6. NICHTEISENMETALLE UND IHRE VERBINDUNGEN

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1 6. NICHTEISENMETALLE UND IHRE VERBINDUNGEN 6.1 KUPFER Dichte: 8,94 kg/dm 3 Schmelzpunkt: 1083 C Elektrische Leitfähigkeit: 56 bis 58 m/ωmm 2 je nach Reinheitsgrad Mit einem Massenanteil von 0,01% steht Kupfer an 25. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. Als edles Metall tritt es selten als gediegenes Kupfer oder in größeren Brocken auf, z.b. in den USA. Eines der größten Kupferstücke barg man im Jahre 2001 vom Boden des Lake Superior. Es war 5,5 x 2,5 x 0,37 Meter groß und wog etwa 14,5 Tonnen. Kupfer (lat. Cuprum) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Cu. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cyprium Erz von der Insel Zypern, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde. Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärmeund Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Darüber hinaus zählt es auch zur Gruppe der Münzmetalle. Verunreinigungen und Legierungsbestandteile setzen die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer wesentlich herab. Kupfer hat auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, die auf denselben atomaren Vorgängen beruht wie die elektrische Leitfähigkeit. Kupfer ist ein relativ weiches Metall mit geringer mechanischer Festigkeit. Durch mechanische Verformung wird es hart und spröde, was durch Weichglühen rückgängig gemacht werden kann. Kupfer hat ein günstiges Korrosionsverhalten. Unter Korrosion versteht man die von der Oberfläche ausgehende Zerstörung metallischer Werkstoffe durch chemische oder elektrochemische Reaktionen. Kupfer-Nugget Kupfererz Februar 2013 Seite 1 / 9

2 Verwendung von Kupfer: a) Gute elektrische Leitfähigkeit Leitungsdrähte, Wicklungen in elektrischen Maschinen, Kabel, Stromschienen, elektrische Kontakte. b) Gute Wärmeleitfähigkeit Lötkolben, Wärmetauscher c) Korrosionsbeständigkeit und Aussehen Fassadenverkleidungen, Dachrinnen d) Gute Legierbarkeit Kupferbasislegierungen 6.2 Kupferlegierungen Niedrig legierte Kupferwerkstoffe Durch geringe Zusätze bestimmter Elemente können einige ungünstige Eigenschaften des reinen Kupfers (z. B. geringe Festigkeit, schwierige Zerspanbarkeit) erheblich verbessert werden. Zu diesem zweck werden dem Kupfer die Metalle Nickel, Zink und Zinn jeweils mit einer Konzentration von 1 % bis 2 % zugesetzt Kupfer Zinn Legierungen Bronze Die Bronzezeit ist die Periode in der Geschichte der Menschheit, in der Metallgegenstände vorherrschend aus Bronze hergestellt wurden. Diese Epoche umfasst in Mitteleuropa etwa den Zeitraum von 2200 bis 800 v. Chr. Die Bronzezeit ist die mittlere Stufe des von Christian Jürgensen Thomsen entwickelten Dreiperiodensystems, das die europäische Ur- und Frühgeschichte in die Steinzeit, die Bronzezeit und die Eisenzeit unterteilt. Die Dreiteilung nach dem verwendeten Werkstoff ist weitgehend auf Europa, Westasien und Nordafrika zu beschränken. Februar 2013 Seite 2 / 9

