Die wohl erste bewusst hergestellte und eingesetzte Legierung war Bronze, ein Gemisch aus Kupfer und Zinn.
Bronze ist härter als die beiden Einzelmetalle und kann je nach Kupferanteil von rotbraun bis rotsilbrig gefärbt sein. Damit eröffnete sich die Möglichkeit Schnittwerkzeuge, Alltagsgegenstände und Schmuck von großer Schönheit und Beständigkeit herzustellen.
Die Hochzeit der Benutzung dieser Legierung liegt mehr als 3000 Jahre zurück. Sie wurde die Bronzezeit genannt. In Mitteleuropa war das 2200 Jahre bis 800 vor dem Beginn unserer Zeitrechnung .
Wasser jedoch sorgt für die Bildung von weiteren nicht farblosen Substanzen und die bilden eine farbige Schicht (Patina) aus.
Messing
Kupfer färbt auch diese Legierung so charakteristisch. Hier sind goldfarbene Materialen gefragt und beliebt. Allerdings nicht immer bei Leuten, die es ehrlich mit uns meinen. So findet man immer wieder Schmuckstücke, die als „Gold“ angepriesen werden. Dieser Effekt ist jedoch nicht von Dauer und so färbt sich das gute Stück schon nach wenigen Wochen oder Monaten schwarz. Es rostet. Und das tut Gold nicht!
Messing ist eine meist goldfarbene Legierung aus Kupfer und Zink.
Die ersten Eisenlegierung – so zeigen die frühesten Funde- enthielten immer wieder Nickel als 2. Komponente. So kann davon ausgegangen werden, dass die Menschen diesen metallischen Werkstoff an der Erdoberfläche fanden und formten. Die Sumerer – ein frühes Handelsvolk aus dem Mittelmeerraum- nannten das Eisen das „Himmelsmetall“.
Erst die selbst gewonnenen Eisenlegierungen sind Stähle, da sie durch die Verwendung von mit Kohle und Holz betriebenen Öfen das Element Kohlenstoff in das Eisen einschleusten. Eine Legierung aus zumindest Eisen und Kohlenstoff heißt Stahl.
Durch die räumliche Anordnung der Atome der Metalle in einem stabilen Gitter , kommt es zu einem Besonderen Verhältnis zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen (Atome ohne Außenelektronen) und der großen Anzahl Elektronen (Außenelektronen ) die sich um einen – im Gitter – liegenden Metallatomrumpf befinden.
Der Atomrumpf wird von den Elektronen praktisch umflossen. Und das in 6 Richtungen (oben, unten, vorn, hinten, rechts und links).
Die Menge der frei beweglichen Außenelektronen wird in der Chemie als „Elektronengas“ bezeichnet.
Und dieses System ist in Bewegung. Je wärmer ein Metall ist, desto stärker schwingen die Rümpfe und die Elektronen sind nicht mehr zu einem Rumpf zuzuordnen. Bringt man das Metall zur „Weißglut“ so sind die Bewegungen bei dieser Temperatur so stark, dass die Elektronen ihre Bahnen verlassen. Das sehen wir als Licht. So entsteht durch die Menge an Elektronen der Eindruck des Glühens.
An der Oberfläche eines Metalles erzeugen die sich bewegenden Elektronen einen winzigen Lichtimpuls, der in den oberen Schichten des Metalls reflektiert wird. Dieses Licht erscheint uns als Glanz.
Elektrisch leitfähig bedeutet, Ladungen müssen transportiert werden. Wo, wenn nicht hier wäre das möglich? Viele, viele frei bewegliche Elektronen in diesem Gitter und das schon bei Raumtemperatur.
Die Elektronen fließen praktisch durch das Metallgitter.
Die Wärmeleitfähigkeit ist die Möglichkeit Energie also …“Schwingungen“ zu übertagen. Das funktioniert in einem schwingenden Gitter von Atomrümpfen natürlich hervorragend. So kann sich Wärme ausbreiten.
Die Verformbarkeit (Duktilität)
Teile eines Metallgitters können sich verschieben, ohne dass sich die Abstände zwischen den Atomrümpfen großartig ändern, oder es sogar zu Abstoßungskräften durch Annäherung von gleichen Ladungen kommt. Die Rümpfe gleiten aneinander vorbei. Damit lassen sich Metalle biegen, pressen, walzen …
Die Metalle sind eine Gruppe von Reinstoffen, die aus nur einer Atomart(Element) bestehen. Sie sind Elementsubstanzen und bilden eine Gruppe von Stoffen mit sehr ähnlichen Eigenschaften.
Man findet alle Elemente (Atomarten) systematisch angeordnet im wichtigsten Arbeitsmittel des Chemikers, dem Periodensystem der Elemente (PSE). Die Metalle findet man links der Bor-Astat-Linie.
