Metalle und ihre Eigenschaften

Ca. 3/4 des Periodensystems der Elemente bestehen aus Metallen. Sie sind eine riesige Gruppe und viele davon spielen in unserem Alltag eine Rolle, z.B. Eisen als Stahl, Kupfer als Bronze oder Messing oder Kupferrohr, Silber und Gold als Edelmetalle. Doch was macht ein Metall zum Metall und was unterscheidet diese große Gruppe von den Nichtmetallen? Das klären wir hier.

Man kann grundsätzlich ein Metall an folgenden Eigenschaften erkennen und diese Eigenschaften auch anhand der inneren Struktur von Metallen erklären:

1. Metalle glänzen
   - die meisten silbern, Gold allerdings goldfarben und Kupfer kupferfarben.
2. Metalle leiten den elektrischen Strom
   - manche sehr gut (z.B. Silber oder Kupfer), andere weniger gut (z.B. Blei oder Titan)
3. Metalle leiten die Wärme
   - manche sehr gut (z.B. Silber oder Gold), andere weniger gut (z.B. Quecksilber oder Blei)
4. die meisten haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen
   - wichtige Ausnahmen: Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig; Gallium und Cäsium schmelzen schon bei Handwärme; alle anderen Metalle haben eine Schmelztemperatur von um die Hundert bis Tausend Grad Celsius.
5. Metalle lassen sich plastisch verformen
   - das bedeutet, man kann z.B. mit einem Hammer darauf hauen und es bleibt eine Beule, zersplittert aber meist nicht und die Beule geht auch nicht von allein wieder weg.

Alle wichtigen Eigenschaften der Metalle lassen sich durch die innere Struktur erklären - und genau das ist für die Prüfung und Tests in der Schule wichtig. Darum zeige ich Dir die innere Struktur hier und erkläre Dir die Zusammenhänge mit den Eigenschaften.

Metallatome sind gitterförmig aufgebaut und erinnern zunächst stark an den Aufbau von Salzen. Hier gibt es jedoch einige Unterschiede.

Bei Metallen sind nur die Atomrümpfe gitterartig angeordnet. Atomrümpfe sind die Kerne zusammen mit den inneren Elektronen.

Die Außenelektronen lassen sich bei Metallen leicht aus dem Atom lösen und werden von allen Seiten gleich stark angezogen, weil überall gleiche Atomrümpfe sind. Die Außenelektronen schwirren zwischen den Atomrümpfen frei beweglich herum. Man nennt das die "Elektronenwolke".

Zusammenhang Aufbau & Eigenschaften der Metalle

Und wie hängt dieser Aufbau nun mit den Eigenschaften der Metalle zusammen?

Gehen wir sie einzeln durch:

1. Warum glänzen Metalle?

Alles, was wir sehen, ist Licht. Entweder sehen wir es, weil es direkt von einer Lichtquelle kommt (Sonne, Lampe oder Ähnliches) oder weil alle Dinge Licht mehr oder weniger reflektieren, das bedeutet so viel wie "zurückwerfen". 

Wenn ein Lichtstrahl auf ein Metall trifft, kann er nur gerade hindurch. Licht kann nicht von allein "um die Ecke" scheinen, sonst gäbe es z.B. keinen Schatten. Der Lichtstrahl wird von den Teilchen des Metalls (Atomrümpfe oder Elektronen) nun reflektiert (zurückgeworfen) oder absorbiert (d.h. "geschluckt"). Wird er absorbiert, ist er für uns nicht mehr sichtbar. Wird der Lichtstrahl aber reflektiert, ändert er die Richtung. Viele Lichtstrahlen treffen gleichzeitig auf - alle mehr oder weniger in einer Richtung. Sobald sie auf ein Hindernis stoßen, werden sie von den Elektronen und Atomrümpfen nun in alle Richtungen zerstreut. Für uns sieht das glänzend aus.

2. Warum leiten Metalle den elektrischen Strom?

Wenn man an ein Stück Metall eine Spannung anlegt, wollen die negativen Elektronen dahin, wo es positiv ist. Sie können sich frei bewegen und es sind unzählig viele. Sie strömen also alle in Richtung der positiven Elektrode, der Kathode. Das nennen wir Strom.

