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Trotz der Vielfalt und mitunter spektakulären Eigenschaften der modernen Kunststoffe gehören die seit Jahrtausenden bekannten Metalle immer noch zu den unentbehrlichen Werkstoffen unserer Zeit. Sie weisen glänzende Oberflächen, gute mechanische Eigenschaften sowie eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit auf. Metalle besitzen die Fähigkeit zur Bildung von Legierungen. Legierungen sind Stoffsysteme aus zwei oder mehr Metallen, die die günstigen Eigenschaften der einzelnen Komponenten kombinieren können.

Fast alle Metalle sind so unedel, dass sie in der Natur nicht elementar, sondern in Form ihrer Erze, z. B. als Oxide oder Sulfide vorliegen. Durch Anwendung bestimmter Verfahren können die Metalle aus ihren Erzen gewonnen werden. So wird beispielsweise Blei in einem Röstreduktionsverfahren aus dem sulfidischen Erz Bleiglanz gewonnen.

Sulfidische Erze sind außerdem als Rohstoff für die Schwefelsäuresynthese von Bedeutung. Aus ihnen werden – ebenfalls durch Röstprozesse – Schwefelverbindungen wie Metallsulfate oder Schwefeldioxid gewonnen, die sehr gut weiterverarbeitet werden können.

* 287 vor Christus, in Syrakus (Sizilien)
† 212 vor Christus in Syrakus

Er war ein Grieche, der als Mathematiker, Ingenieur und technischer Berater der Könige tätig war. Archimedes entwickelte Methoden zur Bestimmung der Flächeninhalte (krummliniger) ebener Figuren und des Rauminhalts von Körpern, die durch gekrümmte Flächen begrenzt sind, er fand ein Verfahren zur Berechnung von $\pi$ und entwickelte Näherungswerte für Quadratwurzeln.
Das von ihm gefundene Prinzip des unterschiedlichen Auftriebs von Stoffen konnte zur Unterscheidung von reinen Metallen und Legierungen verwendet werden.
Während des zweiten punischen Krieges erfand Archimedes mehrere Kriegsmaschinen z. B. Hohlspiegel und Riesenkatapulte. Auch eine Förderschnecke zum Wassertransport, um Felder zu bewässern, stammt von ihm. Die Hebelgesetze gründen sich ebenfalls auf Archimedes.

Als Halbmetalle werden die chemischen Elemente bezeichnet, die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen den Metallen und den Nichtmetallen einnehmen. Sie weisen halbleitende und amphotere Eigenschaften auf, sind aber nicht mit der Stoffgruppe der Halbleiter identisch. Es handelt sich bei Halbmetallen um Feststoffe, die teilweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen bilden. Im Periodensystem sind die Halbmetalle farblich von den Metallen und den Nichtmetallen abgehoben.

Zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems gehören die Elemente Wasserstoff, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Caesium. Wasserstoff, der in der ersten Periode steht, ist ein typisches Nichtmetall. Die übrigen Elemente der 1. Hauptgruppe werden auch Alkalimetalle genannt, sie sind weiche, reaktionsfähige Metalle.

Die Alkalimetalle geben leicht ihr Valenzelektron ab und sind daher sehr reaktiv. Sie kommen in der Natur nur in gebundener Form vor. Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum.

Fast alle Metalle sind so unedel, dass sie in der Natur nicht elementar, sondern in Form ihrer Erze, z. B. als Oxide oder Sulfide vorliegen. Durch Anwendung bestimmter Verfahren können die Metalle aus ihren Erzen gewonnen werden. So wird beispielsweise Blei in einem Röstreduktionsverfahren aus dem sulfidischen Erz Bleiglanz gewonnen.

Sulfidische Erze sind außerdem als Rohstoff für die Schwefelsäuresynthese von Bedeutung. Aus ihnen werden – ebenfalls durch Röstprozesse – Schwefelverbindungen wie Metallsulfate oder Schwefeldioxid gewonnen, die sehr gut weiterverarbeitet werden können.

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Multiple-Choice-Test zum Thema "Chemie - Metalle und Legierungen".

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WISSENSTEST

Wolfram ist ein hartes, glänzendes, hochschmelzendes Metall der 6. Nebengruppe. Das Metall wird auch von oxidierenden Säuren nur langsam angegriffen.Die wichtigsten Verbindungen leiten sich von den Oxidationsstufen +IV und +VI ab. Das Metall wird durch Reduktion von WO₃ mit Wasserstoff gewonnen. Die hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen ermöglicht den Einsatz als Lampenglühdraht oder Heizleiter.