Hier werden die Metalle und ihre 4 gemeinsamen Eigenschaften vorgestellt:
Joseph Black entdeckte um 1755 Magnesium als Element, 1808 stellte Sir H. Davy Magnesium jedoch zum ersten Mal – durch Amalgamverfahren – dar, großtechnisch wird Magnesium seit 1886 in Deutschland (Schmelzflusselektrolyse von Carnallit) gewonnen. Magnesium leitet den elektrischen Strom nicht so gut wie Aluminium oder Kupfer. In Farbe und Glanz ähnelt es dem Aluminium jedoch sehr. Magnesium ist dehnbar und kann zu Drähten oder Blechen gewalzt und gezogen werden. An der Luft überzieht sich Magnesium mit einer dichten Oxidschicht, die das Metall vor der völligen Zerstörung schützt. Magnesium verbrennt ab Temperaturen von 500°C mit weißer Flamme zu seinem weißen Oxid. In der Natur findet man Magnesium als zentrales Teilchen des Chlorophylls, dem Pflanzengrün. Der Mensch benötigt täglich nur Spuren von Magnesium ( ca. 400mg). Diese nehmen wir aus magnesiumreichen Nahrungsmitteln wie Milch oder Gemüse zu uns. Die geringe Dichte des Metalls ermöglicht gute Verwendungsfähigkeit im Leichtbau. So bestehen Bauteile an Fahrzeugen und Maschinen immer dann aus Magnesium, wenn Gewicht gespart werden muss, hohe Starrheit gefordert ist oder eine gute Korrosionsbeständigkeit gebraucht wird. Mit Aluminium und Silicium entstehen gern eingesetzte leichte Legierungen. Bei der Gewinnung von Uran, Kupfer, Zink und Chrom findet es genau so Anwendung, wie bei der Entschwefelung von Stahlschmelzen.
Aluminium ist als Pulver leicht brennbar uns so Bestandteil von „Silberregen“ im Silvesterfeuerwerk und in Raketentreibstoffen. Das weiche, zähe, hell glänzende, silberweiße Aluminium wird, wie Magnesium und andere unedle Metalle nicht in metallischer Form gefunden, sondern kommt in Verbindungen (Granit, Gneis, Feldspat) vor. Das wichtigste Aluminiummineral heißt Bauxit. Aluminium, das nach seinem Salz Alaun benannt wurde, ist das dritthäufigste Element der Erdkruste. Es reagiert an seiner Oberfläche mit Luft schnell zu seinem glasartigen, harten Oxid und ist so gegen das weitere Verrosten geschützt. Sir Humphrey Davy entdeckte das Metall 1808, konnte es jedoch nicht herstellen. Das gelang Hans Christian Ørsted im Jahr 1825. Dieses „neue“ Metall, was so wundervoll leicht war, wurde zu höheren Preisen als Gold gehandelt. So bekam der König von Siam als Ehrengast bei Napoleon(III) als Einziger das teure Besteck, Napoleon nahm mit Gold vorlieb. Durch verbesserte Herstellungsverfahren verfiel der Preis jedoch rasch. Aluminium wird wie andere Leichtmetalle gern da verwendet, wo es auf jedes Gramm ankommt. In der Luft– und Raumfahrt ebenso, wie bei Leichtbaukonstruktionen für Fahrzeuge, Verpackungen („Alufolie“) und Kochgeschirr und Küchengeräte. Seine guten Leitungseigenschaften machten es in der Elektro– und Wärmetechnik beliebt. In Freileitungen, Kabeln und als Heizkörper findet man es.
Eisen ist neben Kobalt und Nickel eines der nur 3 ferromagnetischen Metalle. Hämoglobin der Blutfarbstoff, enthält Eisen, dieses Metall ist an wichtigen Lebensprozessen wie dem Sauerstofftransport unmittelbar beteiligt und wir müssen Eisen immer wieder mit unserer Nahrung aufnehmen, beispielsweise weil täglich neues Blut gebildet wird. Keine Angst, Eisen ist in vielen Lebensmitteln enthalten. Reich an Eisen sind Haferflocken, Weizenvollkorn, Salate, Erbsen, Nüsse, Bohnen oder Broccoli. Obwohl die Menschen das silbrig glänzende Eisen schon seit langer Zeit verwenden, ist ein 5000 Jahre alter Dolch aus Meteoreisen das älteste Beweisstück für die Bearbeitung dieses Metalls. Eisen, das als Pulver übrigens leicht entzündlich ist, rostet zerstörend. Seine rotbraune Rostschicht ist porös und brüchig, so fällt so nach und nach das ganze Metall dem „Fraß“ zum Opfer. Das funktioniert an feuchter Luft am besten, leider. Dies macht Eisen für viele Einsatzgebiet unbrauchbar. Niemand möchte rostige Kochtöpfe, „Bröselschmuck“ oder sich „selbstvernichtende“ Elektrokabel. Die Mischung des Eisens mit anderen Metallen und dem nichtmetallischen Kohlenstoff (ca. 2%) ergibt den Werkstoff, für den die ganze Welt sich interessiert, Stahl. Seine Einsatzgebiete sind fast unbegrenzt. Von Stahlgerüsten in Hochhäusern über die Brückenkonstruktionen dieser Welt bis zum Skalpell des Chirurgen ist Stahl in seinen über 2000 Varianten der beliebteste metallische Werkstoff, aber kein Metall sondern eine Legierung.
