1. Die Stoffklasse der Metalle Eigenschaften und Verwendung der Metalle Eigenschaften und Verwendung wichtiger Metalle...

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2 2 INHALTSVERZEICHNIS "METALLE" 1. Die Stoffklasse der Metalle Historische Bezüge Eigenschaften und Verwendung der Metalle Flammenfärbung einiger Metalle Eigenschaften und Verwendung wichtiger Metalle Die metallische Bindung und Eigenschaften von Metallen Eigenschaften der Metalle Die metallische Bindung Erklärungen der Eigenschaften der Metalle mithilfe der metall. Bindung Chemische Eigenschaften von Metallen Legierungen Definition Eigenschaften von Legierungen Wichtige Legierungen Übungen... 11

3 3 1. Die Stoffklasse der Metalle 1.1 Historische Bezüge Metalle sind seit mehreren Tausend Jahren bekannt in der Geschichte der Menschheit. Die Historie der Metallverarbeitung durch den Menschen ist eine Geschichte von Feuer und Schmerz, Enttäuschung und Triumph. Für die Entwicklung des menschlichen Daseins haben die Männer, die ihr Leben in brennender Hitze am Feuer, Schmelzofen und Amboss verbrachten, eine bedeutende Rolle gespielt. Die Gebäude, in denen wir wohnen, die Maschinen und Werkzeuge, mit denen wir arbeiten für all das brauchen wir Metall. Metalle waren von Anfang an so interessant und wertvoll, dass sie sich zu Tauschgegenständen entwickelten. Als solche wurden sie von Volk zu Volk weitergegeben. Durch die weite Verbreitung von Metallgegenständen weiß niemand mit Sicherheit, wo die ersten Schmiede ihr Handwerk begannen. Im Altertum wurde das Metall im Allgemeinen kalt bearbeitet, indem man es mit einem Steinhammer auf einem Steinamboss klopfte. Es vergingen Tausende von Jahren bevor man zufällig entdeckte, dass ein Metall unter Hitzeeinwirkung leichter geformt werden kann als in kaltem Zustand. Ursprünglich waren von den Metallen nur Gold, Silber und Kupfer bekannt. Diese kommen in der Natur in reiner Form vor und dienten dem Mensch zunächst zur Erzeugung von Kultgegenständen. Die Herstellung von Ornamenten geht ganz bestimmt dem Gebrauch für Waffen voraus - Tonfiguren gab es auch früher als den nützlichen Topf. Gegen 1500 v. Chr. gelang es den Schmieden Temperaturen zu erzeugen, die hoch genug waren, um genügend Eisen aus dem Eisenerz zu lösen (= verhütten). In weiterer Folge wurde das Metall verflüssigt und durch den anschließenden Gussvorgang wurde es möglich, Metallgegenstände und Werkzeuge aller Art herzustellen (siehe Bild links). Schmiede und andere eisenverarbeitende Gewerbe waren bis ins 13. Jahrhundert in der Regel in einer Zunft verbunden, danach setzte insbesondere in den Städten eine Spezialisierung ein. Metalle prägten auch einige Epochen, so trugen die Bronze- und die Eisenzeit Namen von Metallen.

4 4 Aufgabe I Versetzen Sie sich in Ihr Zimmer zuhause. Was für metallische Geräte / Einrichtungen finden sie dort? Diskutieren Sie mit Ihrem Tischnachbar. 2. Eigenschaften und Verwendung der Metalle 2.1 Flammenfärbung einiger Metalle Die Flammenfärbung ist eine Methode zur Analyse von chemischen Elementen oder deren Ionen (geladene Atome). Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Nachweisreaktion. Die Methode beruht darauf, dass die Elemente oder Ionen in einer farblosen Flamme Licht spezifischer Wellenlängen abgeben, das für jedes Element charakteristisch ist. Die Flammenfärbung entsteht durch Energieumwandlung von Wärmeenergie zu Strahlungsenergie. Diese Umwandlung kommt durch Valenzelektronen zustande, die durch die Wärmeenergie in einen angeregten Zustand gehoben werden und unter der Abgabe von Licht wieder zurückfallen. Stoffe, mit denen Flammenfärbung möglich ist, finden aufgrund dieser Eigenschaft in der Pyrotechnik (Technik in Verbindung mit meist explosiv ablaufender Verbrennung) Anwendung. Aufgabe II Notieren Sie sich die Beobachtungen im folgenden Experiment (Zeichnungen erlaubt), welches die Lehrperson vorzeigen wird: 2.2 Eigenschaften und Verwendung wichtiger Metalle Aufgabe III Erarbeiten Sie sich mithilfe des Internets die Eigenschaften und Verwendungen folgender, wichtiger Metalle: Aluminium, Blei, Eisen, Gold, Kupfer, Quecksilber, Silber, Zink und Zinn. Suchen Sie nach Eigenschaften und nach Verwendungen (vor allem im Alltag) der jeweiligen Metalle und versuchen Sie herauszufinden, was so speziell am jeweiligen Metall ist. Anbei erhalten Sie eine Tabelle, worin Sie Ihre Resultate eintragen können.