Ytterbium ist das 13. und damit vorletzte Element der Lanthanoide. Aufgrund seiner Valenzelektronenkonfiguration, [Xe] 4f¹⁴ 6s² kann es neben Yb(III)- auch Yb(II)-Verbindungen (YbO, YbI₂) bilden. Yb^{2 +}-Ionen sind starke Reduktionsmittel und zersetzen Wasser unter Bildung von Wasserstoff. Die farblosen Yb^{3 +}-Ionen sind in wässriger Lösung stabil. Ytterbium ist ein graues, weiches, an der Luft stabiles Schwermetall. Durch metallothermische Reduktion kann es aus Yb₂O₃ und Lanthan gewonnen werden. Eine wesentliche technische Verwendung ist zzt. nicht bekannt.

Yttrium ist ein silberweißes, dehnbares, weitgehend luftbeständiges Metall der 3. Nebengruppe. Verbindungen leiten sich von der Oxidationsstufe +III ab. Das Metall dient als Legierungsmetall, seine Verbindungen werden u. a. in Farbbildröhren und Yttriumkeramiken eingesetzt. Gewonnen werden kann das Metall aus YF₃ durch Reduktion mit Calcium.

Zink ist ein bläulich-weißes, sprödes Element der 2. Nebengruppe. Es überzieht sich an der Luft mit einer fest haftenden Schutzschicht. Es bildet Zink(II)-Verbindungen. Die überwiegend sulfidischen Erze werden geröstet, in Zinksulfat überführt und elektrochemisch zu Zink aufgearbeitet. Drähte und Bleche werden durch Eintauchen in flüssiges Zink mit einer Schutzschicht versehen (Verzinken). Verwendet wird Zink außerdem in zahlreichen Legierungen und Batterietypen. Zink ist in über 200 Enzymen enthalten.

Zinn ist ein Element des Periodensystems. Jedes Element weist aufgrund seines Atombaus bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften auf. Den Atombau und die Eigenschaften findest du im Artikel. Er enthält außerdem das Energieniveauschema und Informationen über die Entdeckung, Herstellung und Verwendung.

Zirconium ist ein graues, in kompakter Form luftbeständiges Schwermetall der 4. Nebengruppe, das in seinen Verbindungen überwiegend in der Oxidationsstufe +IV vorliegt. Fein verteiltes Zirconium entzündet sich spontan an der Luft und verbrennt mit hell strahlender Flamme zu einem Gemisch aus ZrO₂ und Zr₃N₄. Gewonnen wird Zirconium nach dem Kroll-Verfahren aus ZrCl₄ und Magnesium. Eine vollständige Abtrennung des chemisch ähnlichen Hafniums ist aufwendig. Es wird im chemischen Apparatebau eingesetzt. ZrO₂ dient zur Herstellung feuerfester Auskleidungen.

Strontium ist ein unedles, leichtes Erdalkalimetall, dessen silbriger Glanz an der Luft schnell verblasst. Es kann durch Schmelzflusselektrolyse aus SrCl₂ gewonnen werden und bildet Verbindungen mit Sr-Ionen. Charakteristisch für Strontium und seine Verbindungen ist die rote Flammenfärbung. Verwendet wird Strontium als Legierungs- und Gettermetall zum Binden von Resten von Luft in Hochvakuumröhren.

Tantal ist ein hochschmelzendes, dehnbares, luftbeständiges Metall der 5. Nebengruppe, das erst bei höheren Temperaturen mit Sauerstoff zu Ta₂O oder mit Chlor zu TaCl reagiert. Die Oxidationsstufe +V ist die beständigste. Das aus dem Oxid mit Kohlenstoff gewinnbare Metall wird zur Herstellung von Spateln, Schalen, Kesselauskleidungen sowie für medizinische Instrumente (Prothesen, Nägel) genutzt.

Technetium ist ein silberglänzendes, radioaktives Schwermetall der 7. Nebengruppe, das nur künstlich hergestellt werden kann. Die häufigsten Oxidationsstufen in den Verbindungen sind +IV (z. B. TcO₂) und +VII (z. B. NaTcO₄). Bei der Spaltung von ²³⁵U in Kernreaktoren fällt Tc in Kilogramm-Mengen an. Nach aufwendiger Abtrennung kann durch katodische Reduktion von TcO-Lösungen das Metall hergestellt werden. Das von Mendeleew vorausgesagte Element dient u. a. zur Herstellung von Radiopharmazeutika.

Terbium, das 8. Element der Gruppe der Lanthanoide, tritt in der Natur nur als Nuklid ¹⁵⁹Tb auf, es ist also ein Reinelement. Das silbergraue Schwermetall ist schmiedbar und weitgehend luftbeständig. In verdünnten Säuren ist es unter Bildung farbloser Tb(III)-Ionen löslich. Entsprechend der Valenzelektronenkonfiguration, [Xe] 4f⁹ 6s², können auch in Wasser nicht beständige Tb(IV)-Verbindungen synthetisiert werden. Aus dem Oxid, Tb₂O₃, kann auf metallothermischem Weg das Metall gewonnen werden. Es ist technisch zzt. ohne große Bedeutung.

