Metalle

Legierungen sind Stoffgemische aus zwei oder mehr elementaren Metallen, wie Messing, das aus Kupfer und Zink besteht. Im Stoffgemisch werden die Eigenschaften der einzelnen Komponenten verändert, sodass Legierungen vielfältige Anwendungen finden. Auch Stahl ist eine Legierung verschiedener Metalle, deren Zusammensetzung man je nach Verwendung (Rohre, Bleche, Maschinenbauteile usw.) variieren kann.

Einige Metalle sind seit etwa 7000 Jahren bekannt. Um 3 000 v. Chr. sind erste Legierungen nachgewiesen.
Gold wurde zeitlich zuerst verwendet, später Silber und Kupfer. Diese Metalle kamen in der Natur gediegen (als Metall) vor oder waren leicht zu gewinnen. Über Jahrtausende entwickelte man Arbeitstechniken zur Gewinnung der Metalle aus ihren Erzen. Die Herstellung und Bearbeitung bestimmter Metalle prägte ganze Entwicklungsepochen, z. B. die Bronzezeit (ca. 2 000 v. u. Z.) oder die Eisenzeit (ca. 1 000 v. u. Z.).


Heute ist der Alltag ohne Metalle und ihre Legierungen nicht mehr denkbar. Die Möglichkeiten ihrer Verwendung nehmen ständig zu. Die Vielfalt der bekannten Metalle ist sehr groß.

Ausgewählte Metalle

Aluminium
Eigenschaften: Alluminium ist ein silberglänzendes, weiches Metall mit sehr guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit. Es ist sehr gut legierbar (Duraluminium).
Dichte: 2,7g/cm³ (Leichtmetall)
Schmelztemperatur: 660 °C
Siedetemperatur: 2 447 °C
Vorkommen: meist als Bauxit, Bestandteil einiger Edelsteine (Rubine, Saphire)
Verwendung: Fenster- und Türrahmen, Verpackungsmaterial, Fahrzeugbau, Flugzeugbau
Besonderheit: sehr spät entdeckt, noch im 19. Jh. wegen seiner Seltenheit teurer als Silber

Verpackungsfolie aus Aluminum

Silber
Eigenschaften: Silber ist ein weiches, dehnbares Metall mit typischem Glanz und charakteristischer Färbung. Es besitzt beste Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme. Silber kann leicht poliert werden und reflektiert stark das Licht.
Dichte: 10,5 g/cm³ (Schwermetall)
Schmelztemperatur: 961 °C
Siedetemperatur: 2 210 °C
Vorkommen: Silber ist ein seltenes Metall. Es steht an 67. Stelle der Elementhäufigkeiten in der Erdkruste. Es kommt gediegen in der Natur vor, häufig jedoch auch chemisch gebunden. Das wichtigste Silbererz ist Silberglanz (Ag2S). Abbauwürdige Lagerstätten befinden sich in Nord- und Südamerika, Russland und Australien. Rohsilber fällt außerdem bei der Gewinnung anderer Metalle (z.B. Kupfer) an.
Verwendung: Fertigung von Elektroden und elektrischen Kontakten in der Elektronik und Elektrotechnik. Bei der Schmuckherstellung handelt es sich oft um Legierungen, da das Silber selbst zu weich ist. Dies gilt auch für die Zahntechnik. Den Glanz des Metalls nutzt man für die Herstellung von Spiegeln und Thermogefäßen und zur Herstellung von Zahlungsmitteln.
Besonderheit: Der Name geht auf das althochdeutsche Wort „silabar“ (das weiße Metall) zurück.

Silberschmuck

Blei:
Eigenschaften: Blei ist matt grau, giftig, relativ weich und gut verformbar. Es besitzt eine relativ geringe elektrische und Wärmeleitfähigkeit. Blei reagiert rasch mit Luftsauerstoff, wobei es eine schützende Oxid- und Hydroxidschicht ausgebildet.
Dichte: 11,35 g/cm³ (Schwermetall)
Schmelztemperatur: 327 °C
Siedetemperatur: 1 740 °C
Vorkommen: selten gediegen, oft in sulfidischen Erzen (z. B. Bleiglanz).in den USA Australien, Mexiko,Russland, China und Polen
Verwendung: Senkblei beim Angeln, Gardinenband, Weichblei für Dichtungen, Herstellung von Farbpigmenten (Mennige). Im alten Ägypten verwendete man das Metall zum Glasieren von Gegenständen und stellte Statuen daraus her. Im römischen Reich stellte man aus Blei Dächer und Wasserleitungen her. Später fertigte man aus dem so gut zu verarbeitenden Stoff Lettern für den Buchdruck und auch Wasserleitungen. Bleiplatten absorbieren radioaktive Srahlung und werden deshalb zum Strahlenschutz (Röntgen) eingesetzt.
Besonderheit: Das Metall ist so weich, dass es auf dem Papier einen grauen Abrieb hinterlässt.

