Arbeitsblatt: Metalle

Metalle Wenn du dich umsiehst, entdeckst du bestimmt ein Metall in deiner Nähe. Vielleicht fällt es dir nur nicht auf. In der Küche ist es sehr offensichtlich. Die Töpfe, das Besteck, die Spüle, der Wasserhahn und noch vieles mehr bestehen hier aus Metall. In Autos sind auch sehr viele Metalle verbaut, angefangen von der Karosserie bis hin zum Motor. Aber auch dein Handy enthält eine beeindruckende Vielfalt an Metallen. Eisen, Silizium, Magnesium, Aluminium, Kupfer und Nickel sind nur wenige Beispiele. Über 60 verschiedene Metalle werden für die Herstellung von Smartphones verwendet. Allerdings werden nicht immer alle in einem Gerät verbaut. Was Metalle zu so besonderen Werkstoffen macht, hängt mit ihren Eigenschaften zusammen. Diese lernst du im Folgenden genauer kennen. Eigenschaften der Metalle Mehrere physikalische und chemische Eigenschaften sind charakteristisch für Metalle und werden zur entsprechenden Klassifizierung der Elemente herangezogen. Du kannst sie dir sehr leicht durch die Verwendung von Metallen herleiten. Weisst du, wie ein Stromkabel von innen ausschaut? Unter der schützenden Isolation aus Kunststoff verbergen sich sehr häufig gebündelte Kupferdrähte. Kupfer ist ein Metall und wird für Kabel verwendet, weil es den elektrischen Strom gut leitet. Allgemein ist eine Eigenschaft der Metalle die elektrische Leitfähigkeit. Metalle können nicht nur den elektrischen Strom leiten, sondern haben auch eine grosse Wärmeleitfähigkeit. Was bedeutet das konkret? Stell dir vor, du hast einen Metallstab und erhitzt ihn an einer Stelle. Nach kurzer Zeit wird der Metallstab auch an Stellen warm sein, die du gar nicht erhitzt hast, weil die Wärme weitergeleitet wird. Diese Eigenschaft machen wir uns zum Beispiel bei Kochtöpfen zu nutze. Metalle werden ausserhalb der von Küche und Technik auch sehr häufig für Schmuck verwendet. Ringe, Anhänger, Piercings und vieles mehr bestehen in vielen Fällen aus Metallen. Häufig verwendete Metalle sind hier zum Beispiel Gold, Silber und Platin. Viele Menschen schätzen solchen Schmuck aufgrund seines metallischen Glanzes, der ein Kennzeichen für alle Metalle ist. Allerdings haben nicht nur Metalle, sondern auch einige Nichtmetalle und Verbindungen einen metallischen Glanz. Ein Beispiel für ein Stoff, der chemisch nicht weiter zerlegt werden kann, das metallisch glänzt, ist Iod. Pyrit, das auch als Katzengold bekannt ist, glänzt auch schön metallisch, ist aber eine Verbindung von Eisen und Schwefel. Das letzte Charakteristische Merkmal der Metalle ist die Verformbarkeit. Diese Eigenschaft nutzen Menschen bei Gold schon seit rund 4.000 Jahren. In der Vergangenheit wurden viele Kunstwerke, Statuen und noch viel mehr mit Blattgold vergoldetet. Bei der Herstellung von Blattgold wird ein Stück Gold erst zu einem Band gewalzt und anschliessend ganz platt gehämmert. Aus einem 850 Gramm schweren Goldbarren kann Blattgold hergestellt werden, das zusammengerechnet eine Oberfläche von 350 Quadratmeter hat. Das entspricht in etwa der Grösse eines Basketballfeldes. Blattgold ist am Ende 1.000-mal dünner als ein Blatt Zeitungspapier. Gold ist somit ein beeindruckendes Beispiel für die Verformbarkeit von Metallen. Ein Blick in die Geschichte Metalle sind aus unserem Alltag einfach nicht mehr wegzudenken. Sie bilden die Grundlage des technischen Fortschritts: Kabel, Computer, Autos und vieles mehr. Das war aber nicht immer so. Bis einschliesslich zur Steinzeit konnten Menschen weder Metalle gewinnen noch bearbeiten. Das änderte sich, als der