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Die Stoffklasse "Metalle" (im Rahmen der allgemeinen Chemie - Sek I)

 

Allgemeines:

Relativ früh lernt man in der Chemie die drei (Haupt)Stoffklassen, Metalle, Salze und molekulare Stoffe (Moleküle) kennen. Dabei spielen fast alle drei Stoffklassen eine wichtige Bedeutung in Natur und Technik. Die Bedeutung der Metalle bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts war enorm, die Metalle als Werkstoffe spielten eine wesentliche Rolle in der Technik. Dass Metalle eine bedeutende Rolle in der Entwicklungsgeschichte des Menschen spielen zeigt sich daran, dass Zeitepochen wie die Bronzezeit oder die Eisenzeit nach Metallen benannt wurde.

Die typischen Eigenschaften von Metallen:

Die Bedeutung von Metallen zeigt sich bereits an ihren typischen Eigenschaften.

  • Metalle weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine elektrische Leitfähigkeit auf. Daher enthalten beispielsweise Stromkabel meistens Kupfer (unter der Kunststoffisolierung), weil Kupfer ein sehr guter elektrischer Leiter ist.
  • Metalle haben neben der hohen Wärmeleitfähigkeit noch (in der Regel) eine hohe Schmelztemperatur. Diese typische Eigenschaft von Metallen findet beispielsweise bei Kochtöpfen und Pfannen Anwendung.
  • Metalle sind verformbar (= duktil) und können durch Schmieden oder Walzen in fast jede beliebige Form gebracht werden. Dies machte (bis zur Einführung von Kunststoffen) Metalle als Werkstoffe unersetzbar

Die Einteilung von Metallen:

Gemäß dem Periodensystem der Elemente gibt es mehr als 80 verschiedene Metalle, die sich auch unterscheiden. So liegen beispielsweise nicht alle Metalle bei Raumtemperatur im festen Zustand vor, denn Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig. Auf der Suche nach unterschiedlichen "Eigenschaften" um Metalle in Gruppen einzuteilen, fanden Wissenschaftler zwei "Eigenschaften" heraus, um Metalle in Gruppen einzuteilen. Zum einen diente die Dichte des Metalls als Ordnungskritierum, zum anderen der metallische Glanz der Oberfläche.


Die Einteilung von Metallen nach ihrer Dichte

Die zunehmende Verwendung von Aluminium (leichtes, aber doch stabiles Metall) im Flugzeugbau und deren wirtschaftliche Bedeutung führte zu einer Einteilung der Metalle nach ihrer Dichte. Dabei werden Metalle mit einer Dichte von weniger als 4,5 g/cm³ als Leichtmetalle bezeichnet.Liegt hingegen die Dichte des Metalls über 4,5 g/cm³ wird dieses Metall als Schwermetall bezeichnet. Wichtige Leichtmetalle sind neben Aluminium noch Magnesium und Titan.

Die Einteilung von Metallen nach ihrem Glanz

Relativ früh erkannten Menschen schon, dass nicht alle Metalle ihren typischen Metallglanz zeigen. Bei vielen Metallen wie beispielsweise Eisen "erscheint" der metallische Glanz (wieder), wenn die Oberfläche abgeschmirgelt wird. Nach einiger Zeit (an der Luft) "verschwindet" bei einigen Metallen der metallische Glanz. Dies führte zur Unterteilung von edlen und unedlen Metallen. Edle Metalle, die ihren metallischen Glanz (auch an Luft) "behalten" sind beispielsweise Gold, Silber und Platin.

Die Oxidationsreihe der Metalle:

Wie vorher beschrieben, verändern sich einige Metalle im Laufe der Zeit, wenn diese Metalle der Luft ausgesetzt werden. So "verliert" beispielsweise ein rotbraun glänzendes Kupferrohr mit der Zeit den metallischen Glanz und wird allmählich braun. Dieses Phänomen führte zur Einteilung in edle und unedle Metalle.

Die Metalle haben (an ihrer Oberfläche) mit dem Sauerstoff der Luft reagiert, wodurch ein sogenanntes Metalloxid entstanden ist (bei diesem Vorgang handelt es sich um eine Oxidation). Nun reagieren die Metalle unterschiedlich mit dem Sauerstoff der Luft. Die Metalle, die an Luft ihren metallischen Glanz "verloren" haben, werden als unedle Metalle bezeichnet. Man kann nun Metalle Luftsauerstoff aussetzen und beobachten, ob eine Reaktion eintritt (und wenn ja, wie lange die Reaktion dauert). Die Ergebnisse der einzelnen Metalle lassen sich vergleichen und so die sogenannte Oxidationsreihe der Metalle aufstellen. Dabei reagiert jedes weiter links stehende Metall mit Sauerstoff "leichter" als das weiter rechts stehende (d.h.von links nach rechts werden die Metalle immer edler bzw. von rechts nach links immer unedler)

Natrium => Magnesium => Aluminium => Zink => Eisen  => Kupfer => Silber => Gold => Platin

(Im Rahmen der Anorganischen Chemie wird hier der Begriff "Redoxreihe" bzw. "Elektrochemische Spannungsreihe" der Metalle eingeführt werden, der genau vorgibt, wannein Metall edel und wann unedel ist).

Im Rahmen der Allgemeinen Chemie reicht es, Beispiele für unelde Metalle (Natrium, Magnesium, Aluminium, Zink, Eisen, Kupfer) und edle Metalle (Silber, Gold, Platin) zu kennen und zu verstehen, aufgrund welcher Eigenschaft diese Einteilung zustande kam.



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