3 Kupferlegierungen, die kein oder nur wenig Zink enthalten, werden als Bronzen bezeichnet. Kupfer Zinn Legierungen (Zinnbronzen) enthalten bis zu 13 % Zinn (Sn). Kupfer - Zinn Legierungen zählen zu den korrosionsbeständigsten Kupferwerkstoffen. Außerdem besitzen sie gute Gleiteigenschaften und hohe Verschleißfestigkeit Kupfer Zink Legierungen Messing Von Babylon bis Kleinasien Etwa im 3. Jahrtausend v. Chr. stellten Handwerker in Babylon und Assyrien Messing aus Kupfer und dem Zinkkarbonat Galmei her. Hierfür wurden offene Schmelzöfen genutzt, die keine systematische Verschmelzung erlaubten, da Zink bereits bei 900 C verdampft. Auch in Palästina wurde Messing noch um 1300 v. Chr. auf diese Weise hergestellt. Den Grundstein für eine breitgefächerte Messingproduktion legte eine Erfindung aus Kleinasien. Um 1000 v. Chr. entwickelte man dort erstmals ein Schmelzverfahren in einem geschlossenen Tiegel. Durch legieren von Kupfer mit 5 % bis 45 % Zink (Zn) können Werkstoffe mit einer dekorativen, goldgelben Farbe hergestellt werden. Sie werden allgemein als Messing bezeichnet. Die Farbe von Messing wird vornehmlich vom Zinkgehalt bestimmt. Bei Zinkgehalten <20 % ist Messing bräunlich bis bräunlich-rötlich. Bei Gehalten >36 % hellgelb bis fast weißgelb. Die Verarbeitungseigenschaften von Messing werden durch Anteile von Blei oder Zinn wesentlich beeinflusst, die Korrosionseigenschaften durch Nickel. Gefügeschliffbild von gewalztem und geglühtem Messing Februar 2013 Seite 3 / 9

4 Kupfer Zink Legierungen (Messing) haben deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften und ein ähnlich gutes Korrosionsverhalten wie unlegiertes Kupfer. Die Festigkeit und Verformbarkeit nimmt mit steigendem Zinkgehalt zu um ab 35 % Zinkgehalt rasch abzufallen. Elektr. Leitfähigkeit γ in m/ωmm 2 Zugfestigkeit R m in N/mm R m γ Zinkgehalt (Konzentration) in Masse-% Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit von Kupfer Zink - Legierungen Kupfer Nickel Legierungen Kupfer Nickel Legierungen bestehen aus über 50 % Kupfer, bis zu 45 % Nickel (Ni) und teilweise geringen Zusätzen an Zinn, Eisen und Mangan (Mn). Mit steigendem Nickelgehalt nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab. Elektrische Widerstände für größere Ströme werden aus Drähten hergestellt. Diese Drähte werden aus Widerstandslegierungen (z. B. CuNi6 mit 6 % und CuNi44 mit 44 % Nickelgehalt) gefertigt. Die Legierung CuNi44 hat einen praktisch temperaturunabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand von ρ = 0,049 Ωmm 2 /m und wird daher Konstantan genannt Kupfer Nickel Zink - Legierungen Diese Legierungen haben eine silberähnliche Farbe, gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeitswerte und gute Federungseigenschaften. Daher wird Neusilber für federnde Kontakte in Schaltern verwendet. Februar 2013 Seite 4 / 9

5 6.3 ALUMINIUM Dichte: 2,7 kg/dm 3 Schmelzpunkt: 658 C Elektrische Leitfähigkeit: 35 bis 38 m/ωmm 2 je nach Reinheitsgrad Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Erst im Jahre 1808 beschrieb es Sir Humphry Davy als Aluminum. Die Herstellung gelang erstmalig Hans Christian Ørsted 1825 durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl 3 ) mit Kaliumamalgam. Friedrich Wöhler verwendete 1827 die gleiche Methode, verwendete zur Reduktion jedoch metallisches Kalium und erhielt damit ein reineres Aluminium. Zu jener Zeit kostete Aluminium mehr als Gold. Henri Étienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 % wurde ein Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess entwickelte Carl Josef Bayer das nach ihm benannte Bayer- Verfahren zur Aluminiumherstellung. Aluminium wird noch heute nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt. Zu dieser Zeit stand das Metall in solchem Ansehen, dass man daraus gefertigte Metallschiffe durchaus auf den Namen Aluminia taufte. Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall, dessen Oberfläche im Laufe der Zeit matt wird Es ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Es hat eine geringe Dichte und einen niedrigen Schmelzpunkt. Bauxit ist ein häufig vorkommendes Gestein, das aus verschiedenen Aluminium- und Eisenerzen zusammengesetzt ist. Früher gewann man den Bauxit im südfranzösischen Les Baux, nach diesem Ort ist das Erz benannt. Die wichtigsten Erzvorkommen befinden sich heute in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, Guyana und Indonesien. Die Aluminiumgewinnung ist mit großem Aufwand verbunden. Bei der Erzaufbereitung wird aus dem Bauxit Aluminiumoxid (Tonerde) angereichert. Danach erfolgt die eigentliche Metallgewinnung mit Hilfe der Schmelzflußelektrolyse, Februar 2013 Seite 5 / 9

