Metallische Stoffe und ihr Aufbau

Transkript

1 Kapitel 5 Metallische Stoffe und ihr Aufbau Abb. 5.1: Wie nützlich ist doch die plastische Verformbarkeit von Aluminium! Molekulare Stoffe bestehen aus elektrisch neutralen kleinsten Teilchen, Salze hingegen aus zwei Sorten elektrisch geladener Teilchen. Solche definierten kleinsten Teilchen suchen wir bei Metallen vergebens. Die Eigenschaften der Metalle sind mehr als bloss die Summe der enthaltenen Atome. Sie lernen ein einfache Vorstellung kennen, mit dem Sie die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Metallen beschreiben können. Sie erkennen Metalle und wissen um ihre typischen Eigenschaften Bescheid. Sie haben eine einfache Modellvorstellung von Metallen kennen gelernt. Typische metallisch Eigenschaften können Sie mit einer einfachen Modellvorstellung plausibel erläutern.

2 92 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 5.1 Metalle und Ihre Eigenschaften. Die Verwendung von metallischen Stoffen im Alltag Metalle sind leitfähig. Und sie leiten nicht nur elektrischen Strom. Wir erfahren viel über die Eigenschaften von Metallen, wenn wir ihre Verwendung betrachten: Vor allem Kupfer, aber auch Aluminium oder Silber werden in elektrischen Leitungen verwendet. Elektrische Kontakte werden durch Löten mit Zinn hergestellt. Die Pfanne oder der Kochtopf leitet Wärme von der Heizplatte zum Essen darin. Kühler führen Wärme ab. Wasserleitungen oder Lüftungsrohre sind oft aus Metall. Als Essbesteck in beliebigen Formen. In vielfältigen Formen als Autokarosserien. Schmuck usw... Metallische Eigenschaften Metalle treffen wir in allen Bereichen des Alltags an, weil sie über eine ganz besondere Kombination von Eigenschaften verfügen. Metalle sind Stoffe, die sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen: Elektrische Leitfähigkeit in festem und flüssigem Zustand. (Jedes Metall!) Gute Wärmeleitfähigkeit in festem Zustand und flüssigem Zustand. (Jedes Metall!) Meist fester Aggregatzustand bei Raumtemperatur. (Ausnahme Quecksilber Hg) Glänzende und spiegelnde Oberfläche. Häufig hoher Schmelzpunkt und Siedepunkt. Häufig hart aber trotzdem elastisch verformbar. Metallische Eigenschaften Wenn ein Stoff diese Eigenschaften ausweist, handelt es sich um ein Metall. Alle Metalle zeichnen sich durch elektrische Leitfähigkeit aus und leiten auch Wärme gut. Glatt polierte Oberflächen sind spiegelnd und glänzend. Die Härte kann von Metall zu Metall sehr unterschiedlich sein. Metalle können sowohl plastisch wie auch elastisch verformbar sein.

3 Metallische Stoffe und ihr Aufbau Der Aufbau von Metallen: Eine Modellvorstellung Ein gutes Modell für den Aufbau von Metallen zu haben bedeutet für uns, dass wir damit einerseits Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit und Verformbarkeit qualitativ beschreiben können und andererseits leicht verständlich ist. Das Elektronengas-Modell der Metalle erfüllt beide Anforderungen. Das Elektronengas-Modell der Metalle Dicht gepackte, einzelne Atome. Metalle sind aus einzelnen, unabhängigen Atomen aufgebaut. In einem festen Metall sind die Atome regelmässig angeordnet und dicht gepackt. Man spricht von einem Metallgitter. Abb. 5.2: 3-D Bild des Aufbau des Metallgitters von Silber. Keine einzelnen Atome In der Elektronengas-Beschreiben liegen nun im Metallgitter keine unabhängigen Atome vor, sondern es kommt zu einem Zusammenschluss aller Atome. Im Metallgitter sind nur die Atomrümpfe der Metall-Atome regelmässig angeordnet. 1 Die Valenzelektronen aller Atome bilden gemeinsam das sogenannte (Def) Elektronengas. Das Elektronengas ist die Vorstellung, dass sich sämtliche Valenzelektronen aller Metall-Atome unabhängig voneinander den Atomrümpfen des Metallgitters frei bewegen können. 1 Erinnern Sie sich? Als Atomrumpf bezeichnet man den Atomkern und alle Elektronen der inneren Schalen eines Atoms. Oder anders ausgedrückt: Das Atom ohne seine Valenzelektronen.

