Lektion 3.3

Metalle

16 min Lesezeit

Dein Fahrrad besteht aus mehreren Metallen. Der Rahmen ist aus Stahl oder Aluminium, die Kabel am Licht sind aus Kupfer, die Kette ist aus Stahl. Ein goldener Ring dagegen bleibt jahrelang blank. Ein Stück Eisen im Regen wird nach einigen Wochen rot und rau.

Du fragst dich: Warum leiten Metalle Strom und lassen sich verformen? Warum rostet Eisen, Gold aber nicht? Und woher bekommt man Metalle, wenn sie nicht als blanke Stücke im Boden liegen? Das beantwortest du mit einem Modell für den Zusammenhalt in Metallen.

Definition

Eigenschaften und Verwendung von Metallen

Metalle haben gemeinsame Eigenschaften. Man nutzt sie, wo sie gebraucht werden.

EigenschaftBeispielVerwendung
Metallglanzblank geschliffenes SilberSchmuck, Münzen
leitet den StromKupfer, AluminiumKabel, Freileitungen
leitet WärmeKupfer, AluminiumTopfböden, Kühlkörper
verformbarGold, Kupfer, AluminiumDraht, Blech, Alufolie
meist fest und hartEisen schmilzt erst über 1500 °CBrücken, Werkzeuge, Maschinen

Es gibt Ausnahmen. Natrium ist so weich, dass du es mit einem Messer schneiden kannst. Quecksilber ist bei Zimmertemperatur flüssig. Aluminium ist leicht, Blei ist schwer.

Definition

Metallbindung: Elektronengasmodell und Metallgitter

Die meisten Metallatome haben nur 1 bis 3 Valenzelektronen und halten sie locker fest. Im Metall gehören diese Elektronen nicht mehr zu einem bestimmten Atom. Sie bewegen sich frei zwischen allen Atomen. Zurück bleibt der Atomrumpf: der Atomkern mit den inneren Schalen. Er ist positiv geladen, weil ihm die Valenzelektronen fehlen.

  • Die Atomrümpfe sitzen regelmäßig geordnet nebeneinander wie Kugeln in einer Kiste. Diese Ordnung heißt Metallgitter.
  • Die frei beweglichen Elektronen füllen die Zwischenräume. Weil sie sich wie ein Gas frei bewegen, spricht man vom Elektronengas.
  • Die positiven Rümpfe und das negative Elektronengas ziehen sich an. Das hält das Metall zusammen und heißt Metallbindung.

Das ist ein Modell. Es vereinfacht, erklärt aber viele Eigenschaften.

Beispiel

Warum leitet ein Kupferdraht Strom und lässt sich biegen?

Du biegst einen Kupferdraht. Er bricht nicht, und er leitet danach noch genauso gut Strom. Erkläre beides mit dem Elektronengasmodell.

Strom: Die Elektronen des Elektronengases sind schon im Draht und frei beweglich. Schließt du eine Batterie an, schiebt die Spannung sie in eine Richtung. Das ist der Strom. Beim Biegen bleiben die Elektronen frei, darum leitet der Draht weiter.

Verformen: Beim Biegen gleiten Schichten von Atomrümpfen gegeneinander. Das Elektronengas passt sich an und hält die Rümpfe weiter zusammen. Die Bindung bleibt bestehen, nichts bricht.

Wärme und Glanz: Die beweglichen Elektronen geben Bewegung schnell weiter, darum leiten Metalle auch Wärme. Das Elektronengas wirft Licht zurück, und das gibt den Metallglanz.

Metalle im Periodensystem

Die Metalle sind farbig hervorgehoben, die übrigen Elemente abgeblendet. Die meisten Elemente sind Metalle. Klicke Natrium (Na), Magnesium (Mg) und Aluminium (Al) an und lies bei "Elektronen je Schale" die Zahlen ab. Die letzte Zahl ist die Zahl der Valenzelektronen, die ins Elektronengas gehen können. Klicke zum Vergleich Chlor (Cl) an.

