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



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.

Legierung
Zusammensetzung
Verwendung
Bronze
75 - 80 % Kupfer
20 - 25 % Zinn
Glockenguss
Aluminiumbronze
88 - 95 % Kupfer
5 - 12 % Aluminium
Uhrfedern
Gelbmessing
60 - 70 % Kupfer
30 - 40 % Zink
Kerzenleuchter, 
Türbeschläge
Rotmessing
(Tombak)
80 % Kupfer
20 % Zink
Blattkupfer 
(unechtes Blattgold),
Beschichtung von 
10-Pfennigmünzen
Konstantan
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


Weitere Texte zum Thema „Chemie im und ums Haus“


Diese Seite ist Teil eines großen Webseitenangebots mit weiteren Texten und Experimentiervorschriften auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie.
Letzte Überarbeitung: 29. Januar 2012, Dagmar Wiechoczek