3. Warum leiten Metalle Wärme?

Auch hier spielen die umherflitzenden Elektronen eine Rolle. Außerdem muss man dafür wissen, was Wärme ist. Wärme ist nichts anderes als Bewegung der Teilchen im Inneren. Bewegen sie sich sehr schnell, fühlt sich ein Stoff für uns warm an. Bewegen sie sich sehr langsam, ist er kalt. Wenn sie sich überhaupt nicht mehr bewegen, ist der sogenannte Absolute Nullpunkt erreicht. Er hat eine Temperatur von -273,15°C oder 0K (K = Kelvin).

Bewegen sich die Elektronen und Atomrümpfe schneller, weil ihnen Energie zugeführt wird, stoßen sie sich gegenseitig an. Das beginnt genau an der Wärmequelle und setzt sich relativ schnell im Metall fort. So leiten Metalle Wärme.

4. Warum haben die meisten Metalle hohe Schmelz- und Siedetemperaturen?

Die Atomrümpfe im Metall sind recht fest aneinander gebunden - mit wenigen Ausnahmen. Um sie voneinander zu trennen und sie damit zu schmelzen (in einer Flüssigkeit liegen die Atome ungeordnet herum), braucht man viel Energie in Form von Wärme. Die negativen Elektronen, die zwischen den Atomrümpfen herumschwirren, halten das Gitter zusätzlich stabil. So braucht man noch mehr Energie. Deshalb haben viele Metalle hohe Schmelz- und Siedetemperaturen.

5. Warum lassen sich Metalle plastisch verformen?

"Plastisch verformen" bedeutet, dass sie nach mechanischer Einwirkung (z.B., wenn ich mit einem Hammer draufhaue) nicht wieder in ihren Ursprungszustand zurückgehen, sondern so bleiben. Das Gegenteil wäre "elastisch", wie ein Gummiband oder eine Matratze. Spröde sind sie auch nicht, sonst würden sie zerspringen wie Glas oder ein Salzkristall.

Sie bleiben so, weil alle Schichten gleich aufgebaut sind. Es ändert sich nichts, wenn man die Schichten gegeneinander verschiebt, indem man mit Gewalt auf sie einwirkt. Vor der Einwirkung liegen die Atomrümpfe im Gitter angeordnet mit einer Elektronenwolke dazwischen und danach auch. Die Schichten stoßen sich nicht ab, deshalb bleibt alles zusammen. Nur eben nach dem Schlag mit Beule. Sehr zum Leidwesen so manchen Autofahrers.

Nach dieser kleinen Schau über den Zusammenhang zwischen der inneren Struktur und den außen sichtbaren Eigenschaften zeige ich dir die Besonderheiten einiger wichtiger Metalle, die in unserem Leben eine große Rolle spielen oder für unsere Vorfahren gespielt haben. Sie prägen unser Leben. Man sollte sich also etwas damit auskennen.

Aluminium ist das häufigste Metall der Erde.

Aluminium hat das chemische Zeichen Al. 

Es ist ein Element und in der III. Hauptgruppe zu finden. Dort sieht man auch: Es hat 3 Außenelektronen, die es gern mal abgibt. Zum Beispiel und sehr häufig an Sauerstoff. Die Verbindung, die dabei herauskommt, ist Aluminiumoxid. Die Formel ist:

Al₂O₃

Aluminium selbst ist eigentlich silbrig und glänzend, wie sich das für ein Metall gehört. Allerdings geht es ja mit dem Sauerstoff so gern Verbindungen ein und in der Luft gibt es eine Menge davon. Der Luftsauerstoff reagiert mit dem Alu zum Aluminiumoxid. Und schon sieht es matt aus. 

Die Reaktionsgleichung ist:

4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Wenn man die Reaktionsgleichung liest, dann sagt man:

4 Aluminiumatome reagieren mit 3 Sauerstoffmolekülen zu 2 Aluminiumoxidmolekülen.

Diese Oxidschicht schützt das darunter liegende Metall. Die Schicht ist nämlich superdünn. Und das Metall darunter eben kein Aluoxid, sondern nur Alu. Es ist, anders als rostiges Eisen, sehr korrosionsbeständig - rostet also nicht durch und bröselt auch nicht weg. Es bleibt einfach wie es ist über eine lange Zeit, selbst wenn es Wind und Wetter ausgesetzt ist.

Aluminium ist sehr leicht. Es gehört deshalb zu den Leichtmetallen.

So bezeichnet man Metalle mit einer Dichte von weniger als 5g/cm³. Unser Alu hat eine Dichte von 2,7g/cm³.