Definition

Legierungen

Eine Legierung ist eine Mischung aus einem Metall mit anderen Metallen oder mit wenig Nichtmetall. Man schmilzt die Stoffe zusammen und lässt sie erstarren. Beispiele: Bronze (Kupfer und Zinn), Messing (Kupfer und Zink), Stahl (Eisen mit wenig Kohlenstoff) und Edelstahl (Eisen mit Chrom, oft auch Nickel).

Legierungen sind oft härter als die reinen Metalle. Im Gitter sitzen Fremdatome anderer Größe. Sie behindern das Gleiten der Schichten. So kann man die Eigenschaften gezielt einstellen. Edelstahl rostet zum Beispiel kaum.

Definition

Edle und unedle Metalle

Metalle reagieren verschieden leicht mit Sauerstoff. Unedle Metalle reagieren leicht mit Sauerstoff zu Metalloxiden, sie oxidieren. Eisen rostet zu Eisenoxid, Magnesium verbrennt mit grellweißem Licht zu Magnesiumoxid. Aluminium ist auch unedel. Es überzieht sich aber sofort mit einer dünnen, festen Oxidschicht, die es schützt.

Edle Metalle wie Gold und Platin reagieren kaum mit Sauerstoff und bleiben blank. Kupfer liegt dazwischen: Es läuft mit der Zeit an, Kupferdächer werden grün.

Beispiel

Magnesium verbrennt

Magnesium verbrennt mit Sauerstoff zu Magnesiumoxid. Magnesiumoxid hat die Formel MgO\mathrm{MgO}. Stelle die Reaktionsgleichung auf.

Wortgleichung: Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid. Formeln: Mg+O2→MgO\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{MgO}.

Atome zählen: Links 1 Mg und 2 O, rechts 1 Mg und 1 O. Der Sauerstoff stimmt nicht. Ich setze 2 vor MgO\mathrm{MgO}. Rechts sind es 2 Mg und 2 O. Jetzt fehlt links Magnesium, ich setze 2 vor Mg.

Probe: Links 2 Mg und 2 O, rechts 2 Mg und 2 O.

2 Mg+O2⟶2 MgO2\,\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \longrightarrow 2\,\mathrm{MgO}
Definition

Gewinnung aus Erzen: Sauerstoffübertragung

Nur wenige Metalle wie Gold und Platin liegen rein in der Natur. Die anderen stecken als Verbindungen im Gestein, oft als Oxide. Ein Gestein, aus dem man ein Metall wirtschaftlich gewinnen kann, heißt Erz. Eisenerz enthält zum Beispiel Eisenoxide.

Um das Metall zu bekommen, muss man das Metalloxid zerlegen. Man nimmt ihm den Sauerstoff weg. Das ist eine Sauerstoffübertragung: Das Metalloxid gibt Sauerstoff ab, und ein anderer Stoff nimmt ihn auf. Meist ist das Kohlenstoff. Vereinfacht gesagt entzieht im Hochofen Kohlenstoff (aus Koks, einem Brennstoff aus Kohle) dem Eisenoxid bei sehr hoher Temperatur den Sauerstoff, und flüssiges Roheisen entsteht.

Beispiel

Kupfer aus Kupferoxid

Im Reagenzglas wird ein Gemisch aus schwarzem Kupferoxid (CuO\mathrm{CuO}) und Kohlepulver (Kohlenstoff, C) stark erhitzt. Das Pulver glüht kurz auf und wird rotbraun. Das entstehende Gas leitet man in Kalkwasser, das trüb wird. Was ist passiert?

Das trübe Kalkwasser zeigt Kohlenstoffdioxid an. Das rotbraune Pulver ist Kupfer. Der Kohlenstoff hat dem Kupferoxid den Sauerstoff entzogen. Das ist die Sauerstoffübertragung.

