Metalle
I. Metalloxide
II. Reaktion mit Säuren und alkalischen Lösungen
III. Metallgewinnung
IV. Legierungen
I. Metalloxide
Viele Metalle verändern sich an der Luft. Dies hast du
bestimmt schon einmal beim Vergleich von neuen und alten Münzen, Schrauben und
Nägeln beobachtet. Solche Metalle zeigen ein großes Bestreben sich mit
Sauerstoff (in diesem Fall mit dem Sauerstoff aus der Luft) zu verbinden. Dieser
Vorgang wird als langsame oder stille
Oxidation
bezeichnet. Es entstehen
die entsprechenden Metalloxide (Verbindungen aus Metall und Sauerstoff). Rost ist
z. B. ein Begriff aus dem Alltag für das Oxid des Eisens. Durch Erhitzen der Metalle
wird die Oxidation beschleunigt.
Je edler ein Metall ist, desto geringer ist sein Bestreben, sich mit Sauerstoff zu verbinden. Wenn das Verhalten einiger Metalle gegenüber Sauerstoff verglichen wird, kann hieraus die so genannte Oxidationsreihe der Metalle (Bild 1) formuliert werden.
Bild 1: Oxidationsreihe der Metalle
Versuche:
Oxidation von Kupfermünzen
Oxidationsreihe der Metalle
Herstellen von Wunderkerzen
Nachweis von Titandioxid in Wandfarben und Korrekturflüssigkeit
Verbinden von Metallen durch Löten
Eloxieren von Aluminium
Viele Metalloxide besitzen einprägsame Farben, wie z. B. das orangerote Bleimennige, ein Bleioxid, welches zur Herstellung von Rostschutzfarbe verwendet wird. Metalloxide spielen aber auch im Bereich der Baustoffe eine bedeutende Rolle. So bestehen z. B. gebrannte Ziegel aus einem hohen Anteil von rotem Eisen(III)-oxid (Fe2O3).
II. Reaktion mit Säuren und alkalischen Lösungen
Die unedlen
Metalle reagieren mit Säuren
zu Wasserstoffgas und einem entsprechenden Salz.
Aluminium und Zink können sogar mit
alkalischen Lösungen
reagieren. Hierbei entsteht
Tetrahydroxoaluminat bzw. Tetrahydroxozinkat und ebenfalls Wasserstoff. Weil diese
Metalle sowohl mit sauren als auch alkalischen
Lösungen reagieren, bezeichnet man sie als amphoter ("zwitterhaft", griech. amphoteros:
beide, beidseitig).
Reaktion mit sauren Lösungen: Al + 3 H3O + à Al 3+ + 3 H2O + 1½ H2 á
Reaktion mit alkalischen Lösungen: Al + 3 OH - à [Al(OH)4] - + 1½ H2 á
Versuche:
Reaktion von Säuren mit unedlen Metallen
Untersuchen eines Rohrreinigers
Herstellen von Gasbeton
Herstellen von Schaumgips mit Aluminiumpulver
Herstellen einer Messinglegierung
III. Metallgewinnung
Abgesehen von den edlen Metallen, kommen reine Metalle in der Natur nur sehr selten vor. Man gewinnt sie deshalb
vorwiegend aus ihren Erzen, die als Hauptbestandteile Metalloxide oder Metallsulfide
(Verbindungen mit Schwefel) enthalten. Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren, um aus diesen
Erzen die reinen Metalle zu gewinnen. Welcher Weg zur Gewinnung beschritten wird, hängt
dabei von der Zusammensetzung der Erze und ihren chemischen Eigenschaften ab.
Metallgewinnung durch Reduktion mit Kohlenstoff
Metalloxiden kann durch Erhitzen mit Kohlenstoff der Sauerstoff entzogen werden.
Es entsteht das elementare Metall und Kohlenstoffdioxidgas. Die folgende allgemeine
Reaktionsgleichung soll diesen Vorgang, der über mehrere Reaktionen verläuft,
vereinfacht veranschaulichen.
2 MeO + C à 2 Me + CO2 (MeO = Metalloxid, Me = Metall)
Diese Reaktion ist eine Redoxreaktion, da das Metalloxid (durch Entzug von Sauerstoff) reduziert und gleichzeitig der Kohlenstoff oxidiert wird (sich mit Sauerstoff verbindet).
Metallgewinnung durch Elektrolyse
Die Erze einiger Metalle werden, soweit sie nicht als Oxide vorliegen, durch
so genanntes "Rösten" oxidiert und anschließend mit Säuren in ihre Salze
überführt. Aus diesen Salzlösungen werden anschließend mittels
Elektrolyse
die reinen Metalle gewonnen.
Metalle, wie z. B. Kupfer, welche elementar mit anderen Metallen vergesellschaftet
vorkommen, werden mittels Elektrolyse gereinigt (Kupferraffination).
Versuche:
Gewinnen von Zink aus Zinkoxid
Elektrolytische Kupferraffination
Metallbeschichtungen
Metalle können durch drei grundlegende Verfahren mit dünnen
Überzügen anderer Metalle beschichtet werden. Das Werkstück kann durch
Eintauchen in ein flüssiges Metall (z. B. Feuerverzinkung von Autokarosserien und
Nägeln) beschichtet werden, weiterhin durch
Elektrolyse
in einer
Salzlösung
(Galvanotechnik) oder
durch
Abscheidung
von edleren Metallen aus einer entsprechenden Salzlösung
auf unedleren Metallen.
Letzteres Verfahren wird z. B. beim Verchromen von Fahrradlenkern angewandt.
Zunächst wird der Eisenlenker durch Eintauchen in flüssiges Zink
(Feuerverzinkung) verzinkt. Durch Eintauchen des verzinkten Lenkers in eine
Chromsalzlösung scheidet sich dann elementares Chrom ab, welches anschließend
poliert werden muss, damit der schöne Chromglanz zur Geltung kommt.
Versuche:
Feuerverzinken von Eisen
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IV. Legierungen
Unterschiedliche Metalle lassen sich in flüssigem Zustand mischen.
Diese Mischungen nennt man Legierungen. Diese besitzen in der Regel einen geringeren
Schmelzpunkt
als die der ursprünglichen Metalle. Bekannte Legierungen sind
Lötzinn, Messing, oder die unterschiedlichen Beschichtungen von Münzen (Tabelle 1).
Modeschmuck besteht häufig aus Legierungen eher günstiger und damit
unedlerer Metalle, wie z. B. Nickel, auf das einige Menschen zum Teil mit starken
Allergien reagieren.
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75 - 80 % Kupfer
20 - 25 % Zinn |
Glockenguss |
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88 - 95 % Kupfer
5 - 12 % Aluminium |
Uhrfedern |
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60 - 70 % Kupfer
30 - 40 % Zink |
Kerzenleuchter,
Türbeschläge |
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80 % Kupfer
20 % Zink |
Blattkupfer
(unechtes Blattgold), Beschichtung von 10-Pfennigmünzen |
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75 % Kupfer
25 % Nickel |
Münzen (5 DM, 2 DM,
1 DM, 50 Pfennige) |
Tabelle 1: Die Zusammensetzung verschiedener Legierungen und ihre Verwendung
Versuche:
Herstellen von Lötzinn
Herstellen einer Messinglegierung
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