Metalle teilt man nach ihrer Dichte in Leicht- und Schwermetalle ein. Dabei wirde eine Dichte von 5g/cm³ angesetzt. Weiterhin unterteilt man die Gruppe in Edelmetalle und unedle Metalle. Dabei wird auf die unterschideliche Reaktionswilligkeit eingegangen. „Edel“ heiß in der Chemie so viel wie „reaktionsträge“.
Mischt man Metalle mit anderen Elementen (Metalle/Nichtmetalle), so entstehen Legierungen . Stoffgemische mit manchmal völlig überraschenden Eigenschaften. Hier!
Seit Aschenbrödel (Cinderella) ist uns bekannt, dass bei einigen Gemischen nur die Auslese per Hand funktioniert, wenn man keine kleinen Helfer zur Verfügung hat. Und die kann lange dauern.
Bestehen Stoffgemische aus Teilchen, die sich beispielsweise in Farbe oder Größe unterscheiden, so kann man diese Eigenschaften ausnutzen, um die Bestandteile zu trennen. Auch unterschiedliche Dichten oder die Siedetemperaturen von Stoffen in Gemischen können Voraussetzungen für das Funktionieren eines Trennverfahrens sein.
Hier einige Beispiele für wichtige Trennverfahren:
Auslesen: von Hand Teile trennen
Windsichten: Teilchen(Korn) werden einem Luftstrom ausgesetzt, der sie unterschiedlich weit transportiert
Sieben: Partikel/Körner unterhalb der Siebdichte werden „durchgelassen“
Absetzen lassen: (Sedimentation) unlösliche Bestandteile höhere Dichte sinken ab
Dekantieren: schwimmende feste oder flüssige Anteile abgießen
Filtrieren: unlösliche Bestandteile werden ja nach Filterklasse zurückgehalten
Eindampfen: flüssige Bestandteile durch Hitze verdampfen lassen, feste Bestandteile bleiben zurück
Destillieren: flüssige Bestandteile mit unterschiedlichen Siedetemperaturen werden verdampft und kondensiert
Extrahieren: ein Stoff wird durch seine Löslichkeit in einem Medium aus dem Gemisch gelöst
Zentrifugieren: Stoff größerer Dichte wird durch Vergrößerung der Gewichtskraft in einer Zentrifuge abgeschieden
Adsorbieren: anlagern von Teilchen an eine geeignete Oberfläche (Beispiel: Aktivkohle)
Papierchromatographie: durch die Kapillarwirkung werden gelöste Stoffe im Papier unterschiedlich weit transportiert
Magnettrennung: anhand der magnetischen Eigenschaft trennen
Stoffgemische trennt man in die enthaltenen Reinstoffe und diese Reinstoffe bestehen wiederum aus den kleinsten und einfachsten Bausteinen der Natur, den Atomen, die Elemente genannt werden.
Weiß man, worin sich vermischte Stoffe unterscheiden, so kann man diesen Unterschied in den Eigenschaften ausnutzen und die Gemische in ihre Bestandteile zerlegen… trennen.
Das Windsichten ist eine uralte Verarbeitungsmethode für geerntetes Getreide. Damit werden die leichten Bestandteile vom Wind weggetragen und die schwereren Bestandteile fallen zu Boden und sammeln sich dort.
„Die Spreu vom Weizen trennen“
Das wird natürlich auch industriell genutzt. Im folgenden Video sieht man einen professionellen Windsichter. Er trennt Gemische von Feststoffen (Gemenge) mit unterschiedlichen Dichten. Dazu werden genau berechnete Luftströme genutzt.
Hier mal eine Anwendung aus der schweren Technik: (Erkennst du hier den Teil mit dem Windsichter?)
Liegt ein Stoff in gelöster Form vor, so kann man ihn dadurch gewinnen , dass man das Lösungsmittel, im dem er fein verteilt ist, verdampft. Dieses geht dabei verloren, wenn man es nicht technisch rückgewinnt. Im Folgenden sieht man das blaue Salz Kupfersulfat gelöst in Wasser. Überlässt man der Sonne oder einer anderen schwachen Wärmequelle oder sogar der Umgebungswärme das „Beseitigen“ des Lösungsmittels , so spricht man vom „Eindunsten“.