Wortgleichung: Kupferoxid + Kohlenstoff → Kupfer + Kohlenstoffdioxid.

Gleichung: 2 CuO+C→2 Cu+CO22\,\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \rightarrow 2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{CO_2}. Probe: Links 2 Cu, 2 O und 1 C, rechts 2 Cu, 1 C und 2 O. Das stimmt. Das Kupferoxid gibt den Sauerstoff ab, der Kohlenstoff oxidiert zu Kohlenstoffdioxid.

Definition

Recycling von Metallen

Erze sind begrenzt, und ihr Abbau und die Gewinnung des Metalls belasten die Umwelt. Die Gewinnung braucht viel Energie, bei Aluminium besonders viel. Metalle kann man aber einschmelzen und erneut verwenden, das ist Recycling. Dazu sortiert man den Schrott: Eisen und Stahl zieht ein Magnet heraus, andere Metalle trennt man auf anderen Wegen. Recycling spart Rohstoffe und Energie, bei Aluminium über 90 Prozent der Energie, und verringert Müll.

Häufige Fehler

Alle Metalle sind hart und schwer

„Metalle sind immer hart, schwer und fest.“

Richtig ist

Meist stimmt das, aber nicht immer. Natrium lässt sich schneiden, Quecksilber ist flüssig, und Aluminium ist leicht.

Häufige Fehler

Aluminium ist ein edles Metall

„Aluminium rostet nicht, also ist es ein edles Metall.“

Richtig ist

Aluminium ist unedel und reagiert sofort mit Sauerstoff. Die dünne Oxidschicht, die dabei entsteht, schützt das Metall darunter. Gold braucht keine solche Schutzschicht.

Häufige Fehler

Die Elektronen kommen aus der Batterie

„Wenn Strom fließt, schickt die Batterie Elektronen in den Draht.“

Richtig ist

Die Elektronen sind schon im Metall, im Elektronengas. Die Spannungsquelle bringt sie dazu, sich in eine Richtung zu bewegen.

Zusammenfassung

  • Metalle glänzen, leiten Strom und Wärme und lassen sich verformen. Es gibt Ausnahmen, wie flüssiges Quecksilber.

  • Im Metallgitter sitzen positive Atomrümpfe. Die Valenzelektronen bilden ein frei bewegliches Elektronengas. Die Anziehung zwischen beiden ist die Metallbindung.

  • Das Elektronengasmodell erklärt Leitfähigkeit (freie Elektronen) und Verformbarkeit (Schichten gleiten, die Bindung bleibt).

  • Legierungen sind Mischungen aus Metallen, zum Beispiel Bronze und Stahl. Sie sind oft härter als reine Metalle.

  • Unedle Metalle reagieren leicht mit Sauerstoff, edle wie Gold kaum.

  • Metalle gewinnt man aus Erzen. Dabei gibt das Metalloxid seinen Sauerstoff an einen anderen Stoff ab, meist an Kohlenstoff: 2 CuO+C→2 Cu+CO22\,\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \rightarrow 2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{CO_2}.

  • Recycling spart Rohstoffe, Energie und Müll.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Warum leitet ein Metall den elektrischen Strom?

Aufgabe 2Multiple Choice

Welches dieser Metalle ist ein edles Metall?

Aufgabe 3Numerisch

Ein Aluminiumatom hat 3 Valenzelektronen. Ein winziges Stück Aluminium enthält 300 Atome, und jedes gibt alle Valenzelektronen ins Elektronengas ab. Wie viele freie Elektronen sind das?

Aufgabe 4Multiple Choice

Kupferoxid wird mit Kohlenstoff erhitzt: 2 CuO+C→2 Cu+CO22\,\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \rightarrow 2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{CO_2}. Was geschieht mit dem Sauerstoff?

Aufgabe 5Freitext

Begründe, warum man Gold in der Natur als reines Metall findet, Eisen aber nur in Erzen.