6 Schmelzfluss-Elektrolyse. Aluminiumoxid besitzt einen sehr hohen Schmelzpunkt von etwa 2050 C. Um diesen herabzusetzen, gibt man Kryolith (Na 3 AlF 6 ) und weitere Fluorverbindungen im Überschuss hinzu. Der Schmelzpunkt des Gemisches liegt dann bei etwa 950 C. Das Tonerde-Kryolith-Gemisch befindet sich in einer eisernen Wanne, die mit Kohle oder Graphit ausgekleidet ist. Die Anode besteht aus Graphitzylindern, diese tauchen in die Schmelze. Bei einer relativ geringen Spannung von 5 bis 6 Volt, aber einem sehr hohen Stromfluss von Ampere oder mehr setzt sich am Boden flüssiges Aluminium ab. Der Krustenbrecher zerbricht die gebildete Kruste und ermöglicht die Zuführung von Nachschubmaterial. Das Aluminium wird von Zeit zu Zeit abgesaugt. Das entstehende Aluminium besitzt eine maximale Reinheit von 99,9%. Dieses wird in weiteren, elektrochemischen Raffinationsprozessen auf eine Reinheit von bis zu 99,999% gebracht. An der Graphit-Anode entsteht Sauerstoff, der mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert. Da sich die Elektroden zersetzen, verwendet man lange, zylindrische Stäbe, die immer weiter in die Schmelze hineingefahren werden. Nach Verbrauch werden die Stäbe einfach angesetzt, so dass das Verfahren kontinuierlich stattfinden kann. UMWELT Das in Bergwerken geförderte Bauxiterz wird gemahlen, mit Natronlauge gemischt und auf 180 C erhitzt, dabei entsteht Rotschlamm. Rotschlamm enthält ätzende Natronlauge, giftige Schwermetalloxide. Ferner können Erzstäube bei Transport in die Umwelt gelangen und die giftigen Komponenten wie Fluoride, Arsenate, Chromate und Vanadate können aus dem Schlamm ausgewaschen werden. Die Aluminium-Ionen sind für Mikroorganismen schädlich und toxisch für Tiere und Pflanzen. Rotschlammdeponien sollten deshalb an ihrer Oberfläche abgedeckt sein und keinen Kontakt mit Grundwasser haben. Februar 2013 Seite 6 / 9