4 94 Metallische Stoffe und ihr Aufbau Qualitatives Modell Das Elektronengas-Modell separiert lediglich räumlich Valenzelektronen und Atomrümpfe voneinander. Das Modell liefert aber keine Beschreibung, in welchen Zustand sich die Elektronen befinden und führt auch keine Eigenschaften für das Elektronengas ein. Trotzdem liefert es überraschend gut mit der Realität übereinstimmende Beschreibungen für metallische Eigenschaften. 5.3 Metalleigenschaften im Modell Härte und Verformbarkeit Der Zusammenhalt des Metallgitters ergibt sich aus der elektrostatischen Anziehung zwischen negativ geladenem Elektronengas und positiv geladenen Atomrümpfen. Abb. 5.3: 3-D Bild des Aufbau des Metallgitters von Natrium. Die positiv geladenen Atomrümpfe sind regelmässig in einem Gitter angeordnet. Da sie sich gegenseitig abstossen, liegen sie nicht direkt nebeneinander. Die Valenzelektronen bewegen sich frei zwischen den Atomrümpfen. Da sie zu allen Atomrümpfen hingezogen werden wirken Sie wie Kleber zwischen den Atomrümpfen. Die Valenzelektronen aller Atome verhalten sich fast wie die kleinsten Teilchen eines Gases: Sie verteilen sich gleichmässig im Raum, der ihnen zur Verfügung steht. Alle frei beweglichen Valenzelektronen bezeichnet man deshalb als Elektronengas.

5 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 95 Zu Abbildung 5.3: Es sind 25 Natrium-Atomrümpfe dargestellt. Das Natrium ein Element der I Gruppe im PSE ist, gibt es auch 25 zu zeichnende Valenzelektronen, die sich verteilt zwischen den Atomrümpfen aufhalten. Lernaufgabe Verformbarkeit Ziel: Sie können die plastische Verformbarkeit von Metallen mit dem Elektronengas-Modell beschreiben. Sie können zudem die plastische Verformbarkeit von Metallen in Kontrast zur Härte und Sprödigkeit von Salzen setzen. Ablauf: Sie bearbeiten die Aufgabe in 4er-Gruppen während 15 Minuten. Sie führen an ihrem Arbeitsplatz einen Versuch durch und bearbeiten die gestellten Aufgaben schriftlich. Tragen Sie bei der praktischen Arbeit eine Schutzbrille. Material: Schutzbrille, Mörser mit Pistill, Polylöffel, gekörntes Natriumchlorid, gekörntes Metall. Aufgaben: Bearbeiten Sie die Aufgaben in der vorgeschlagenen Reihenfolge. Suchen Sie bei der Lehrperson Hilfe, wenn Sie auch nach dreimaligem Durchlesen nicht verstanden haben, was zu tun ist. 1. Erstellen Sie auf einer leeren A4-Seite zwei Spalten. Betiteln Sie die linke Spalten mit Salz, die rechte Spalte mit Metall. 2. Stellen Sie in der linke Spalte Salz grafisch einen Ausschnitt aus einem Ionengitter dar. Auf gleicher Höhe und in gleicher Grösse zeichnen Sie in der rechten Spalte einen Ausschnitt aus einem Metallgitter nach dem Elektronengas-Modell. 3. Geben Sie einen Polylöffel Natriumchlorid-Kristalle in den Mörser. Drücken Sie kräftig mit dem Pistill auf die Kristalle im Mörser. Reiben Sie mit dem Pistill hin und her. Halten Sie schriftlich in der linken Spalte fest, was dabei passiert. Waschen und trocknen Sie den Mörser. 4. Geben Sie einen Polylöffel Metallgranulat in den Mörser und machen Sie das gleiche wie mit dem Salz. Halten Sie Ihre Eindrücke schriftlich in der rechten Spalte fest. 5. Simulieren Sie im Modell, was im Mörser passiert: Verschieben Sie dazu jeweils die rechte Hälfte der beiden gezeichneten Gitter um eine Teilchen-Höhe nach unten. 6. Weshalb kommt es durch eine Verschiebung zu einer Zerstörung eines Ionengitters, während dem ein Metallgitters intakt bleibt?

