereinstimmen, angeordnet. Die Substanzen verstärken das Magnetfeld, in das sie eingeführt werden und werden stark im Feld angezogen. Diese Kraft ist bereits groß genug, um sie wahrzunehmen. Ferromagnetische Substanzen sind Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen. Die magnetischen Eigenschaften von Metallen und Metalllegierungen werden bei der Herstellung von Elektromagneten, Relais, Induktionskochern und Geschirr verwendet, früher auch bei der Herstellung von Tonbandgeräten.

Reihenfolge der Metallreaktivitä

Metalle sind nicht nur durch Luft-, Temperaturänderungen, sondern auch durch verschiedene wässrige Lösungen beeinflussbar. Chemiker untersuchten die Eigenschaften reiner Metalle und kamen zu dem Schluss, dass die Beständigkeit gegenüber flüssigen Umgebungen von der Fähigkeit abhängt, Kationen leicht oder weniger leicht zu bilden. Dementsprechend werden Metalle in der Reihenfolge ihrer Reaktivität aufgelistet (Abbildung 2), indem die Metalle beginnend mit den reaktivsten – den am leichtesten zu aktivierenden Kationen – hin zu den weniger reaktiven geordnet werden. Metalle, die chemisch stabil sind, wie – Kupfer, Quecksilber, Silber, Gold – werden Edelmetalle genannt. In der Reihenfolge der Reaktivität sind sie kursiv angegeben. Metalle, die als nicht edle bezeichnet werden und leicht mit anderen Stoffen reagieren, liegen in der Reihenfolge der Reaktivität auf der linken Seite. Je weiter ein Metall sich in der Reihenfolge auf der linken Seite befindet, desto schneller reagiert es.

Abbildung 2: Reihenfolge der Metallreaktivität

In der Reaktion eines Nichtedelmetalls mit Säure wird gasförmiger Wasserstoff erzeugt. Er kann zum Teil in Form von Blasen sichtbar sein und wird mit dem Metallsalz des entsprechenden Metalls durch die Säure freigesetzt (Reaktionsschema 4, 5, 6). Das Halbedelmetall Kupfer reagiert nicht mit der Säure und bildet keinen Wasserstoff (Reaktionsschema 7). Der Nachweis von Wasserstoff kann durchgeführt werden, indem der Wasserstoff in einem umgedrehten Reagenzglas aufgefangen und über einem gezündeten Kolben befestigt wird (Knallgasprobe). Dieses Experiment darf nur von der Lehrkraft, unter Aufsicht und mit Vorsicht durchgeführt werden!

Reaktionsschema 4: Reaktion von Salzsäure mit Zink

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Reaktionsschema 5: Reaktion von Salzsäure mit Eisen

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Reaktionsschema 6: Reaktion von Salzsäure mit Aluminium

2Al + 6HCl → 2Al → Cl₃ + 3H₂

Reaktionsschema 7: Reaktion von Salzsäure mit Kupfer

Cu + HCl → nereaguje

Korrosion

Die Beständigkeit von Metallen gegen Störungen oder Korrosion hängt nicht von der Edelheit des Metalls ab. Der Aluminiumoxidfilm wird auf der Aluminiumoberfläche selbst erzeugt. Im Gegensatz zu Eisen ist die Schicht robuster und schützt das Metall. Wir sagen, dass Passivierung auftritt. Wenn wir Aluminium für chemische Reaktionen verwenden, muss diese Schicht entfernt werden. Das Entfernen des Aluminiumoxids von der Oberfläche kann mechanisch erfolgen, z. B. mit Schleifpapier. Produkte aus Kupfer oder seinen Legierungen sind mit einer grünen Beschichtung bedeckt – einem Edelrost, der durch die Oberfläche des Kupfers geht. Zink ist an seiner Oberfläche mit einer Zinkoxidschicht bedeckt, die sie vor schwachen wässrigen Lösungen schützt. Rost oder Eisenkorrosion wird durch Kontakt mit feuchter Luft oder wässrigen Lösungen verursacht. An der Eisenoberfläche bildet sich eine unebene poröse Schicht – Rost, der hauptsächlich Eisenoxid (mit typisch rostiger Farbe) enthält. Diese Metalloxidschicht schützt das Metall nicht (wie bei Zinkoxid), sondern sie löst sich immer mehr ab. Die Korrosion setzt sich rasch fort. Daher sollten Eisenartikel, die Luftfeuchtigkeit und wässrigen Lösungen (z. B. Regen) ausgesetzt sind, durch eine wasserabweisende Beschichtung geschützt oder mit einer widerstandsfähigen Metallbeschichtung versehen werden. Am häufigsten wird eine galvanische Beschichtung oder Galvanisierung verwendet.