Es schmilzt bei ca. 660°C. Zum Kochen braucht es satte 2470°C. In der Fachsprache sagt man aber nicht "kochen", sondern "sieden". Sein Schmelzpunkt liegt bei 660°C und sein Siedepunkt bei 2470°C. So ist es korrekt ausgedrückt.

Außerdem leitet es Wärme und Strom gut. Zwar kann Kupfer beides viel besser, ist aber gleichzeitig auch viel schwerer.

Im Leichtmetallbau, bei Flugzeugen, in der Elektroindustrie und auch für einige Motorteile ist es sehr begehrt.

Es ist günstig zu produzieren und als häufigstes Metall der Erdkruste auch gut verfügbar.

Billig, leicht zu haben, nützliche Eigenschaften? Ja, Alu kann all das und ist deshalb beliebt.

Ich nehme an, du ahnst es schon? Ich hab es ja auch schon erwähnt ;-). Es kommt von allen Metallen in der Erdkruste am häufigsten vor.

Da gibt es allerdings ein großes ABER:

Es tut uns nicht den Gefallen, wie Gold einfach irgendwo zu warten, bis man es findet und abbauen und dann gleich verwenden kann, sondern versteckt sich zwischen anderen Verbindungen, wie Eisenoxid oder Siliciumoxid. Eisenoxid kennen wir als Rost, Siliciumoxid ist nichts anderes als Sand. Mit den beiden hat es sich in der Natur verbrüdert.

Das gesamte Erz (so nennt man solche Gemische aus Metallen und anderen Stoffen in der Natur) heißt Bauxit. Darin sind, je nach Lagerstätte, 40-60% Aluoxid enthalten. Der Rest sind die anderen beiden Oxide.

Bauxit-Lagerstätten (das sind Orte, an denen ein Stoff so konzentriert vorkommt, dass sich der Abbau lohnt) findet man vor allem im Tropischen Gürtel der Erde, also unter den Tropischen Regenwäldern. Aber auch hier in Europa haben wir sowas: in Südfrankreich, Ungarn, Bosnien und Herzegowina.

Aluminium wird in einem Verfahren gewonnen, das man Schmelzflusselektrolyse nennt. 

Zuerst muss man aber das Al₂O₃ schmelzen, denn das Alu steckt in dieser Verbindung drin. Während reines Alu bei 660°C schmilzt, schmilzt Al₂O₃ erst bei über 2.000°C. Das ganze Verfahren verschlingt damit Unmengen an Energie. Man kann die Energie für das Schmelzen etwas verringern, indem Kryoltih und Fluorverbindungen zugesetzt werden. So geht der Schmelzpunkt auf 950°C herunter. 

Die giftigen Abgase aus CO₂, CO und Fluorverbindungen werden aufgefangen und zurückgeführt. 

Kryoltih, das man dafür braucht, ist nicht genug in der Natur vorhanden. Es wird aufwändig hergestellt. 

Alu wird wegen seiner geringen Dichte kombiniert mit seiner guten elektrischen Leitfähigkeit als elektrischer und Wärmeab-Leiter verwendet, z.B. in Computern und Smartphones.

Du kennst es auch als metallische Schicht in Tetrapaks, in Konservendosen und als Alufolie. 

Es reflektiert gut, sogar UV-Licht. Deshalb wird es in Spiegeln, spiegelnden Oberflächen, Reflektoren und Spiegelreflexkameras genutzt.

Außerdem nutzt man es als Lebensmittelfarbe (E173) und zur Dekoration von Kuchen und Backwaren.

Du findest es in Flitter, Geschenkbändern und Lametta.

Da unbehandelter Alu-Staub sehr explosiv ist, also große Mengen Energie plötzlich freisetzen kann, wird es zum thermischen Schweißen und als Treibstoffzusatz in Raketen genutzt.

Man muss Bauxit mühsam auseinander popeln. Das ist ein ziemlicher Aufwand und der ist umwelttechnisch aus mehreren Gründen schrecklich.

Es wird Regenwald vernichtet, weil die größten Bauxit-Lagerstätten unter dem Tropischen Regenwald sind.

Aber damit nicht genug bleiben bei der Gewinnung toxische (= giftige) Stoffe übrig, die nennt man "Rotschlamm". Und zwar in rauen Mengen. So viel, dass Menschen und Tiere und Pflanzen, die in der Nähe der Verarbeitungsstätte leben, heftige Gesundheitsprobleme bekommen: Atemwegserkrankungen, Knochenschäden, Hautprobleme und vieles mehr. Hast du das gewusst?