Gold
Eigenschaften: Gold ist ein gelb glänzendes, weiches Metall, welches gut polierbar und sehr dehnbar ist. Es besitzt sehr gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit.
Dichte: 19,32 g/cm³ (Schwermetall)
Schmelztemperatur: 1 063 °C
Siedetemperatur: 2 972 °C
Vorkommen: gediegen (Goldader, Goldnuggets),
Verwendung: Goldschmuck (standardisierte Legierungen: 333er, 585er, 750er und 900er Gold), Zahnmedizin, Elektronik
Besonderheit: Gold lässt sich zu Blattgold von 0,15 mm Dicke ausschlagen. Aus 1 g Gold kann ein Draht von 3 km Länge gezogen werden.

Goldschmuck

Quecksilber
Eigenschaften: Quecksilber ist ein silberglänzendes, flüssiges, giftiges Metall mit geringer elektrischer Leitfähigkeit. Es leitet Wärme schlecht und dehnt sich bei Temperaturerhöhung merklich aus.
sehr gut legierbar (Amalgame)
Dichte: 13,53 g/cm³ (Schwermetall)
Schmelztemperatur: -39 °C
Siedetemperatur: 357 °C
Vorkommen: selten gediegen, häufig als Quecksilbersulfid (Zinnober)
Verwendung: Füllung von Thermometern, Barometern, Manometern, Quecksilberdampf in Höhensonnen, Bestandteil von einigen Knopfzellen
Besonderheit: Quecksilber wurde im Mittelalter „argentum vivium“- lebendiges Silber genannt. Der Name des Metalls lässt sich von „quick“ (schnell) ableiten.

Informationen zu den Eigenschaften erhält man auch, wenn man das jeweilige Symbolfenster im Periodensystem (s. dort) anklickt.

Die Einteilung der Metalle erfolgt nach unterschiedlichen Prinzipien:

Nach ihrer Dichte unterteilt man Metalle in Leichtmetalle (Dichte < 4,5 g/cm³) und Schwermetalle (Dichte > 4,5 g/cm³). Betrachtet man den Schmelzpunkt als Kriterium, dann unterscheidet man zwischen niedrig schmelzenden (Smp. < 600 °C), mittel schmelzenden (600 °C < Smp. < 1 100 °C) und hoch schmelzenden (Smp. > 1 100 °C) Metallen.
Sehr verbreitet ist auch die Einteilung nach ihrem Reaktionsverhalten. Leicht oxidierbare Metalle, die mit Luft sehr leicht Oxide bzw. mit Wasser einfach Hydroxide bilden, nennt man unedle Metalle. Edle Metalle geben ihre Valenzelektronen schwerer ab und sind deshalb auch nicht so leicht oxidierbar.

Bau und Eigenschaften der Metalle

Sieht man im Periodensystem der Elemente nach, wird man erstaunt feststellen, dass die Mehrzahl (etwa 80%) der dort aufgeführten Elemente Metalle bzw. Halbmetalle sind.
Metalle findet man unterhalb der diagonalen Trennungslinie, beginnend von links oben mit dem Element Beryllium bis nach rechts unten zum Polonium. Die Grenze zu den Nichtmetallen ist jedoch fließend, da die Elemente Antimon, Arsen, Bismut, Bor, Germanium, Polomium, Selen, Tellur und Silicium metallische und nichtmetallische Eigenschaften besitzen.
Alle Metalle zeichnen sich durch typische gemeinsame Eigenschaften aus:

  • relativ hohe Schmelz- und Siedetemperatur (außer Quecksilber sind alle Metalle bei Normbedingungen fest)
  • metallischer Glanz
  • elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
  • plastische Verformbarkeit

Die Dichte und die Härte der Metalle können sehr verschieden sein.

Quecksilber wurde früher als Thermometerflüssigkeit benutzt.

