Vorkenntnisse Grundlegende Kenntnisse über den Bau von Atomen und Grundlagen zur Ionenbindung sind für das Verständnis der Kurzfilme hilfreich.

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1 VHS min Metalle und Metallbindungen Arbeitsvideo 5 Kurzfilme Lernziele Kenntnis eines einfachen Modells zum Aufbau der Metalle und zur chemischen Bindung in Metallen; Wissen um die Vorgänge, die sich beim Schmelzen von Metallen und beim Erstarren von Metallschmelzen abspielen; Erkennen des Zusammenhangs zwischen dem Aufbau der Metalle und den Eigenschaften Duktilität und elektrische Leitfähigkeit; Einsicht in die Bedeutung der Metalle, der Metalllegierungen und der Möglichkeiten der Metallbearbeitung im Alltag Vorkenntnisse Grundlegende Kenntnisse über den Bau von Atomen und Grundlagen zur Ionenbindung sind für das Verständnis der Kurzfilme hilfreich. Zum Inhalt Inhaltsverzeichnis und Zeitangaben min/sec 0 Ende FWU-Sigel 00:00 1 Chemischer Bau der Metalle 00:20 2 Leitfähigkeit und Schmelzemperatur 06:21 3 Kristallite und Verformbarkeit 12:15 4 Legierungen 17:46 5 Metall- und Ionenbindung 20:46 Zählerstand 1 Chemischer Bau der Metalle Metalle, die seit Jahrtausenden zum Kulturgut der Menschen zählen und auch heute für unseren Alltag von überragender Bedeutung sind, verdanken ihre spezifischen Eigenschaften dem chemischen Bau. Vielfach ist schon mit bloßem Auge zu erkennen, dass sich die Metalloberfläche aus einheitlich erscheinenden Bereichen zusammensetzt. In diesen Kristalliten weisen die Atome eine einheitliche und regelmäßige Anordnung auf. Wir betrachten den Bau der Atome von Lithium, Eisen und Aluminium: Atomkern und Atomhülle. In letzterer befinden sich die Elektronen in bestimmten Aufenthaltsbereichen, die als "Schalen" bezeichnet werden und jeweils eine begrenzte Zahl von Elektronen "aufnehmen" können. An den Beispielen Lithium und Aluminium wird die jeweilige Elektronenkonfiguration aufgezeigt. In metallischen Feststoffen sind aus den neutralen Atomen durch Abgabe von Außenelektronen po- sitiv geladene Atomrümpfe entstanden. Die Elektronen sind delokalisiert und bilden zwischen den Atomrümpfen ein Elektronengas, das als negativ geladener "Kitt" die positiv geladenen und im Metallgitter regelmäßig angeordneten Atomrümpfe aneinander bindet. Diese elektrostatische Anziehung bewirkt die Metallbindung.

2 2 Leitfähigkeit und Schmelztemperatur Metalle leiten den elektrischen Strom. Um dies zu erklären, wird zunächst die Metallbindung wiederholt. Die delokalisierten Elektronen bewegen sich zufällig. Wird eine Spannung angelegt, wandern sie zum positiven Pol: Wanderung von Elektronen ist elektrischer Storm. Auch die Erklärung der Vorgänge, die sich beim Schmelzen von Metallen abspielen, geht von der schon bekannten Metallstruktur aus. Die Atomrümpfe schwingen, mit steigender Temperatur immer heftiger - um ihre Gitterplätze und verlassen diese schließlich: Das Metall schmilzt. In der Schmelze sind die sich relativ frei bewegenden Metall-Atomrümpfe weiterhin von den delokalisierten Elektronen umgeben. Die unterschiedlich hohen Schmelztemperaturen, die mit über den Gebrauchswert eines Metalles entscheiden, hängen von der Stärke der Metallbindung und diese einerseits von der Höhe der Ladung und andererseits von der Größe der Atomrümpfe ab. Die Schmelztemperaturen von Aluminium (Al 3+ ), Magnesium (Mg 2+ ), Natrium (Na + ) und Lithium (Li + ) sowie von Natrium und Kalium (mit gegenüber Natrium größeren Atomrümpfen) werden verglichen und erklärt. 