7 Am 4. Oktober 2010 kam es Kolontár-Dammbruch in Ungarn, in dessen Folge 40 Quadratkilometer mit Rotschlamm überflutet wurden zehn Menschen starben, 150 Personen wurden verletzt und 400 Menschen mussten in Sicherheit gebracht werden. Der Energieverbrauch von 1 Tonne Aluminium ist 4mal so hoch wie die Produktion 1 Tonne Papier, 10mal so hoch wie die Produktion 1 Tonne Weißblech und 27mal so hoch wie die Produktion einer Tonne Glas. Ferner werden Treibhausgase wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid (CO 2 ) ausgestoßen. [6] Je produzierter Tonne Aluminium gelangen 0,7 Tonnen CO 2 in die Atmosphäre. In den Aluminiumhütten entweicht Fluor und Fluorwasserstoff, was in Gänze nicht zu vermeiden ist. Man rechnet mit einem Ausstoß von weniger als 0,5 kg je Tonne Aluminum in den besten Anlagen ab 2007 und mit mehr als 4.0 Kilogramm in den Anlagen vor Besondere Eigenschaften: a) Geringe Dichte: Sie beträgt ca. 1/3 der Dichte von Stahl (7,8 kg/dm 3 ). Aluminium ist der Werkstoff für Leichtbaukonstruktionen. b) Gute Zugfestigkeit c) Gute Korrosionsbeständigkeit: Aluminium bildet an seiner Oberfläche von selbst eine dünne, aber luftdichte und fest haftende Oxidschicht. Durch diese Oxidschicht kann kein Sauerstoff aus der Luft an die Aluminiumoberfläche gelangen. Dadurch wird Aluminium vor weiterer Oxidation (=Korrosion) geschützt. d) Leichte Umformbarkeit und Bearbeitung durch Walzen, Schmieden, Strangpressen, Sägen, Bohren, Drehen und Schleifen. e) Gute Leitfähigkeit für Strom und Wärme: Die elektrische Leitfähigkeit von Reinaluminium beträgt 38 m/ωmm 2, rund 62 % der Leitfähigkeit von Kupfer. Elektrische Leitungen, bei denen es auf das Gewicht ankommt (z. B. Hochspannungs Freileitungen) bestehen aus Aluminiumwerkstoffen. f) Keine Magnetisierbarkeit: Aluminium ist nicht magnetisierbar. Februar 2013 Seite 7 / 9

8 Anwendungen von Aluminium und Aluminiumlegierungen: Gehäuse von Schienenfahrzeugen Baugruppenträger für Leiterplatten (z. B. Computer) Parabolantennen für Satelliten TV Motorgehäuse aus Aluminium - Gusslegierungen Freileitungsseile und Leiterschienen von Hochspannungsanlagen 6.4 Niedrigschmelzende Metalle Blei Pb Blei ist ein mattgrau aussehendes, sehr weiches Metall, das mit dem Fingernagel geritzt werden kann. Es ist giftig und zählt zu den Schwermetallen. Eine besondere Eigenschaft des Bleis ist die stark abschirmende Wirkung gegen Röntgen- und Gammastrahlen. Blei und Bleiverbindungen sind giftig. Anwendung von Blei: Bleiakkumulatoren für Autos Zur Ummantelung von Kabeln verwendet man unlegiertes Blei Blei ist Basis- oder Legierungselement für Weichlote, Automatenstähle und Lagermetall. Aus Lagermetall fertigt man Gleitlager für Generatoren und Turbinen Zink Zn Zink ist ein niedrigschmelzendes Schwermetall mit geringer Festigkeit. An der Luft überzieht es sich mit einer dünnen, grauen Deckschicht (=Zinkoxid) die es gegen atmosphärische Korrosion schützt. Anwendung von Zink: In der Elektrotechnik wird Zink in Metallpapierkondensatoren eingesetzt. (Siehe Grundlagen der Elektrotechnik Seite 175). Etwa die Hälfte des erzeugten Zinks wird als Beschichtung für den Korrosionsschutz von im Freien stehenden Stahlbauteilen eingesetzt. Z. B. Freileitungsmaste, Seilbahnen usw. Außerdem dient Zink als Legierungsmetall für Kupfer - Zink Legierungen Zinn Sn Zinn ist ein sehr weiches, dehnbares Metall mit besonders niedrigem Schmelzpunkt. Die Hauptanwendung des Zinns liegt in der Kombination mit anderen Werkstoffen: Basis- oder Legierungselement für Weichlote Legierungselement für Kupferlegierungen und für Lagermetall Beschichtung auf dünnen Stahlblechen (=Weißblech) für Konservendosen Februar 2013 Seite 8 / 9

9 6.5 Edelmetalle Edelmetalle haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit und bilden auf ihrer Oberfläche keine Beläge oder isolierende Schichten. Daher werden Edelmetalle als dünne Schichten auf elektrischen Schaltkontakten aufgebracht. Edelmetalle sind Silber (Ag), Gold (Au) und Platin (Pt). Februar 2013 Seite 9 / 9