5 5 3. Die metallische Bindung und Eigenschaften der Metalle 3.1 Eigenschaften der Metalle Ungefähr 75% aller Elemente im Periodensystem der Elemente zählt man zu den Metallen. Diese Zuordnung erfolgt aufgrund gemeinsamer charakteristischer Eigenschaften. In den folgenden Experimenten sollen diese gemeinsamen Eigenschaften zur Geltung kommen: Eigenschaft 1: Notizen: Eigenschaft 2: Notizen: Eigenschaft 3: Notizen: Eigenschaft 4: Notizen: Eigenschaft 5: Notizen:

6 6 Diese typischen Metalleigenschaften sind auf die Anordnung der Metall-Atome und auf die Kräfte zwischen ihnen zurückzuführen. Wir werden im Folgenden eine einfache Modellvorstellung kennen lernen, mit der sich die meisten Eigenschaften von Metallen auf anschauliche Weise erklären lassen. 3.2 Die metallische Bindung Die Valenzelektronen der Metalle, die sich auf der äussersten Schale befinden, sind nur schwach gebunden und können daher leicht vom Atom abgetrennt werden (siehe Kapitel Elektronen in der Atomhülle und den Verlauf der Ionisierungsenergien). Im Metall bildet sich deshalb ein Gitter aus positiv geladenen Metall- Ionen, den sogenannten Atomrümpfen, welche jeweils die Rumpfladung tragen. Die abgegebenen Aussenelektronen sind nicht mehr einem einzelnen Atom zugeordnet und können sich innerhalb des Gitters nahezu frei bewegen (siehe Abbildung oben rechts). Diese Aussenelektronen nennt man Elektronengas, also die Summe aller delokalisierten (nicht genau lokalisierbaren) Valenzelektronen (ausgefüllte Fläche in der linken Abbildung). Die delokalisierten Elektronen bewirken die gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle. Die positiv geladenen Atomrümpfe bilden ein sogenanntes Metallgitter, in dem sie regelmässig angeordnet sind. Als metallische Bindung oder Metallbindung bezeichnet man also die chemische Bindung, wie sie bei Metallen und Legierungen (siehe Kapitel 5) vorliegt. Diese chemische Bindung ist gekennzeichnet durch das Auftreten von Elektronen im Metallgitter. Die Metallbindung wird durch die zwischen und verursacht.

7 7 3.3 Erklärungen der Eigenschaften der Metalle mithilfe der metallischen Bindung Aufgabe IV Versuchen Sie, mithilfe der gelernten Theorie über die Metallbindung und der untenstehenden Bilder, die folgenden Eigenschaften der Metalle zu erklären: a) Metalle sind gute elektrische Leiter b) Metalle sind gute Wärmeleiter c) Metalle sind gut verform- und dehnbar d) Metalle haben hohe Schmelz- und Siedepunkte Notieren Sie sich die Lösungen auf einem separaten Blatt. Die Aufgaben werden anschliessend im Plenum besprochen. Bild 1: Verhalten des Elektronengases beim Anlegen einer elektrischen Spannung Bild 2: Verformung eines Metallstücks Aufgabe V Schauen Sie den Film: Ins Innere eines Metalls und beantworten Sie die von der Lehrperson ausgeteilten Fragen zum Film.

