1998 LS 8.1 Metalleigenschaften

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Einleitung

Wo nutzen wir in der Zahntechnik Metalle? - 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 (Flüssig, Gasförmig, Pulver) und gibt nach Anwendung des Fertigungsverfahrens ein Zusammenhalt. Der Zusammenhalt wurde geschaffen.

Fertigungsverfahren mit praktischen Beispielen

	Urformen (Zusammenhalt schaffen)	Umformen (Zusammenhalt beibehalten)	Trennen (Zusammenhalt vermindern)	Fügen (Zusammenhalt vermehren)	Beschichten (Zusammenhalt vermehren)	Stoffeigenschaften ändern
Beispiele Zahntechnik
Beispiele Alltag

Bevor wir diesen Zusammenhalt, nämlich die Bindung von Metallen oder 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

Allgemeines

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

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 bzw. hohe Schmelztemperatur

- 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 (CoCrMo-Legierung)

- kristalliner Aufbau (später mehr dazu)

Einzelne dieser Eigenschaften können auch in Nichtmetallen auftreten.

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.

Elektronengasmodell in Metallen

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 erklärt werden (sehr vereinfacht)

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.
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. Duktilität: Die frei beweglichen Elektronen ermöglichen es den Atomkernen, sich relativ zueinander zu verschieben, ohne die Bindung zu brechen. Das macht Metalle formbar und dehnbar.
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.

Einschränkungen des Modells

Während das Elektronengasmodell viele der charakteristischen Eigenschaften von Metallen verständlich macht, ist es eine Vereinfachung der Realität.

Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle

Im Periodensystem der Elemente (PSE) zeichnen sich Elemente nicht nur durch ihre Ordnungszahl, sondern auch durch die Anzahl der Valenzelektronen aus, die in der äußeren Schale kreisen. Auf der linken Seite des PSE finden sich Metalle, die dazu neigen, Elektronen abzugeben. Die rechts im PSE positionierten Elemente verfügen über viele Außenelektronen und neigen dazu, fehlende Elektronenplätze durch die Aufnahme von Elektronen anderer Atome zu ergänzen. Zwischen den Metallen und Nichtmetallen befinden sich die Halbmetalle, sie haben Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen und können somit nicht eingeordnet werden.

Der Zusammenschluss zwischen Metallen und Nichtmetallen führt zu drei möglichen Kombinationen von Bindungen:

1. Ionenbindung: Hier verbindet sich ein Metallatom mit einem Nichtmetallatom. Da die Elektronen vom Metall zum Nichtmetall übertragen werden, gibt es keine freien Elektronen. Ein bekanntes Beispiel ist Korund (Al₂O₃) oder Kochsalz (NaCl).
2. Atombindung (auch kovalente Bindung genannt): Bei dieser Bindung teilen sich zwei Nichtmetallatome die Elektronen, wodurch kaum freie Elektronen vorhanden sind. Diamant (C) ist ein Beispiel für diese Art der Bindung.
3. Metallbindung: Wenn sich zwei Metallatome verbinden, bilden sie eine Metallbindung, wobei die Valenzelektronen frei zwischen den Atomen beweglich sind. Dies verleiht Metallen ihre charakteristischen Eigenschaften. Alle Metalle sind Beispiele für diese Art der Bindung.

Diese Erkenntnisse bilden das Grundgerüst für das Verständnis der chemischen Bindungen und der Eigenschaften von Materialien und sind somit zentral für die Chemie und die Materialwissenschaft.

Kristallstruktur der Metalle

Allgemeines Unterschied Kristallin/Amorph

Anordnung der Atome untereinander Anziehungskräfte Diagramm

Übung

---H5P Übung---