1998 LS 8.1 Metalleigenschaften

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Einleitung

Legierungen sind Verbindungen von mindestens zwei Elementen, wobei mindestens eines davon ein Metall sein muss. Die anderen Elemente können entweder Metalle oder Nichtmetalle sein. Legierungen werden durch Metallbindung zusammengehalten.

Aber was sind überhaupt Metalle? Um dies zu klären, können wir uns erstmal überlegen, wo wir Metalle nutzen?

Dabei ist es hilfreich sich die verschiedenen Fertigigungsverfahren anzuschauen. Diese können aufgrund ihres Zusammehaltes der Atome unterschieden werden. So wird z.B. bei Urformen der Zusammenhalt geschaffen. Es gab vorher keinen Zusammenhalt (z.B. Flüssig, Gasförmig, Pulver) und nach der Anwendung des Fertigungsverfahrens gibt es ein Zusammenhalt. Der Zusammenhalt wurde somit geschaffen.

Fertigungsverfahren mit praktischen Beispielen

	Beispiel Alltag	Beispiel Zahntechnik
Urformen (Zusammenhalt schaffen)
Umformen (Zusammenhalt beibehalten)
Trennen (Zusammenhalt vermindern)
Fügen (Zusammenhalt vermehren)
Beschichten (Zusammenhalt vermehren)
Stoffeigenschaften ändern(Zusammenhalt bleibt gleich, aber Eigenschaft ändert sich, z.B. wird härter/weicher)

Bevor wir diesen Zusammenhalt, nämlich die Bindung von Metallen bzw. Metallbindung besprechen können, müssen wir jedoch zunächst folgende Fragen klären:

Was ist ein Metall? Was ist kein Metall?

Welche Elemente gehören zu den Metallen? Welche Elemente gehören nicht zu den Metallen?

Wie können diese Eigenschaften erklärt werden?

Metalleigenschaften

--- Bilder: Bild Alufolie, Bild Kupferpfanne; Nichtmetalle: Gips, Kunstoff, Keramik, Zirkonium?

Etwa 80 % aller Elemente im PSE sind Metalle. Metalle können bezüglich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften im flüssigen und festen Zustand definiert werden.

Diese Eigenschaften sind:

- fest bei Raumtemperatur (20°C), außer Quecksilber

- plastisch verformbar (z.B. biegen eines Kupferkabel, welches seine gebogene Form behält; platisch=bleibend)

- metallisch glänzend (z.B. Aluminiumfolie)

- undurchsichtig, auch bei sehr geringer dicke (z.B. Aluminiumfolie (0,004 mm), Blattgold (0,0001 mm))

- guter Wärmeleiter (z.B. Kupferpfanne)

- guter Elektrizitätsleiter (z.B. Kupfer)

- miteinander Mischbar (z.B. CoCrMo-Legierung)

- kristalliner Aufbau (später mehr dazu)

Einzelne dieser Eigenschaften können auch in Nichtmetallen auftreten.

Elektronengasmodell in Metallen

--- Bild Elektronengasmodell

Das Elektronengasmodell beschreibt Metalle als eine Anordnung von positiv geladenen Atomkernen mit einem „Gas“ von frei beweglichen Valenzelektronen. Diese (Valenz-)Elektronen sind nicht an ein bestimmtes Atom gebunden und können sich stattdessen frei durch die gesamte Metallstruktur bewegen.

Das Elektronengasmodell bietet ein grundlegendes Verständnis der einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Metallen. Es betont die freie Bewegung von Valenzelektronen innerhalb der Metallstruktur und erklärt, warum Metalle gute elektrische und thermische Leiter sind, formbar sind und einen metallischen Glanz haben. Komplexere Modelle wie das Bandmodell berücksichtigen zusätzliche Details, dies ist für uns jedoch nicht notwendig.

Eigenschaften, die durch das Elektronengasmodell (vereinfacht) erklärt werden

1. Elektrische Leitfähigkeit: Die freien Elektronen in Metallen ermöglichen den Transport von elektrischem Strom. Wenn eine Spannung angelegt wird, fließen die Elektronen in eine Richtung und leiten den Strom.
2. Thermische Leitfähigkeit: Die frei beweglichen Elektronen übertragen auch Wärme durch das Metall, was zur hohen Wärmeleitfähigkeit von Metallen beiträgt. (Mehr dazu später)
3. Metallischer Glanz: Metalle reflektieren Licht bei verschiedenen Frequenzen, was ihnen ihren charakteristischen Glanz verleiht. Dies liegt an der Wechselwirkung des Lichts mit den freien Elektronen.
4. Verformbarkeit: Die frei beweglichen Elektronen ermöglichen es den Atomkernen, sich relativ zueinander zu verschieben, ohne die Bindung zu brechen. Das macht Metalle formbar und dehnbar. (Mehr dazu später)
5. Metallbindung: Die Anziehung zwischen den positiv geladenen Atomkernen und den frei beweglichen Elektronen erzeugt eine Bindung, die als metallische Bindung bekannt ist, die das Metall zusammenhält. (Mehr dazu später)

Technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Nutzen von Metallen

Der Nutzen von Metallen kann in verschiedene Kategorien eingeteilt werden:

Technischer Nutzen

In Technik und Industrie müssen Materialien oft ganz bestimmte Eigenschaften haben. Dazu muss man manchmal verschiedene Eigenschaften kombinieren, um das Material genau passend zu machen (legieren). Diese Mischung aus verschiedenen Eigenschaften nennt man technische Eigenschaften. Außerdem muss das Material so bearbeitet werden können, dass es die richtige Form bekommt. Das kann unter anderen durch Schmelzen und Gießen oder durch Fräsen und Biegen passieren.

Wirtschaftlicher Nutzen

Technische Eigenschaften sind vielleicht nicht so wichtig, wenn das Material zu teuer ist oder nicht in ausreichenden Mengen erhältlich ist. Ein Metall wird nur dann verwendet, wenn es nützliche technische Eigenschaften hat und es gleichzeitig kosteneffizient ist, es herzustellen und zu verarbeiten. Ob ein Metall aus wirtschaftlicher Sicht interessant ist, sieht man oft daran, wie viel davon produziert wird.

Ökologischer Nutzen

Metalle sollten so verwendet werden, dass sie mit den Bedürfnissen der Menschen im Einklang stehen, nicht nur jetzt, sondern auch in der Zukunft. Das bedeutet, dass sie leicht recycelbar sein sollten. Recycling ist bei Metallen üblich, weil es viel billiger und einfacher ist als die Gewinnung aus Erz. Das Einschmelzen eines Metalls kostet nur einen Bruchteil der Energie und des Geldes, die für die ursprüngliche Gewinnung benötigt werden. In einem Schmelzofen können verschiedene Metalle getrennt und in neue Formen gegossen werden. Einige spezielle Legierungselemente, die sich ähnlich verhalten, können jedoch schwer oder nur mit viel Aufwand getrennt werden.

Übung

---H5P Übung---