Mensch lernte, Kupfer zu verarbeiten. Kupfer dann Bronze und danach Eisen veränderten die Welt so tiefgreifend, dass ganze Epochen nach ihnen benannt wurden. Lust auf eine kleine Zeitreise? Kupfersteinzeit Wie alles begann . Abb. 1 Grünes Kupfererz Die Geschichte beginnt vor ungefähr 10.000 Jahren in Vorderasien, wo unsere Vorfahren anfingen grünes Kupfererz zu bearbeiten. Kupfererz hat eine schöne grün schimmernde Farbe, wie du in Abbildung 1 erkennen kannst. Zuerst wurde das Erz fein vermahlen und für Verzierungen verwendet. Irgendwann jedoch gelang es den Menschen aus diesem Erz reines Kupfer zu gewinnen. Dabei handelt es sich um einen sehr mühsamen und technisch aufwendigen Prozess. Abb. 2 Alte Kupfermine in Israel Kupfer kommt in über 160 verschiedenen Mineralien vor, die für eine angemessene Menge Kupfer in grossen Mengen abgebaut werden müssen. Hierfür konnten damals ausschliesslich Steinwerkzeuge verwendet werden – ein sehr mühsamer Prozess. Die kleinen Höhlen in Abbildung 2 sind durch solchen Abbau entstanden. Abb. 3 Rekonstruktion von Ötzis Kupferbeil Entwicklung der Gewinnung von Kupfer Die Gewinnung eines Metalls aus den Erzen wird als Verhüttung bezeichnet. Zu Beginn der kupferzeitlichen Kupfergewinnung Kupfererze für konnten die aber Verhüttung noch nicht genutzt alle werden. Vorwiegend wurden das grüne Malachit und das blaue Azurit eingesetzt. Bei der Verhüttung dieser Erze laufen mehrere chemische Reaktionen ab, die hohe Temperaturen benötigen. Zunächst reagieren die verschiedenen Mineralien mit dem Sauerstoff aus der Luft unter anderem zu Kupfer(II)-oxid. Dieses reagiert mit Kohlenstoffmonoxid, das bei der Verbrennung von Kohle in geringen Mengen entsteht, zu Kupfer und Kohlenstoffdioxid Der Prozess findet erst bei ungefähr 1100 C wirklich effektiv statt. Bei dieser Temperatur bildet das entstandene flüssige Kupfer kleine Töpfchen. Für ein Werkzeug müssen mehrere dieser kleinen Tröpfen erneut geschmolzen und anschliessend in eine Form gegossen werden. Die bisherigen archäologischen Funde lassen vermuten, dass die Kupferverhüttung auf dem Balkan wohl kurz vor 5000 v. Chr. entstand. Das liegt ungefähr 2000 Jahre nach den Anfängen der Kupferbearbeitung. Daran erkennst du, wie komplex dieser Prozess für die Menschen damals gewesen sein muss. Eine Herausforderung war es, die hohen Temperaturen zu erzeugen. Dafür bauten sie sich vermutlich hohle Holzstäbe, die unten mit Ton ummantelt waren. Mit diesen bliesen sie Luft in ein Feuer, um es weiter anzufachen. Ötzi und sein Kupfer-Beil Das wohl bekannteste Kupferwerkzeug gehörte Ötzi, der ein Kupfer-Beil bei sich hatte. Das Beil ermöglichte es Ötzi, vermutlich Bäume zu fällen. Es könnte jedoch auch als Waffe gedient haben. Kupfer war zu dieser Zeit sehr wertvoll und es wurden nach wie vor grösstenteils Steinwerkzeuge verwendet. Daher wird vermutet, dass Ötzi ein angesehener Mann gewesen war. Bronzezeit Einsatz von Bronze für Werkzeuge und Skulpturen Abb. 3 Skulptur aus Bronze Erst in der Bronzezeit erreichten Metalle eine grössere Bedeutung. Die Bronzezeit beginnt im Nahen Osten etwa 3000 v. Chr., also vor 5000 Jahren. Doch was ist eigentlich Bronze? Anders als bei Kupfer handelt es sich hier um kein reines Metall, sondern um ein Gemisch aus 90 Kupfer mit 10 Zinn. Solch ein Gemisch aus mindestens einem Metall wird Legierung genannt. Solche Legierungen haben andere Eigenschaften als die enthaltenen Metalle. Bronze ist weitaus härter als Kupfer. Es war somit für eine Vielzahl an Werkzeuge geeignet. Das viel weichere Kupfer wurde