Die gemeinsamen Eigenschaften resultieren aus dem Bau der Metalle - in der Art ihrer Teilchen und den Kräften, die zwischen den Teilchen wirken.
Bei den Teilchen der Metalle handelt es sich um Atome. An Bruchkanten von Zink oder Eisen kann man eine kristalline Struktur erkennen. Die Atome sind in einem regelmäßigen Gitter auf festen Gitterplätzen angeordnet. Sie bilden ein Metallgitter. Die Außenelektronen von Metallatomen können leicht abgespalten werden. Nach dem Elektonengasmodell sind die Elektronen frei beweglich und bilden das sogenannte Elektronengas.Sobald Elektronen abgespalten werden, stimmt die Anzahlt der Elektronen und Protonen des Atoms nicht mehr überein und aus den Atomen werden kurzzeitig positiv geladenen Teilchen - Metall-Ionen.

Zwischen den positiv geladenen Metall-Ionen und den negativ geladenen Elektronen wirken starke elektrostatische Anziehungskräfte, die den Zusammenhalt im Kristall bewirken. Man bezeichnet diese Form der chemischen Bindung als Metallbindung .
Mithilfe des Elektonengasmodells lassen sich viele Eigenschaften der Metalle gut erklären.


Die starken Kräfte im Metallkristall bilden die Ursache für die hohen Schmelz- und Siedetemperaturen der Metalle. Da sich die Metallatome/ Metall-Ionen auf festen Gitterplätzen befinden, weisen die Metalle bis auf Quecksilber den festen Aggregatzustand auf. Erst bei ausreichender Zufuhr thermischer Energie fangen die Teilchen so stark an zu schwingen, dass die Anziehungskräfte im Gitter überwunden werden und das jeweilige Metall in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Die dafür notwendige Energie ist im Allgemeinen sehr hoch. Bei weiterer Energiezufuhr wird der gasförmige Zustand erreicht.
Der regelmäßige geometrische Aufbau erlaubt es, dass die einzelnen Gitterschichten durch mechanische Krafteinwirkung gegeneinander verschoben werden können (plastische Verformung).


Auch die elektrische Leitfähigkeit der Metalle wird erklärlich. Sie beruht auf den frei beweglichen Elektronen im Metallkristall. Unter dem Einfluss einer Gleichspannung bewegen sich die Elektronen gerichtet, sodass es zu einem Ladungstransport kommt.

Bewegung der Elektronen in einem Kupferdraht und bei angelegter  Gleichspannung

Metall-Legierungen - Stoffgemische der besonderen Art

Viele Metalle sind aufgrund ihres Baus in der Lage Legierungen zu bilden. Es handelt sich dabei um Gemische aus mindestens zwei Komponenten, von denen wenigstens eine ein Metall ist. Nach der Anzahl (2, 3, usw.) der an der Bildung der Legierung beteiligten Elemente unterscheidet man zwischen binären, tertiären usw. Legierungen. Das Metall, welches die Hauptmasse bildet, nennt man das Grundmetall, die übrigen Komponenten nennt man die Zusätze.


Durch das Legieren werden die Eigenschaften der Komponenten, insbesondere die des Grundmetalls verändert und so den verschiedensten Beanspruchungen angepasst. Meist sind Legierungen härter als ihre Einzelbestandteile. Legiert man beispielsweise Aluminium mit Kupfer, bewirken die größeren Aluminiumatome eine Verzahnung der Gitterebenen des Kupfergitters, so dass eine Verschiebung der Gitterebenen erschwert wird. Im Gegensatz dazu kann durch geeignete Partner die Gleitfähigkeit eines Grundmetalls erhöht werden, was die entstandene Legierung als Lagerwerkstoff prädestiniert.


Die bekannteste und am weitesten verbreiteten Legierung ist Stahl, ein Stoffgemisch aus Eisen als Grundmetall, weniger als 2,1% Kohlenstoff und verschiedenen Legierungsmetallen. Die Vielzahl der Legierungsmöglichkeiten mit Chrom, Mangan, Silizium, Vanadium, u. v. a. m. führt dazu, dass über 1 000 Stahlsorten existieren, deren Eigenschaften mit der Zusammensetzung variieren.
Ebenfalls als Gebrauchsmetall weit verbreitet ist Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink.