3 Kristallite und Verformbarkeit Die für den Nutzwert der Metalle entscheidenden vielfältigen Möglichkeiten der Bearbeitung, so Schmieden, Walzen oder Ziehen, werden aus der spezifischen Metallstruktur erklärt. Zwischen benachbarten Kristalliten, die sich beim Erstarren der Schmelze gleichzeitig an vielen Stellen bilden, bleiben kleine Lücken. Der Abstand bedingt eine - gegenüber dem Inneren der Kristallite - schwächere Bindung und lässt ein Metallstück bei starker mechanischer Beanspruchung an diesen Grenzen brechen. Eine schnelle Abkühlung, wie sie beim Abschrecken einer glühenden Eisennadel erfolgt, lässt viele kleine Kristallite und große Lücken entstehen und macht das Metall spröde. Langsames Abkühlen lässt die Kristallite wachsen, wobei zwischen ihnen nur schmale Lücken auftreten. Die so bearbeitete Nadel lässt sich biegen und verformen. Gleiche Ursache hat der Unterschied zwischen Gusseisen und Schmiedeeisen. Werden Erhitzen, Schmieden und langsames Abkühlen vielfach wiederholt, so entsteht etwa das nahezu unzerbrechliche Samurai-Schwert. Die Verformung im festen Zustand - Auswalzen zu Blechen oder Ziehen zu Drähten - ist mit der Verformung der Kristallite verbunden, durch die sich zwar die Schichten des Metallgitters verschieben, aber die metallische Bindung nicht beeinflusst wird. 5 Metall- und Ionenbindung Abschließend werden Metall- und Ionenbindung verglichen: Den Kationen stehen entweder Anionen oder delokalisierte Elektronen gegenüber. Zusätzliche Informationen Metalle (abgeleitet von griech. metallon = Bergwerk) sind Elemente, die durch ihre speziellen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit ohne Zersetzung und mit einem mit der Temperatur zunehmendem Widerstand (Leiter 1. Ordnung), die gute Wärmeleitfähigkeit, die Einatomigkeit im Dampfzustand, die Verformbarkeit (Duktilität) und den typischen Metallglanz ausgezeichnet sind. Allerdings sehen wir - vom Gold abgesehen - die Metalle nur durch eine Glanz und Farbe teilweise deutlich verändernde Schicht aus Oxiden und anderen Reaktionsprodukten. Chemisch können Metalle als Kationbildner, was auf die relativ kleine Zahl der Außenelektronen zu-

3 rückgeht, und durch die Metallbindung definiert werden. Die Abtrennung von den Nichtmetallen ist nicht scharf, sondern führt (im Periodensystem der Elemente) durch eine Zone der Halbmetalle, wobei manche Elemente, wie Zinn oder Antimon, sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen aufweisen. Metalle treten im Normalfall kristallin auf; bei extrem schneller Abkühlung lassen sich jedoch manche Legierungen in einen amorphen Zustand überführen (metallische Gläser). Kristalle (von griech. krystallos = Eis; ursprünglich der Bergkristall, den man in der Antike als ein vor langer Zeit gefrorenes Eis hielt) sind von ebenen Flächen begrenzte (natürliche oder künstlich hergestellte) Feststoffportionen. Allerdings ist die Züchtung von Einkristallen schwierig. In der Regel sind Metalle polykristallin. Dies bedeutet, dass sie aus einer unregelmäßigen Anhäufung von Kristalliten bestehen. Diese - besonders an geätzten Oberflächen - mitunter mit bloßem Auge erkennbaren, häufig aber mikroskopisch oder submikroskopisch kleinen kristallinen Bereiche, die sich bei der Kristallisation aus der Schmelze an verschiedenen Stellen bilden, bis zur gegenseitigen Berührung wachsen und sich damit an der Bildung (der für Einkristalle typischen) ebenen Grenzflächen hindern. Die metallische Bindung wird im Film in sehr einfacher Form durch das (ideale) Elektronengasmodell dargestellt. Danach wird eine stabile Elektronenkonfiguration durch die Abgabe des Valenzelektrons oder der Valenzelektronen erreicht. Das