6 96 Metallische Stoffe und ihr Aufbau Viele Metalle lassen sich schmieden. Gold, Silber, Platin, Kupfer, Blei oder Eisen sind nur einige Beispiele für Metalle, die sich sehr gut auch in kaltem Zustand bearbeiten lassen. Die Form von Gegenständen aus diesen Metallen lässt sich dauerhaft (=plastisch) verändern. Denn im Gegensatz zu einem Gitter aus Ionen wirkt im Metallgitter das Elektronengas als Kleber zwischen den Atomrümpfen. Es kommt aus diesem Grund selbst bei Verschiebungen im Metallgitter nie zu abstossenden Kräften, wie auch in Abbildung 5.4 zu erkennen ist. Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Abb. 5.4: 3-D Bild des Aufbau des Metallgitters von Natrium. Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit Frei bewegliche Ladungsträger Mit dem Elektronengas kann nicht nur die elektrische Leitfähigkeit von Metallen, sondern auch ihre Abhängigkeit von der Temperatur leicht verständlich beschrieben werden. Abb. 5.5: 3-D Bild des Aufbau des Metallgitters von Natrium. Die Erklärung liegt in Abbildung 5.5. Die negativ geladenen Elektronen werden zum positiven Pol hingezogen und vom negativ geladenen Pol abgestossen. Die Elektronen in der Modellvorstellung frei beweglichen Elektronen können Sie sich verschieben.

7 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 97 Gute Wärmeleitfähigkeit Wärme ist ungerichtete Bewegung. Wärme bedeutet für kleinste Teilchen, dass Sie sich ungerichtet bewegen. Man spricht von der thermischen Bewegung. Die absolute Temperatur in Kelvin 2 ist ein direktes Mass für die Bewegungsenergie der Teilchen. Atome in direktem Kontakt Da die Atome im Metallgitter einerseits dicht gepackt sind und in unserer Vorstellung die Elektronen des Elektronengases zwischen den Atomen frei beweglich sind, kann ungerichtete Bewegung von Atomrümpfen und Elektronen innerhalb eins Metallgitters rasch übertragen werden. Diese rasche Übertragung von Bewegung entspricht einer raschen Energieübertragung und somit einer hohen Wärmeleitfähigkeit innerhalb eines Metallgitters. 5.4 Flash-Animationen für Zuhause Auf der Internetseite finden sich viele gute Animationen für chemische Phänomene. Besonders gelungen sind die Beispiele zur Stromleitung: Stromleitung in metallischen Leitern. 2 Sie erhalten die absolute Temperatur in K, wenn Sie von der Temperatur in Grad Celsius subtrahieren.