vor allem für Werkzeuge zur Holzbearbeitung eingesetzt, da Holz ebenfalls ein weicher Werkstoff ist. Aus Bronze wurden aber nicht nur Werkzeuge, sondern auch Skulpturen wie die in Abbildung 4 hergestellt. Weiterentwicklung der Öfen für die Verhüttung Voraussetzung für die Herstellung von Bronze waren leistungsfähige Öfen für die Verhüttung und das Schmelzender Metalle. Die ersten Öfen entstanden bereits in der Kupfersteinzeit. Dabei handelte es sich aber nur um ein Loch im Boden, das mit Steinen ausgekleidet war. Innerhalb einer erstaunlich kurzen Zeitspanne entwickelten die Menschen jedoch spezielle Öfen, die viel besser funktionierten. Für solche Öfen wurden Steine in einem Kreis übereinander geschichtet, sodass ein Zylinder entstand. Diese wurden in der Regel auf Hügeln errichtet und hatten an einer Seite eine Öffnung. Die Öffnung wurde so platziert, dass er Wind in den Ofen strömen konnte und die Glut so mit Sauerstoff versorgt wurde. Es waren also keine Blasrohre mehr nötig. Handel mit Metallen und Erzen Die Wissenschaft interessiert sich schon lange für die Frage, woher das Zinn für die Bronze kam. Im Nahen Osten, wo Bronze als Erstes in Erscheinung trat, kommen Zinnerze nämlich fast nicht vor. Schon in der Frühen Bronzezeit muss ein umfangreicher Handel mit Metallen und Erzen stattgefunden haben. Durch diesen Handel entstand ein Netz von Karawanenstrassen, das wir unter dem Namen Seidenstrasse kennen. Verbreitung der Metallgewinnung von Ost nach West Mitteleuropa spielte bei der Metallgewinnung eine untergeordnete Rolle. Fast alle Innovationen begannen Südosteuropa und breiteten sich langsam nach Westen aus. Erst um 3 800 v. Chr. begann die erste selbstständige Verarbeitung von Kupfer im Alpenraum am Mondsee, der heute in Österreich liegt. In Europa beginnt hier also die Kupfersteinzeit, während im Nahen Osten schon fast die Bronzezeit beginnt. Anders als heute dauerte es sehr lange, bis Ideen von einem Ort auf der Welt zu einem anderen gelangen konnten. Eisenzeit Damit kommen wir zum letzten Zeitalter, das nach einem wichtigen Metall benannt wurde: der Eisenzeit. Eisen war den Menschen schon sehr lange bekannt, wurde aber anders als Kupfer nicht gezielt abgebaut und verarbeitet. Der Grund hierfür ist bis heute nicht geklärt. Wir wissen jedoch, dass sich die Verhüttung von Eisen in einigen Punkten von der Kupferverhüttung unterscheidet. Gewinnung von Eisen in Rennöfen Grund hierfür ist, dass Eisen und Kohlenstoff eine Legierung bilden. Kohlenstoff ist in Kohle, das zur Verhüttung verwendet wird, in grossen Mengen vorhanden. Eine Legierung mit zu viel Kohlenstoff ist sehr spröde und lässt sich daher schlecht verarbeiten. Anders als bei Kupfer war in den Öfen wenig Sauerstoff und dafür viel Kohlenstoffmonooxid vorhanden. Das sorgte dafür, dass der Kohlenstoffgehalt in der Legierung geringer war. Das Eisen war leichter zu bearbeiten. Das Eisenerz im Ofen reagierte mit Kohlenstoffmonooxid zu festem Eisen. Unbrauchbare Bestandteile des Erzes schmolzen und bildeten eine flüssige Schlacke. Diese Schlacke floss durch eine Öffnung im Ofen ab. Solche Öfen werden Rennöfen genannt. Verwendung Im Alltag begegnen wir vielen Metallen: Silber, Gold und Platin sind in Schmuck enthalten (Abb. 1.1). Kupfer benötigen wir unter anderem für Kabel und wenn wir Kabel zusammenlöten wollen, benötigen wir Zinn. Aluminium ist als besonders leichtes Metall für viele Gegenstände beliebt. Auch Eisen ist ein sehr wichtiges Metall. Es wird unter anderem für Stahlseile in Aufzügen, für Brücken und in vielen