Das solltest du wissen und daran denken, wenn du das nächste Mal im Supermarkt zu einer Konserve oder Alufolie greifst. Oder zu anderen Gegenständen aus Alu. 

Außerdem werden für die Alu-Produktion sehr große Energiemengen benötigt und die setzen verdammt viel CO₂ frei. Das heizt den Treibhauseffekt weiter an. 

Wegen dieses hohen Aufwandes lohnt sich das Recycling von Aluminium in besonderem  Maß. Das ist nämlich viel weniger aufwändig und giftig. Achte also darauf, dass du Aluminium-Produkte wieder in die richtige Mülltonne gibst. Das ist die gelbe Wertstofftonne.

Aluminium braucht unser Körper nicht. Insbesondere in Verbindung mit Säure steht es aktuell im Verdacht, Alzheimer auszulösen. Alu ist ein Nervengift, unsere Nervenzellen können bei Kontakt mit Alu zerstört werden. Normalerweise schützt uns die Blut-Hirn-Schranke vor diesem Stoff. In Verbindung mit Zitronensäure kann Alu diese Schranke aber überwinden. Die Zitronensäure wird abgebaut und das Alu bleibt bei der Nervenzelle und schädigt sie. Wie so etwas passieren kann? Z.B. wenn du Fisch mit Zitronen zubereitest und dann mit Alufolie abdeckst. So kommen die beiden in Kontakt. Und wenn du das dann isst, hast du immer auch ein wenig Alu im Essen. Nutz für die Zubereitung besser kein Alu, sondern feuerfeste Glasgefäße.

Außerdem steht es im Verdacht, Brustkrebs zu begünstigen. Es ging sehr oft durch die Medien: aluminiumhaltige Deosprays könnten das verursachen. Daher haben die Hersteller reagiert und Deos ohne Aluminium hergestellt. Aber das gilt nicht für alle Deos. Ob das wirklich so ist mit dem Alu und dem Brustkrebs, ist noch nicht so klar. Nimm vorsichtshalber die Finger weg von solchen Deos und pass auf, was du kaufst.

In Sternen werden Elemente hergestellt. Eisen ist im PSE das letzte Element, das in Sternen produziert wird. Alle nach ihm entstehen erst bei einer Supernova, weil deren Herstellung durch Kernfusion noch mehr Energie benötigt und die gibt es erst, wenn der Stern "stirbt" - bei einer Supernova. Wusstest du das? Nein? Na, dann weißt du es jetzt!

Eisen ist das zweithäufigste Metall und das vierthäufigste Element in der Erdhülle. Und es spielt eine riesige Rolle im Bau von Gebäuden, Brücken, Autos und noch viel mehr. Doch was macht es so spannend für diese Anwendungen? Warum wird es so gern dafür genutzt?

Reines Eisen ist nicht leicht zu bekommen. Es bleiben immer mehr oder weniger Reste von Kohlenstoff zwischen den Eisenatomen hängen. Viel C hat Roheisen, es ist spröde. Wenig C hat dagegen Stahl, es ist gut zu verformen.

Eisen hat die chemische Formel Fe. Das kommt vom lateinischen FERRUM.

Es ist das Element mit der Ordnungszahl 26, hat also 26 Protonen im Kern. Es ist ein Element der Nebengruppen.

Sein Aufbau ist etwas kompliziert und bis zum MSA eher unwichtig. Wenn du trotzdem mehr darüber erfahren willst (musst du aber nicht zwingend), dann empfehle ich dir diese Seite.

Eisen ist unedel, es oxidiert sehr leicht zu Eisenoxid. Das ist eine Verbindung aus Eisen und Sauerstoff (O). Eisenoxid gibt es in 2 Formen: als Eisen-II-Oxid (FeO) und als Eisen-III-Oxid (Fe₂O₃).

Beide kennst du wahrscheinlich unter einem anderen Begriff: Rost. Rost ist chemisch stets Eisenoxid.

Reines Eisen ist silbrig, glänzend, weich und lässt sich gut dehnen. Ein bisschen wie Kaugummi, wenn auch härter.