8 98 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 5.5 Arten von metallischen Stoffen Einteilung nach der Zusammensetzung. Metalle können nach ihren Eigenschaften eingeteilt werden, oder nach ihrer Zusammensetzung. Werden Sie nach ihrer Zusammensetzung und ihrem inneren Aufbau eingeteilt, gibt es drei unterschiedliche Arten von metallischen Stoffen: Elementare Metalle Das Metall ist ein elementarer Reinstoff. Das Metallgitter ist aus einer einzigen Atomsorte aufgebaut. Etwa 80 % aller Elemente sind metallische Stoffe. Dazu zählen Gold, Silber, Platin, Kupfer, Aluminium, und so weiter. Legierungen Das sind Metallgemische. Das Metallgitter enthält mindestens zwei verschiedene Atomsorten. Bekannte Legierungen sind Bronze und Messing. Intermetallische Verbindungen Diese Metalle besitzen ein konstantes stöchiometrisches Verhältnis der enthaltenen Atomsorten. Ein Beispiel sind Titanaluminide, Werkstoffe die aus Titan-Atomen und Aluminium-Atomen aufgebaut sind. Unterschied zwischen Legierungen und intermetallischen Verbindungen. Zinnbronzen sind Beispiele für typische Legierungen. Der Zinn-Anteil in der Bronzemischung kann zwischen 0 % bis 40 % liegen. Dazwischen ist jedes Mischverhältnis denkbar. Gussbronze weist einen Zinnanteil von 9 % bis 13 % auf. [1]. In intermetallischen Verbindungen kommen die Atome der verschiedenen Sorten in ganz bestimmten Verhältnissen, eben dem stöchiometrischen Verhältnis vor. Aus diesem Grund kann man für eine intermetallische Verbindung eine Verhältnisformel angeben. Zum Beispiel Ti 3 Al für ein bestimmtes Titanaluminium-Verbindung. Für eine Legierung kann keine Verhältnisformel angegeben werden, da die Atomsorten in keinem festen Verhältnis vorkommen.

9 Metallische Stoffe und ihr Aufbau Aufgaben zum Kapitel 1. Geben Sie an, ob es sich bei den abgebildeten Formeln um Summenformeln von Molekülen, Verhältnisformeln von Salzen oder Verhältnisformeln intermetallischer Verbindungen handelt. Wenn es sich um die Formeln von Salzen handelt, so benennen Sie das Salz zusätzlich. a) MgO b) Cu 4 Sn c) H 2 CO 3 d) (NH 4 ) 3 PO 4 e) LiH f) Al 2 Cu g) CH 3 COOH h) CaSO 4 2. Nennen Sie fünf typische metallische Eigenschaften 3. Was passiert, wenn Sie mit einem Hammer auf... a) einen Kochsalzkristall hämmern. b) auf einen Ring aus Gold hämmern. c) Wie erklären Sie sich das unterschiedliche Verhalten? 4. Ein Kristall aus Zuckermolekülen leitet den elektrischen Strom nicht, ein Stück Aluminium hingegen sehr gut. Erklären sich das unterschiedliche Verhalten. Zu den Lösungen 5.7 Definitionen Definition 1 (Elektronengas). Als Elektronengas wird die Vorstellung von zwischen den Atomrümpfen eines Metallgitters frei beweglichen Elektronen bezeichnet.

10 100 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 5.8 Lösungen zu den Kapitelaufgaben 1. Zu Beginn des Kapitels nachzulesen. 2. a) Der Kochsalzkristall zersplittert. Werden die Ionenschichten gegeneinander verschoben, kommt es zu einer Situation mit benachbarten gleichartig geladenen Ionen, die sich stark abstossen. b) Auch wenn die Schichten im Metallgitter verschoben werden, hält das Elektronengas die Atomrümpfe zusammen. Der Goldring wird zwar dauerhaft in seiner Form verändert, er bekommt eine Delle, wird aber nicht zerstört. 3. In Molekülen gehören alle Elektronen zu einem bestimmten Atom. Es gibt keine frei beweglichen Elektronen, die als Ladungsträger fungieren könnten. In Metallen hingegen sind die Elektronen des Elektronengas frei beweglich. 4. Geben Sie an, ob es sich bei den abgebildeten Formeln um Summenformeln von Molekülen, Verhältnisformeln von Salzen oder Verhältnisformeln intermetallischer Verbindungen handelt. Wenn es sich um die Formeln von Salzen handelt, so benennen Sie das Salz zusätzlich. a) Verhältnisformel von Magnesiumoxid. (Es kommen Nichtmetalle und Metalle in der Formel vor) b) Verhältnisformel einer intermetallischen Verbindung. (Es kommen nur metallische Atomsorten vor) c) Summenformel. (Nur Nichtmetall-Atomsorten) d) Verhältnisformel von Ammoniumphosphat. (Mehratomige Ionen kommen vor) e) Verhältnisformel von Lithiumhydrid. (Es kommen Nichtmetalle und Metalle in der Formel vor) f) Verhältnisformel einer intermetallischen Verbindung. (Es kommen nur metallische Atomsorten vor) g) Summenformel. (Nur Nichtmetall-Atomsorten) h) Verhältnisformel von Calciumsulfat. (Es kommen Nichtmetalle und Metalle in der Formel vor) Zu den Aufgaben