Natrium- Atom (1s 2 2s 2 p 6 3s 1 ) wird zum Kation (1s 2 2s 2 p 6 ). Die Atomrümpfe nehmen beim Natrium nur 15% des Volumens eines Kristalls ein, sind aber bei Halbedel- und E- delmetallen so groß, dass sie sich gegenseitig berühren. Sie sind im festen Zustand in einem Kristallgitter angeordnet. Dies sind dreidimensionale, sich periodisch wiederholende Muster aus kongruenten (deckungsgleichen) Gittern, deren Gitterpunkte durch die Schwerpunkte von Atomrümpfen besetzt werden. Die abgegebenen Valenzelektronen sind nicht mehr "ihren" Atomen zugeordnet, sind also delokalisiert und bewegen sich nahezu unbehindert durch das Metallgitter. Zu den für die Verwendung wichtigen Eigenschaften der Metalle zählt die Fülle der möglichen Bearbeitungen. Neben der spanenden (d.h. Späne liefernden) Bearbeitung, etwa durch Sägen, Fräsen oder Bohren, steht die spanlose Formung oder Umformung, die u.a. durch Walzen, Hämmern, Ziehen oder Pressen erfolgt. Die Duktilität (von lat., ductus = Zug), die die Dehnung und Streckung bei normaler Temperatur erlaubt, ist eine weitgehend auf Metalle beschränkte Eigenschaft, welche die klassische Umformung eines Metallbleches in eine Schüssel oder einen Krug, aber ebenso faszinierende Verfahren der modernen Technik, etwa in einem Walzwerk, ermöglicht. Unter den Legierungen (abgeleitet von lat. ligare = vereinigen) versteht man metallartige Gemische aus mindestens zwei Komponenten, von denen eine ein Metall ist. Bereits vor 5000 Jahren wurden Legierungen von Kupfer ( 60%) mit Arsen oder Zinn (Bronzen) verwendet. Heute sind über verschiedene Legierungen bekannt. Das mengenmäßig überwiegende "Grundmetall" steht mit den "Zusätzen" in einem meist nicht-stöchiometrischen (dies bedeutet: in einem über weite Bereiche variablen) Mengenverhältnis. Letzteres gilt nur stark eingeschränkt bei den intermetallischen Verbindungen mit einer "Formel" (etwa CuAl 2 oder Al 12 Fe 3 Si). Beliebig ineinander "löslich" sind Metalle mit der gleichen Gitterstruktur und mit Gitterabständen, die nicht mehr als um 10% voneinander abweichen - so etwa Gold und Silber. Durch die Zusätze können die Eigenschaften des Grundmetalls erheblich verändert werden. Meist weisen Legierungen eine größere Härte als ihre Bestandteile auf: So ist Mes-

4 sing härter als Kupfer und Zink. Kupfer wird bereits durch wenig Aluminium gehärtet, weil durch die ins Kupfergitter eingebauten, weit größeren Aluminium-Kationen eine "Verzahnung" der verschiedenen Gitterebenen erfolgt und diese sich somit weit schwerer gegeneinander verschieben lassen. Auch das weiche Gold wird durch verschiedene Zusätze erheblich gehärtet, wobei für Schmuck vor allem Weißgold (Gold mit Palladium oder Nickel) und Rotgold (Gold mit Kupfer) verwendet wird. Besondere Bedeutung kommt den weit über 1000 verschiedenen Stahlsorten zu. Das aus dem Hochofen kommende Roheisen und das bereits aufbereitete Gußeisen sind aufgrund ihres Gehaltes an Kohlenstoff (bis zu 4%), Phosphor und Schwefel spröde und werden nur zu wenig beanspruchten Gegenständen (etwa Herdplatten oder Kanaldeckel) vergossen. Durch verschieden Verfahren (heute vor allem dem 1948 bei den VOEST-Werken in Linz entwickelten Sauerstoff-Aufblasverfahren) wird der Kohlenstoffgehalt auf unter 2,1% gesenkt und zudem eine Minderung des Phosphor- und Mangangehaltes erreicht. Der so gebildete Stahl ist warm und kalt, spanlos und spanend (s.o.) formbar. Durch eine Vielzahl verschiedener Stahlveredler können die Eigenschaften der Legierung den Erfordernissen angepasst werden. Nichtrostende Stähle ("Edelstähle") enthalten mindestens 