Eisen schmilzt bei über 1.500°C und siedet bei über 2.800°C. Wenn man über Metalle redet, haben wir meist die uns umgebenden Metalle vor Augen. Und das ist sehr oft Eisen in Form von Stahl - hart, temperaturbeständig, rostend, fest. Vorsicht! Das gilt auf keinen Fall für alle Metalle, sondern eben nur für Eisen!

Glühende Teile aus Eisen, wie Schwerter oder Hufeisen z.B., lassen sich prima verformen. Schmiede machen das.

Eisen ist bei Raumtemperatur magnetisch. Seine magnetischen Eigenschaften verlieren sich aber bei sehr hohen Temperaturen.

Kohlenstoff und verschiedene Metalle beeinflussen die Eigenschaften von Eisen ganz enorm. Daher kann man Eisen so prima seinen Bedürfnissen anpassen. Es gibt Eisen in Form von Baustahl, Besteck, Möbeln oder als Skalpell in der Chirurgie. Stets sind darin verschiedene Zusatzstoffe enthalten, die seine Eigenschaften auf genau diesen Zweck anpassen können.

Eisen gehört zu den Schwermetallen. Das sind Metalle mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm³. 

Eisen hat eine Dichte von 7,9 g/cm³.

Wie schon erwähnt, kommt Fe sehr häufig in der Erdkruste vor. Als gediegenes (reines) Eisen ist es sehr, sehr selten auf der Erde zu finden. In Meteoriten findet man gediegenes Fe dagegen oft.

Eisen kommt sehr häufig in verschiedenen Erzen, in Verbindungen und Gemischen vor. 

Eisenerze enthalten neben dem Fe noch viele andere Stoffe, wie Sauerstoff oder andere Metalle. Das Eisen liegt darin meist als Eisenoxid vor, ist also an Sauerstoff gebunden. Um das Eisen zu gewinnen, muss man es von diesen Stoffen befreien.

Das erreicht man, indem man das Eisenerz im Hochofen schmilzt und dem Sauerstoff im Eisenoxid einen Partner anbietet, mit dem er sich noch viel lieber verbindet. Diesen Partner findet man im Kohlenstoff. 

Bei hohen Temperaturen werden Eisenerz und Kohlenstoff im Hochofen zusammengebracht. Dabei wird dem Eisen der Sauerstoff entzogen. Der Sauerstoff verbindet sich sofort mit dem Kohlenstoff zu Kohlendioxid und entweicht als Gas.

Eisenpulver verbrennt mit faszinierendem Leuchten. Das macht es für Feuerwerke interessant.

Seine wichtigste Nutzung ist aber Stahl. Eisen ist Hauptbestandteil von Stahl, den es in sehr vielen verschiedenen Formen und Anwendungen gibt:

Baustahl, rostfreier Edelstahl für die Küche, die Gastronomie und die Medizin, Werkzeugstahl usw. Heute gibht es mehr als 1.000 verschiedene Stahlsorten, die sich in ihrem Gehalt an Kohlenstoff und weiteren Legierungen unterscheiden. Man kann für nahezu jede Anwendung einen eigenen Stahl designen.

Stahl ist ein Gemisch aus Eisen, weniger als 1,7% Kohlenstoff und weiteren Elementen, mit denen man die Nutzung beeinflussen kann.

Stahl ist elastisch, kalt und warm verformbar, man kann ihn schweißen, ziehen, walzen und härten.

Rohstahl dagegen ist spröde, hart und lässt sich kaum bearbeiten. Es hat noch wesentlich mehr Kohlenstoff (meist um die 4%), wenn es nach der Eisenerzaufbereitung aus dem Hochofen kommt.

Eisen wird mühselig und mit viel Energie aus Eisenerzen gewonnen. Sowohl der Abbau als auch die Eisengewinnung sind mit diversen Umweltproblemen verbunden. Zum einen sorgt Bergbau stets für eine Verschandelung der Landschaft und zum anderen ist der enorme Energiebedarf problematisch, da dieser meist mit fossilen Brennstoffen und allen damit verbundenen Problemen gedeckt wird.

Es sind im Laufe der Jahrhunderte bereits sehr viele Produkte aus Eisen produziert worden und im Umlauf. Das Recycling von eisenhaltigen Stoffen nimmt damit einen immer höheren Stellenwert ein. Es ist weit weniger energieaufwändig und schont die Umwelt - der Abbau hat schon stattgefunden, das Eisen wurde bereits gewonnen und muss nur noch verändert werden.

Ups... da bin ich wohl noch nicht angekommen.