11 Lernabsichten und Erfolgskriterien Lernabsicht Erfolgskriterium Unistrukturell Eigenschaften von Metallen Elektronengas kennen Modell von Metallen skizzieren können Legierung und intermetallische Verbindungen kennen Wärmeleitfähigkeit beschreiben Elektrische Leitfähigkeit beschreiben Verformbarkeit von Metallen beschreiben Ich kann typische metallische Eigenschaften aufzählen und erläutern. Ich kenne die Modellvorstellung des Elektronengases und kann Sie mündlich und schriftlich wiedergeben. Ich kann modellhaft den Aufbau eines Metallgitters aus Atomrümpfen und Elektronengas skizzieren, vollständig beschriften und erläutern. Ich kann das sowohl ganz grundsätzlich als auch anhand von konkreten Beispielen tun. Ich kann mündlich und schriftlich erläutern, was eine Legierung und was eine intermetallische Verbindung ist. Ich kann erläutern, was Wärme und Wärmeleitfähigkeit auf der Ebene der kleinsten Teilchen bedeutet. Ich kann erläutern, was elektrische Leitfähigkeit auf der Ebene der kleinsten Teilchen bedeutet. Ich kann erläutern, was die plastische Verformbarkeit auf der Ebene der kleinsten Teilchen bedeutet.

12 Multistrukturell Elektronengas-Modell übertragen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Ionengitter und Metallgitter erarbeiten Ich kann typische metallische Eigenschaften wie die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die plastische Verformbarkeit mit Hilfe der Elektronengas-Modellvorstellung erläutern, beschreiben und erklären. Ich kann Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den stofflichen Eigenschaften benennen und mit Gemeinsamkeiten und Unterschieden im Aufbau der Stoffe in Beziehung setzen.

13 Lernabsicht Erfolgskriterium Relational Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Stoffklassen erkennen und ausarbeiten Kausale Betrachtungsweise leben Ableiten von Eigenschaften aus Formeln Ich bin mir der unterschiedlichen Eigenschaften von molekularen Stoffe, Salzen und Metallen stets bewusst. Ich kann jederzeit grundlegende Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den stofflichen Eigenschaften aus dem Wissen um Beispiele und aus dem modellhaften Wissen um den Aufbau der Stoffe ableiten. Ich bin mir stets bewusst, dass die Eigenschaften der Stoffe die Eigenschaften der kleinsten Teilchen und ihre Wechselwirkungen wiederspiegeln. Die grundlegenden Unterschiede zwischen molekularen Stoffen, Salzen und Metallen führe ich immer auf ihren grundlegend unterschiedlichen Aufbau zurück. Auch bei unbekannten Stoffen aufgrund der Formel erkennen, welcher Stoffklasse der beschriebene Stoff angehört und leite daraus ab, welche grundlegenden Eigenschaften der unbekannte Stoff vermutlich haben wird.

14 104 Metallische Stoffe und ihr Aufbau 5.9 Literaturverzeichnis [1] Seite Bronze. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (Abgerufen: , 20:12 UTC).