Herstellen von Legierungen:

  • durch Zusammenschmelzen der Komponenten
  • Sintern pulverförmiger Komponenten
  • Tempern (Diffusion eines Elementes z. B. Kohlenstoff) in die Oberfläche eines Werkstücks,
  • gemeinsame Elektrolyse von Metallsalzen,
  • gemeinsame Reduktion von Metalloxiden.
  • Amalgamieren usw.

Ausgewählte Legierungen

Unter einer Memory-Legierung bzw. einem Memory-Metall versteht man Metall-Legierungen (z. B. Nickel-Titan-Basis), die ihre ursprüngliche Form „speichern“ können. Werden Bauteile aus solchen Legierungen nun bei niedrigen Temperaturen verformt erfolgt nur scheinbar eine plastische Verformung. Wiederum über eine kritische Temperatur erwärmt, nehmen sie ihre frühere Form wieder an. Anwendungsbeispiele sind Ver- und Entriegelungen, Schalter etc.

Bei Legierungen befinden sich zwischen den Metallatomen kleinere Atome bzw. Metallatome werden durch andere Atome ersetzt.

Große Bedeutung haben Amalgame in der Zahnmedizin. Jeder kennt das Problem der Zahnfüllung durch Amalgam. Seit 150 Jahren werden kariöse Zähne mit Plomben aus Amalgam versorgt. Diese Legierung gilt als preisgünstiger, verhältnismäßig einfach zu verarbeitender und dauerhafter Füllwerkstoff. Durch mechanische Beanspruchung und elektrochemische Vorgänge kann Quecksilber austreten. Daher ist dieses Material in der Diskussion, die Legierung in der Zahnmedizin sehr umstritten.
Trotzdem existieren viele unterschiedliche Amalgame in der zahnärztlichen Praxis! Konventionelles Amalgam enthält 53 Masseprozent metallisches, flüssiges Quecksilber und etwa 47% Legierungspulver. Das Legierungspulver selbst besteht aus:

Ag: mind. 40%
Sn: max. 32%
Cu: max. 30%
Hg: max. 3%
Zn: max. 2%
Ni: 36 ppm
Cd: 24 ppm

Die gesundheitsbeeinflussenden Eigenschaften des Amalgams haben dazu geführt, dass heute fast ausschließlich andere Metall-Legierungen in der Zahnheilkunde zum Einsatz kommen. Dabei spielt Gold eine besondere Rolle. Es muss aufgrund seiner Weichheit legiert werden, z. B. kann die Zusammensetzung wie folgt sein.

Au: 71,0%
Pt: 12.9%
Pd: 2,0%
Ir: 0,1%
Ag: 10,0%
Zn: 4,0%

Der hohe Edelmetallanteil sorgt wegen der ausgeprägten Reaktionsträgheit für eine lange Lebensdauer der eingesetzten Materialien.

Bei Zahnbehandlungen werden meist keine Amalgamfüllungen, sondern Kunststoff-Füllungen verwendet.

Die Legierungsbildung von Quecksilber mit Gold (Goldamalgam) erfolgt sehr leicht. Goldamalgam kann auf Gegenstände gut aufgetragen werden. Durch Erhitzen verdampft das Quecksilber und eine dünne Goldschicht verbleibt auf dem Gegenstand. Früher wurden durch dieses Feuervergolden Kuppeln und Dächer mit einer Goldschicht bedeckt. Da Quecksilberdämpfe aber giftig sind, ist dieses Verfahren außerordentlich gesundheitsschädlich und findet heute keinen Einsatz mehr. In der Schmuckindustrie wird es jedoch auch heute noch angewendet. Das Verfahren hat eine lange Tradition. Diese Art des Vergoldens von Schmuckgegenständen war schon den Etruskern bekannt.

Die Legierungsbildung mit Gold wird, vor allem in Südamerika und Asien, aber auch in Europa, zur Goldgewinnung genutzt. Fluss-Sand oder zerkleinertes goldhaltiges Gestein wird über versilberte Kupferplatten geleitet, die mit Quecksilber überzogen sind. Selbst kleinste Mengen des Goldes lösen sich im Quecksilber Anschließend wird die Legierung auf 360°C erhitzt, wobei das Quecksilber verdampft. Aufgrund der giftigen Quecksilberdämpfe, darf das Erhitzen nur in geschlossenen Anlagen erfolgen. Nur äußerst strenge Arbeitsschutz -und Sicherheitsmaßnahmen lassen solche Produktionsabläufe nicht zu einer ökologischen Katastrophe werden.

vergoldete Kuppel
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