Maschinen verwendet. Da Eisen jedoch leicht rostet, wird es oft durch eine ZinkSchicht geschützt. Ein weiteres heute sehr wichtiges Metall ist Lithium. Wir benötigen es für die Akkus in unseren Smartphones, Tablets, Elektroautos usw. Doch wo kommen all diese Metalle eigentlich her? Metalle kommen meist als Verbindung in Erzen und selten rein, also gediegen vor Nur wenige Metalle kommen in ihrer Reinform in der Natur vor. Wir sprechen dabei von gediegenen Metallen. Zu den gediegenen Metallen gehören unter anderem Gold, Silber und Platin. Die meisten Metalle kommen in sogenannten Erzen vor. Erze sind Salze, aus denen mit einem vertretbaren energetischen Aufwand das entsprechende Metall gewonnen werden kann (Abb. 1.2). Bei den wichtigsten Erzen handelt es sich um Oxide. Oxide entstehen häufig durch Reaktionen bei der Verbrennung oder Korrosion. Eigenschaften und Verwendung einiger Metalle Aluminium: wichtigstes Leichtmetall, sehr dehnbar (Alufolie, Aluminiumtuben), gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität Blei: sehr weich, an frischer Oberfläche blauglänzend, Verwendung für Batterien und Schutz gegen Röntgenstrahlen Eisen: wichtigstes Gebrauchsmetall für Werkzeuge, Maschinen und Bauten, magnetisierbar, rostet an feuchter Luft. Gold: weich, sehr dehnbar, Verwendung als Schmuckmetall und in der Zahnmedizin Kupfer: weiches, dehnbares Schwermetall von rotbrauner Farbe (Buntmetall), zweitbester elektrischer Leiter, Verwendung in elektrischen und elektronischen Geräten Magnesium: unedles Leichtmetall, Verwendung in Legierungen für Flugzeug- und Motorenbau Quecksilber: silberglänzendes, halbedles Schwermetall, als einziges Metall bei Raumtemperatur flüssig, frühere Verwendung als Thermometerfüllung, verdunstet bereits bei Raumtemperatur, sehr giftig! Silber: weiches Edelmetall, bester elektrischer Leiter, Verwendung als Schmuck- und Münzmetall sowie für medizinische und chemische Geräte Zink: hellgraues Schwermetall, gegen Witterungseinflüsse ziemlich beständig, Verwendung für Rohre, Dachrinnen, Stahlblech wird oft verzinkt Zinn: silberglänzendes Schwermetall, weich, dehnbar, wurde früher für Geschirr verwendet, heute als Lötmaterial (Lötzinn) und in Form von verzinnten Eisenblech für Konservendosen Legierungen Bronze, Messing und Stahl sind gewöhnliche Metalle, denkst du? Stimmt, wir begegnen ihnen häufig in unserem Leben und Alltag. Das Besondere an diesen Metallen ist allerdings, dass sie keine reinen Metalle, wie Eisen, Aluminium und Gold, sind. Bronze, Messing und Stahl sind Stoffgemische aus unterschiedlichen Metallen. Wir nennen sie Legierungen. Das Verb ligieren kommt von dem lateinischen Wort ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden und vereinigen. Was wir unter Legierungen verstehen Eine Legierung eines Basismetalls mit weiteren Stoffen ist ein Stoff, der aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen zusammengesetzt ist. Ein Stoff, der chemisch nicht weiter zerlegt werden kann, muss dabei ein Metall sein. Bronze und Messing bestehen zum Beispiel aus einem Stoffgemisch aus reinen Metallen. Stahl besteht dahingegen aus einen Stoffgemisch aus Eisen und dem Nichtmetall Kohlenstoff. • Bronze besteht aus mindestens 60 Kupfer und zum Rest aus Zinn. • Messing besteht aus über 55 Kupfer und Zink. • Stahl besteht aus Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von maximal 1,6 %. Abb. 2 Homogene und heterogene Legierungen Warum wir Metalle mischen, um Legierungen zu erhalten Wir mischen Metalle zu Legierungen, um Stoffe mit einer höheren