Intermetallische Systeme, ( Legierungen ) Metalle

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1 Eigenschaften Metalle plastisch verformbar meist hohe Dichte ( Ausnahme: Leichtmetalle ) gute elektrische Leitfähigkeit gute Wärmeleitung optisch nicht transparent metallischer Glanz Intermetallische Systeme, ( Legierungen ) Legierungen sind Verbindungen von zwei oder mehr Metallen, die oft nicht nur eine bestimmte, sondern einen ganzen Bereich von Zusammensetzungen aufweisen Kupfer - Zink Cu 5 Zn 8 Cu 0,34 Zn 0,66 - Cu 0,42 Zn 0,58 Homogene Legierungen bestehen aus einer Phase Heterogene Legierungen bestehen aus zwei oder mehr Phasen

2 Schmelzdiagramme Unbegrenzte Mischbarkeit im festen und flüssigen Zustand Temperatur / C Smp. Ag Schmelzdiagramm Silber- Gold Schmelze A 1 B 1 Soliduskurve A Liquiduskurve B Smp. Au Mischkristalle Ag Stoffmengenanteil Au / % Au Bedingungen für lückenlose Mischkristallbildung: - gleicher Gittertyp beider Metalle - Atomradien maximal 15% - ähnliche Elektronegativitäten Cu-Au, Ag-Au, Cu-Ni, Mo-W

3 Schmelzdiagramme Mischbar im flüssigen Zustand, nichtmischbar im festen Zustand Schmelzdiagramm Zinn - Blei ( Lötzinn, vereinfacht ) T/ C Smp. Pb Schmelze Soliduskurve Liquiduskurve E Zinn + Blei Smp. ß-Sn eutektisches Gemisch ( Eutektikum) - bei einer bestimmten Zusammensetzung des Gemisches von Pb und Sn ( E ) gibt es einen Schmelzpunkt - dichtes Gefüge gut zu bearbeiten Pb Stoffmengenanteil Sn / % Sn

4 Gewinnung von Metallen edle Metalle (gediegene Vorkommen) unedle Metalle (in Verbindungen) bergmännischer Abbau + Cyanidlaugerei Reduktionsverfahren spezielle Verfahren elektrochemisch chemisch - elektrischer Strom ( Elektrolyse ) -Kohlenstoff - Wasserstoff - unedle Metalle - Röstreaktionsverfahren - Mond- Verfahren ( Nickel )

5 Reduktion durch elektrischen Strom (Elektrolyse) Reduktion aus Lösungen ist bei edlen Metalle möglich Bei unedle Metalle ist eine Reduktion aus Schmelzen wegen der negativen Standardpotentiale erforderlich Feinkupfer- Kathode Cu 2+ Cu 2+ Rohkupfer- Anode Raffination von Kupfer - Auflösung einer Rohkupfer- Anode - Abscheidung von Reinkupfer an der Kathode - unedle Verunreinigungen (Zn, Fe) gehen in Lösung - edle Verunreinigungen (Au, Ag, Pt) setzen sich als Anodenschlamm ab ( und werden weiter aufgearbeitet ) SO 4 2- Anodenschlamm Kathodenreaktion: Cu e - Cu Gesamtreaktion: Cu 2+ + Cu Cu + Cu 2+ Anodenreaktion: Cu Cu e -

6 Reinigung von Bauxit Ausgangsstoff: Bauxit mit Fe 2 O 3 und SiO 2 verunreinigt 170 C, Druck Aufschließen: AlO(OH) + NaOH + H 2 O Na[Al(OH) 4 ] SiO NaOH + Al 2 O 3 + H 2 O Na[Al 2 SiO 6 ] 2H 2 O Abfiltrieren von ungelöstem Fe 2 O 3 (Rotschlamm) und Na[Al 2 SiO 6 ] 2H 2 O Ausrühren: Na[Al(OH) 4 ] Impfen Al(OH) 3 + NaOH Trocknen: 2 Al(OH) C Al 2 O H 2 O und Glühen Mischen des Elektrolytes Schmelzpunkt Al 2 O 3 : 2050 C Zusatz von Kryolith: Na 3 AlF 6 (F P = 1000 C) Schmelzpunkt des eutektischen Gemisches: 935 C Zusammensetzung: 18,5% Al 2 O 3 und 81,5% Na 3 AlF 6

7 Schmelzflusselektrolyse von Aluminium Kohle Anoden Wanne aus Eisenblech Ofenfutter aus Kohlemasse Kryolith- Tonerde- Schmelze Mauerwerk flüssiges Aluminium ablaufende Reaktionen: in der Schmelze: Al 2 O 3 2 Al O 2 Kathode: 2 Al e 2 Al 0 Anode: 3 O 2 3/2 O e 3/2 O C 3 CO Zur Herstellung von 1t Aluminium werden benötigt: 4 t Bauxit, 0,008 t Kryolith, 0,6 t Elektrodenkohle, kwh Energie

8 Gewinnung von Metallen durch Reduktion mit Kohlenstoff Beschickung 30m, V m 3 Gichtgas Wind Eisen Gicht 250 C Schacht C Kohlensack Rast 1600 C Gestell Vorwärmzone Indirekte Reduktion: 2 Fe 2 O CO 4 FeO + 2 CO 2 Reduktionszone CO 2 + C 2 CO H = kj/mol FeO + CO Fe + CO 2 H = - 17 kj/mol Direkte Reduktion 2 FeO + C 2 Fe + CO 2 H = kj/mol Kohlungszone Schmelzzone Wind Schlacke

9 Gewinnung von Metallen durch Reduktion mit anderen unedlen Metallen geeignet für Fe, Cr, Ni Gewinnung von Metallen durch Reduktion mit Wasserstoff geeignet für W, Mo, Ge größte Bedeutung: Thermit- Schweißen 3 Fe 3 O Al 4 Al 2 O Fe Beispiel: WO H C W + 3H 2 O van Arkel de Boer geeignet für sehr reines Ti, Zr, Hf, V Beispiel: Ti + 2 I 2 TiI 4 H = -376 kj/mol Mond- Verfahren geeignet für sehr reines Ni Ni + 4 CO Ni(CO) 4 80 C 180 C Prinzip der Halogenlampen

10 Wichtige Legierungen Bezeichnung Hauptbestandteil Zusammensetzung Eigenschaften Verwendung Gelbmessing Kupfer 67% Cu, 33% Zn dehnbar, polierbar Maschinenteile Wood`sches Metall Bismut 50% Bi, 25% Pb, 2,5% Sn, 12,5% Cd niedriger F P (70 C) Schmelzsicherungen, Sprinkleranlagen Edelstahl Eisen 80,6% Fe, 0,4% C, 18% Cr, 1% Ni rostet nicht Bestecke, Uhren Gehäuse Lötzinn Goldmünzen Blei Gold 67% Pb, 33% Sn 90 % Au, 10 % Cu niedriger F P (275 C) weich zum Löten Münzen Schmuckgold Gold % Au, Cu, Ag beständig Schmuck Silberamalgam Silber 70% Ag, 18% Sn, 10% Cu, 2% Hg leicht verformbar Zahnfüllungen