Thallium ist ein bläulich schimmerndes, weiches, unedles Schwermetall, das chemisch und physikalisch dem Blei ähnlich ist. Thalliumverbindungen sind toxisch. Sie erzeugen eine grüne Flammenfärbung. Als Element der 3. Hauptgruppe bildet es Verbindungen mit den Oxidationsstufen +III (TlCl₃) und +I (TlCl), wobei letztere stabiler sind. Thallium kommt in der Natur vergesellschaftet mit Blei und Zink vor und wird bei deren Gewinnung als Nebenprodukt, z. B. durch Elektrolyse von
Tl₂SO₄-Lösungen, gewonnen. Verwendung finden das Metall und seine Verbindungen in Kältethermometern (Tl-Hg-Legierung) und zur Herstellung von IR-durchlässigen Optiken (TlBr).

Thorium, das 1. Element der Reihe der Actinoide, ist ein radioaktives, silberweißes, dehnbares Schwermetall. Es verbrennt im Sauerstoffstrom zu ThO₂. Es löst sich langsam in verdünnten Säuren. Von Wasser wird es nicht angegriffen. Die wichtigste Oxidationsstufe ist IV. Monazitsand enthält bis zu 12 % ThO₂. Aus ihm wird Thorium abgetrennt, in KThF₅ überführt und daraus elektrochemisch abgeschieden. In Hochtemperatur-Reaktoren werden ThO₂ und ThC₂ eingesetzt. Thorium ist ein Legierungsbestandteil für Cu-Ag-Legierungen (elektrische Kontakte).

Thulium, das 12. Element der Gruppe der Lanthanoide, ist ein weiches, silbrig glänzendes, seltenes Schwermetall. Es lässt sich mit dem Messer schneiden. Thulium wird von trockener Luft nicht angegriffen. Es bildet Verbindungen mit der Oxidationsstufe III. Das Metall löst sich in verdünnten Säuren unter Bildung grüner Tm³⁺-Ionen. Es sind auch einige Tm(II)-Verbindungen bekannt. Durch Metallothermie (TmF₃ / Ca) lässt sich das Metall herstellen, das gegenwärtig nur geringe technische Bedeutung hat (z. B. ¹⁷⁰Tm als γ-Strahler zur Werkstoffprüfung).

Titanium ist ein glänzendes, luftbeständiges Leichtmetall das überwiegend Verbindungen mit der Oxidationszahl IV (4. Nebengruppe) bildet. Titanium wird meist aus Ilmenit (FeTiO₃) gewonnen, wobei das als Zwischenprodukt gebildete TiCl4 metallothermisch in das Metall übergeführt wird. Es ist ein wertvoller schlagzäher Werkstoff (Triebwerke) und Legierungsbestandteil (Titanstahl). Titan(IV)-oxid ist ein wichtiges Weißpigment. Verbindungen mit Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als Hartstoffe verwendet.

Uranium, das bekannteste (3.) Element der Gruppe der Actinoide, ist ein radioaktives, silber-weißes, dehnbares Schwermetall. Es gehört nicht zu den seltenen Elementen. Am häufigsten tritt Uranium in den Oxidationsstufen VI (z. B. Na₂U₂O₇ * 6 H₂O, gelb) und IV (z. B. UO₂, schwarzbraun; UF₄, grün) auf. Auch U(III)-Verbindungen (UF₃, schwarz) sind bekannt. Das Metall überzieht sich an der Luft mit einer braunen Oxidschicht. In verdünnten Mineralsäuren ist es löslich. Uranium-Verbindungen sind toxisch.

Die Herstellung des Metalls erfolgt metallothermisch. Für Spaltprozesse ist das Isotop ²³⁵U bedeutsam, das je nach Verwendung des Uraniums z. B. mit Gaszentrifugen (Verwendung des leichtflüchtigen UF₆) angereichert wird.

Vanadium ist ein stahlgraues Schwermetall der 5. Nebengruppe. Neben der häufig in Verbindungen anzutreffenden Oxidationsstufe V tritt das Element auch in niederen Oxidationsstufen z. B. II in [V(H₂O)₆]^{2 +}-Verbindungen (violett) oder III in [V(H₂O)₆]^{3 +}-Verbindungen (grün) auf. Meist wird aus den Vanadiumerzen z. B. Vanadinit, Pb₅(PO₄)₃Cl, Ferrovanadium gewonnen, das zur Stahlveredelung (Vanadinstahl) eingesetzt wird. Vanadiumoxide finden als Katalysatoren z. B. bei der Herstellung von Schwefelsäure Verwendung.