Härte, Festigkeit und Elastizität zu bekommen. Die Legierungen sind robuster im Gegensatz zu ihren Basismetallen. Zudem sind Legierungen korrosionsbeständiger als ihre Basismetalle. Während Eisen draussen schnell anfängt Rost zu bilden, weil es an der Oberfläche oxidiert, ist Stahl als Legierung des Eisens robuster und wetterbeständig. Würden die Cent-Münzen nur aus ihrem Eisenkern ohne Kupfermantel bestehen, würde sich ebenfalls direkt Rost bzw. Eisenoxid bilden. Würden sie allerdings nur aus Kupfer bestehen, wäre das Material Kupfer weitaus wertvoller als die Münze selber. Deshalb bestehen die Kupfermünzen im Kern aus Eisen, welches ein viel günstigeres Metall als Kupfer ist. Zudem ist bei Legierungen die Schmelztemperatur geringer als bei den Basismetallen und die elektrische Leitfähigkeit nimmt auch ab. Arten von Legierungen Knet-Legierungen . werden durch Pressen, Schmieden und Walzen hergestellt, haben eine gute Festigkeit und sind verformbar. Guss-Legierungen . werden im Druckguss hergestellt, sind schlecht verformbar, aber gut bearbeitbar, sodass sie auch für dünne Bauteile verwendet werden können. Legierungen sind feste Metallgemische, die durch Zusammenschmelzen mehrerer Metalle hergestellt werden. Sie haben andere Eigenschaften als die reinen Metalle. Beispiele: Bronze: Legierung aus Kupfer und Zinn Messing: Legierung aus Kupfer und Zink Amalgam: Legierung aus Quecksilber und Silber Lötzinn: Legierung aus Blei und Zinn Stahl: Legierung aus Eisen und anderen Metallen (z.B. Chrom, Nickel) Einteilung von Metallen Metalle, die an Luft allmählich ihren Metallglanz verlieren, nennt man unedle Metalle (z.B. Zink, Eisen, Blei und Magnesium). Unedle Metalle sind anfällig für chemische Reaktionen (wie Oxidation, Säureeinwirkung usw.). Edelmetalle sind beständiger. Sie reagieren nicht so schnell mit Luft, Wasser oder auch Säuren (z.B. Gold, Silber, Platin) Entsprechend ihrer Dichte ( Masse eines Stoffes pro cm3) lassen sich die Metalle auch in zwei andere Gruppen einteilen: Leichtmetalle: Metalle, deren Dichte kleiner als 5g/cm3 ist (z.B. Mg, Al) Schwermetalle: Metalle, deren Dichte grösser als 5g/cm3 ist (z.B. Fe, Cu, Au, Pt) Eigenschaften und Verwendung einiger Metalle Aluminium: wichtigstes Leichtmetall, sehr dehnbar (Alufolie, Aluminiumtuben), gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität Blei: sehr weich, an frischer Oberfläche blauglänzend, Verwendung für Batterien und Schutz gegen Röntgenstrahlen Eisen: wichtigstes Gebrauchsmetall für Werkzeuge, Maschinen und Bauten, magnetisierbar, rostet an feuchter Luft. Gold: weich, sehr dehnbar, Verwendung als Schmuckmetall und in der Zahnmedizin Kupfer: weiches, dehnbares Schwermetall von rotbrauner Farbe (Buntmetall), zweitbester elektrischer Leiter, Verwendung in elektrischen und elektronische Geräten Magnesium: unedles Leichtmetall, Verwendung in Legierungen für Flugzeug- und Motorenbau Quecksilber: silberglänzendes, halbedles Schwermetall, als einziges Metall bei Raumtemperatur flüssig, frühere Verwendung als Thermometerfüllung, verdunstet bereits bei Raumtemperatur, sehr giftig! Silber: weiches Edelmetall, bester elektrischer Leiter, Verwendung als Schmuckund Münzmetall sowie für medizinische und chemische Geräte Zink: hellgraues Schwermetall, gegen Witterungseinflüsse ziemlich beständig, Verwendung für Rohre, Dachrinnen, Stahlblech wird oft verzinkt Zinn: silberglänzendes Schwermetall, weich, dehnbar, wurde früher für Geschirr verwendet, heute als Lötmaterial (Lötzinn) und in Form von verzinnten Eisenblech für Konservendosen