8 8 4. Chemische Eigenschaften von Metallen Metall-Atome zeichnen sich gegenüber Nichtmetall-Atomen durch folgende Eigenschaften aus: - kleine Anzahl an (meist weniger als vier) - kleine Rumpfladungen - niedrige In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetall-Atome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (mehr folgt im Kapitel Salze). In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten. Die Reaktionsfähigkeit der Metall-Atome nimmt mit der Leichtigkeit der Elektronenabgabe zu: Ein Valenzelektron kann umso leichter von einem Atom abgespalten werden, je die Rumpfladung und je der Atomradius ist. Die Alkalimetalle sind aus diesem Grund in chemischer Hinsicht besonders typische Metalle. Da die Ionisierungsenergie innerhalb einer Gruppe wegen der steigenden Schalenzahl nach unten abnimmt, ist das reaktionsfähigste Metall. Allgemein nimmt der metallische Charakter im Periodensystem in den Gruppen von nach und in den Perioden von nach zu. Aufgabe VI Schauen Sie den Film: Edle und gemeine Hierarchie der Metalle und beantworten Sie die von der Lehrperson ausgeteilten Fragen zum Film.

9 9 5. Legierungen Bis zu diesem Zeitpunkt bildeten ausschliesslich Reinstoffe Grundlage für die metallische Bindung. Es können aber genauso gut Metall-Atome in den Metallgittern ausgetauscht oder in die bestehenden Lücken zwischen den Gitterbausteinen eingelagert werden. Diese ausgetauschten Atome nennt man. 5.1 Definition Legierungen sind Stoffe, die aus verschiedenen Metall-Atomen aufgebaut sind. Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden oder auch vereinigen. 5.2 Eigenschaften von Legierungen Die elektrische Leitfähigkeit von Legierungen ist im Allgemeinen schlechter als bei Reinstoffen, da die ausgetauschten Metall-Atome andere Eigenschaften haben und so den Elektronenfluss stören. Auch die wird durch die unterschiedliche Grösse der Fremd-Atome beeinflusst. Legierungen weisen somit meist eine grössere Härte auf als die Reinstoffe. 5.3 Wichtige Legierungen Stahl ist eine Legierung aus und, wobei der Anteil an letzterem zwischen 0.01% und 2.06% liegt. Stahl wird vor allem in der Bauindustrie und zur Herstellung von Werkzeugen gebraucht. Bronze ist eine Legierung aus und, wobei der Anteil an letzterem bis zu 22% betragen kann. Es wird für Münzen, für Glocken oder in der Kunst verwendet. Messing ist eine Legierung aus und. Die Farbe von Messing ist abhängig vom Gehalt des zweiten Metalls und schwankt meistens zwischen einem helleren und dunkleren Goldgelb mit grosser Farbähnlichkeit zu natürlichem Gold.

10 10 Aufgabe VII: Silberspiegel Notieren Sie sich alle Beobachtungen und Erklärungen zum Experiment Silberspiegel, welche Sie während der Durchführung der Lehrperson sehen und hören. Aufgabe VIII: Versilbern und vergolden von Münzen Beobachten und notieren Sie das wichtigste im gezeigten Lehrerexperiment. Sind versilbern und vergolden wirklich die richtigen Ausdrücke? 6. Übungen Aufgabe IX Fragen Sie Sich zu zweit (zu dritt) über das eben Gelernte zum Thema Metalle ab. Gehen Sie dabei auf die folgenden Punkte ein: a) Aufbau der Metalle b) Einteilung der Metalle c) Das Elektronengas d) Die metallische Bindung e) Die Eigenschaften von Metallen f) Legierungen und deren Eigenschaften Aufgabe X Viele metallische Werkstoffe sind Legierungen. Warum werden die reinen Metalle nur selten verwendet? Aufgabe XI Die Schmelztemperatur von Natrium ist 98 C, Kalium schmilzt dagegen schon bei 63 C. Wie lässt sich dieser Unterschied erklären? Aufgabe XII Die Erdalkalimetalle sind generell härter und haben höhere Schmelztemperaturen als die Alkalimetalle. Geben Sie dafür eine Erklärung.

11 11 Aufgabe XIII Begründen Sie, weshalb für die Herstellung von Pfannen, Heizkörpern und Bügeleisen Metalle verwendet werden. Aufgabe XIV Die Leitfähigkeit eines Metalls nimmt mit steigender Temperatur ab. Erklären Sie dies mit Hilfe des Elektronengasmodells. Aufgabe XV Nennen Sie drei charakteristische Unterschiede zwischen Metall-Atomen und Nichtmetall- Atomen.

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