Das Filtern – die Filtration:
Filterpapier gibt es in vielen Filterklassen zu kaufen. So sind unsere Staubsauger mit Papierfiltern ausgestattet, die den Staub und die anderen festen Partikel sammeln, aber die Luft durchlassen. Kaffee oder Tee werden durch Filtern zubereitet. Dabei stellen wir es so an, dass die Kaffeebohnenkrümel und die Teeblätter (Kräuter, Gewürzhülsen…) nicht in das Getränk gelangen, die Farbstoffe und Aromen jedoch schon.
Filtern trennt also unlösliche Bestandteile ab einer bestimmten Größe durch Zurückhalten aus der Mischung.
DieDestillation:
Um 2 vermischte Flüssigkeiten oder einen gelösten Feststoff vom Lösungsmittel zu trennen, kann man die Destillation nutzen, wenn die beteiligten Stoffe unterschiedliche Siedepunkte besitzen. Dann siedet der Stoff mit der niedrigeren Siedetemperatur eher und kann durch Kühlung als Reinstoff kondensieren. Die nächsthöher siedende Substanz folgt.
Beispiele:
In Gemischen von Alkohol und Wasser (Wein) siedet der Alkohol schon bei 78°C und verdampft so aus der Lösung. So kann je nach Apparatur bis zu 96% reiner Alkohol gewonnen werden.
Erdöl ist ein Gemisch aus vielen hundert organischen Substanzen (Kohlenwasserstoffe) , die in flüssiger Form vorliegen. Erhitzt man Erdöl vorsichtig, so verdampfen diese Flüssigkeiten und kann man sie siedebereichsweise gewinnen. Solche Stoffe eines bestimmten Siedebereiches nennt man Fraktion.
…und nun mit einem von Wasser durchflossenen Liebigkühler.
Stell Dir einfach vor die Farben deiner Stifte sind aus winzigen Brocken hergestellt, dabei werden diese je nach Größe von den benutzten Flüssigkeit unterschiedlich weit transportiert. So kann man feststellen, welche anteile von Farben in einem Stift verwendet wurden, um seine Farbe zu gestalten. Und da ist jeder Stift einzigartig. Und jeder Drucker und jede Schreibmaschine auch …
Das geht auch mit sich vollsaugender Kreide…
Das Magnetscheiden:
Von den über 80 Metallen sind nur 3 magnetisch. Aber die verwenden wir sehr häufig. Und deshalb finden wir sie auch, egal wo wir suchen…
Industriell kann man das Verfahren auch einsetzen:
Übe hier die wichtigsten Begriffe zur Stofftrennung:
Jede Substanz – in der Chemie „Stoff“ genannt – besitzt typische Merkmale (Eigenschaften), die sie einzigartig machen. Sie wird dadurch von anderen Stoffen unterscheidbar. In der Chemie wird immer nach einem gut „geeigneten Stoff“ gesucht, der besondere Bedingungen erfüllt und sich so optimal verwenden lässt. Jede Eigenschaft ermöglicht Verwendungen und jede Verwendung ist auf Eigenschaften zurückführbar.
Manche Stoffe finden als Medikament Verwendung, weil sie in unserem Körper einen Prozess stören oder verändern. Aspirin verdünnt das Blut, es fließt leichter. Man fand heraus, das hat fiebersenkende Wirkung. Holz brennt. Das liefert Wärme. Verrückt!
Manche Stoffe lassen sich im Wasser so fein verteilen, dass sie für das menschliche Auge „unsichtbar“ werden. Sie lösen sich in Wasser auf.
Der Aggregatzustand
Wie die kleinsten Teilchen (Atome – Ionen – Moleküle ) zusammenhalten und für alle uns sichtbar als Feststoff oder als Flüssigkeit erscheinen, beschreibt der Aggregatzustand eines Stoffes. Halten die Teilchen fest zusammen, so bilden sie einen festen Stoff. Aber es genügt schon eine leichte Erwärmung, dann beginnen die Teilchen zu schwingen und sich zu bewegen. Die Ordnung zerfällt, es entsteht eine Flüssigkeit. Bei weiterer Erwärmung kann es sogar zur völligen Bewegungsfreiheit der Teilchen kommen, dem Gaszustand, dabei rasen die Teilchen wild umher.
Die Dichte eines Stoffes oder die Temperaturen, bei denen Stoffe schmelzen oder sieden, kann man im Tafelwerk einsehen, da seit langer Zeit viele fleißige Menschen diese Daten bestimmt und gesammelt haben. Diese messbaren Daten nennt man die physikalischen Eigenschaften von Stoffen.
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