12% gesenkten Kohlenstoffgehalt auf. Die Korrosionsbeständigkeit wird auf eine dünne Schutzschicht aus Chrom(III)-oxid, also eine Passivierung, zurückgeführt. Zur Verwendung Der Film besteht aus fünf deutlich getrennten Kurzfilmen, in denen Realaufnahmen, zum Teil mikroskopische und elektronenmikroskopische Aufnahmen, und Trickszenen abwechseln. Auch wenn im Film der Bau der Atome - Zusammensetzung des Atomkerns und Gliederung der Atomhülle in verschiedene Schalen mit einer jeweils begrenzten Kapazität für Elektronen - kurz dargestellt wird, ist es sicher günstig, wenn die Schüler und Schülerinnen darüber bereits grundlegende Kenntnisse besitzen. In der Regel wird die Metallbindung ohnehin nicht die erste Form der im Unterricht besprochenen chemischen Bindung sein. Die Behandlung der Ionenbindung und der Elektronenpaarbindung werden wahrscheinlich vorausgehen. Den Schülern und Schülerinnen sind dann bereits zwei Möglichkeiten bekannt, eine stabile Elektronenkonfiguration (Oktett der Außenelektronen) zu erreichen: Der Übergang von Elektronen vom Metall-Atom auf das Nichtmetall-Atom, der zu Ionen und den Salzen führt, und - bei zwei Nichtmetall-Atomen - die gemeinsame "Nutzung" (electron sharing) von Elektronenpaaren, die als gemeinsame Elektronen die positiven Atomrümpfe aneinander bind. Es stellt sich nun die Frage, wie Metall-Atome zum Oktett (bzw. bei Metallen der zweiten Periode zum Duplett), kommen, wenn kein Akzeptor für die "überzähligen" Außenelektronen zur Verfügung steht. Nicht ungünstig ist es auch, wenn bereits die Delokalisation von Elektronen, etwa bei der Besprechung der Grafitstruktur, angesprochen wurde. Die Kurzfilme 2 bis 4 setzen die Verarbeitung der in Kurzfilm 1 gebotenen Grundlagen voraus, sind aber ansonsten unabhängig voneinander - auch in anderer Reihenfolge - einsetzbar. Die Kurzfilme können zur Erarbeitung, aber auch zur Sicherung bereits erworbener Kenntnisse verwendet werden. Es ist denkbar, dass die im Film gezeigten Inhalte in einem anschließenden Unterrichtsgespräch aufgearbeitet werden, aber auch, dass die Schüler - etwa in arbeitsteiliger Gruppenarbeit - die im Film

5 gebotenen Informationen aufnehmen, strukturieren und anschließend in kleinen Referaten präsentieren. Die Bindungsverhältnisse in den Metallen werden in einem sehr einfachen Modell vorgestellt, das aber dennoch in der Lage ist, wesentliche Eigenschaften der Metalle (elektrische Leitfähigkeit und Duktilität in Abhängigkeit von der Bearbeitung) zu erklären. Auch lassen sich die Vorgänge beim Schmelzen der Metalle deuten. Im Film nicht angesprochen, aber nach Kenntnis der wärmeabhängigen Bewegung der A- tomrümpfe im Metallgitter ableitbar, ist der mit steigender Temperatur zunehmende elektrische Widerstand metallischer Leiter. Die Rückführung der Metallbindung auf das Elektronengasmodell erlaubt - zusammen mit der durch die Realaufnahmen sehr lebendig veranschaulichten Behandlung der Bedeutung der Metalle für unseren Alltag und unsere Technik und der besonderen Formen der Metallverarbeitung - den Einsatz aller fünf Filmteile bereits in der Sekundarstufe I aller Schularten. Bearbeitete Fassung und Herausgabe FWU Institut für Film und Bild, 2000 Produktion Rod Rees, im Auftrag von VEA Video Education Australasia Buch und Regie Rod Rees Bearbeitung Dr. Christine Fischer Begleitkarte und Fachberatung Dr. Herbert Kiechle Bildnachweis IFA-Bilderteam Pädagogischer Referent im FWU Sonja Riedel 2000 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon: (089) Telefax: (089) Internet:

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