Geschichte der Kunststoffe
Arbeitsmaterial:
Kategorie: Stoffgruppen
Die Nichtmetalle
Betrachten wir die „andere“ Seite des PSE. Hier finden wir die Elemente „rechts“ der Bor-Astat-Linie.
Die Nichtmetalle sind Atomarten, die Elementsubstanzen aufbauen, die immer etwas „nicht metallisches“ an sich haben. So sind einige gasförmig bei Raumtemperatur oder sie leiten keinen elektrischen Strom, glänzen nicht oder sind schlechte Wärmeleiter. Irgendwas fehlt immer …
Einige Beispiele:
| Eigenschaften / Verwendungen | Kohlenstoff | Schwefel | Phosphor | Stickstoff |
|---|---|---|---|---|
| lateinischer Name/ Namensbedeutung | Carboneum / Holzkohle | Sulfur / langsam brennen, schwelen | Phosphorus /lichttragend, leuchtend | Nitrogenium/ salpeterbildend |
| Bau – Struktur der Modifikationen | Riesenmoleküle Graphit– geschichtet  Diamant – Tetraedrisch dicht gepackter Kristall  | 8-atomige räumlich orientierte Moleküle  | Moleküle weiß – tetraedrisch 4-atomige Moleküle  rot/schwarz – gewellte Doppelschichten  | 2-atomige Moleküle  |
| Dichte (g/cm³) | 2.267 | 2.07 | 1.82 | 1.251 |
| Schmelztemperatur (°C) | 3550 | 115 | 44.2 | -210.1 |
| Siedetemperatur (°C) | 4827 | 444.6 | 280 | -196 |
| Löslichkeit in Wasser | Unlöslich in Wasser | Unlöslich in Wasser, | Unlöslich in Wasser, | Unlöslich in Wasser, |
| Farbe | Schwarz, farblos | Gelb | Weiß, rot, schwarz | Farblos |
| Glanz | Diamant – lichtbrechend Graphit – grau glänzend | nein | nein | nein |
| Geruch | geruchlos | geruchlos | geruchlos | geruchlos |
| Brennbarkeit an der Luft | nicht brennbar | brennbar | brennbar | nicht brennbar |
| elektrische Leitfähigkeit | Graphit – ja Diamant – nein | nein | nein | nein |
| Verformbarkeit in der Kälte | nein | nein | nein | ja (gasförmig) |
| Verwendung | Schmuck (Diamant), Elektroden(Graphit), Kohlenstofffasern Bohr– und Schneidwerkzeuge (Diamant) | Schwefelsäure- und Düngemittelherstellung, | Düngemittel, Feuerwerkskörper, Flammenhemmer | Düngemittel, Kühlmittel, Ammoniakherstellung |
| natürliches Vorkommen | Diamanten- vulkanische Schlote und in Vergesellschaftung mit dem Mineral Kimberlit (Südafrika) | weltweit 1500 Fundorte (Polen, Sizilien,…) | weltweit in Form von Mineralien (Phosphate) | 78,1% der Luft |
Diese Atomarten bilden individuelle Elementsubstanzen von großer natürlicher, biologischer und technischer Bedeutung !
Legierungen
…sind Gemische aus 2 oder mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.
Arbeitsblatt Legierungen
Bronze
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 .
Gelangt kein Wasser an die Bronze, so überzieht eine dünne Schicht aus farblosem bis schwarzem Rost die gesamte Figur.
Wasser jedoch sorgt für die Bildung von weiteren nicht farblosen Substanzen und die bilden eine farbige Schicht (Patina) aus.
Messing – (Steckbrief im Video)
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.
Wer mehr wissen will… Video – Begriffserweiterung
Eisenlegierungen – Stahl
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.
Über die Stahlherstellung erfahren wir an anderer Stelle mehr … Hier!
Eine Liste von Legierung findest du bei:
https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Liste_der_Legierungen
(entspricht der Wikipedia -Liste)
Eigenschaften der Metalle
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).
Und dieses System ist in ständiger 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.
Video – Bau der Metalle – räumliche Strukturen
Die allgemeinen Eigenschaften der Metalle
Alle Metalle glänzen.
Der sichtbare Effekt wird jedoch vom Rosten beeinträchtigt.
An der Oberfläche eines Metalls erzeugen die sich bewegenden Elektronen einen winzigen Lichtimpuls, der in den oberen Schichten des Metalls reflektiert wird. Dieses Licht erscheint uns als Glanz.
Alle Metalle leiten den elektrischen Strom und die Wärme.
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 übertragen.
Das funktioniert in einem schwingenden Gitter von Atomrümpfen natürlich hervorragend.
So kann sich Wärme ausbreiten.
Alle Metalle sind kalt verformbar(duktil).
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.
Sie sind duktil – kalt verformbar (Duktilität)Die Rümpfe gleiten aneinander vorbei.
Damit lassen sich Metalle biegen, pressen, walzen …
Metalle
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.
Die Stoffgruppe der Metalle umfasst über 90 Elementsubstanzen und zeichnet sich durch Gemeinsamkeiten in ihren Eigenschaften und eine Systematik im chemischen Verhalten aus.
Wie fassen zusammen…
Zur Erklär- Seite dieser Eigenschaften…
Einige Beispiele:
Metalle1—(SSA)Tabelle zu Metallen, HA_Legierung
Magnesium
Magnesium wurde 1755 von Joseph Black entdeckt und wird seit 1886 großtechnisch in Deutschland gewonnen. Das silberglänzende Leichtmetall schützt sich an der Luft durch eine dichte Oxidschicht selbst vor Korrosion. Ab 500 °C verbrennt es mit einer intensiv weißen Flamme.
In der Natur bildet Magnesium das Zentrum des Chlorophylls (Pflanzengrün). Auch Menschen benötigen täglich etwa 400 mg, die sie über Milch oder Gemüse aufnehmen.
Wegen seiner geringen Dichte und hohen Starrheit ist Magnesium im Leichtbau für Fahrzeuge und Maschinen unverzichtbar. In Legierungen mit Aluminium oder Silicium spart es effektiv Gewicht ein. Zudem dient es als Reduktionsmittel bei der Gewinnung von Metallen wie Uran oder Chrom und wird zur Entschwefelung von Stahlschmelzen eingesetzt.
Aluminium
Das pulverisierte, leicht brennbare Aluminium verleiht Silvesterfeuerwerken ihren Glanz. Als dritthäufigstes Element der Erdkruste kommt das silberweiße Leichtmetall nur in Verbindungen wie Bauxit vor. An der Luft bildet es eine schützende Oxidschicht, die es vor weiterer Korrosion bewahrt.
Nach seiner Entdeckung 1825 war Aluminium so wertvoll, dass es zeitweise teurer als Gold gehandelt wurde. Napoleon III. ließ seinen Ehrengästen exklusiv Aluminiumbesteck eindecken. Durch optimierte Herstellungsverfahren sank der Preis jedoch rasch.
Heute ist das extrem leichte Metall unverzichtbar. In der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau spart es Gewicht. Zudem dient es als Alltagsmaterial für Alufolie und Kochgeschirr. Dank seiner hervorragenden Leitfähigkeit wird es intensiv in der Elektro- und Wärmetechnik für Kabel und Heizkörper genutzt.
Alles über Aluminium (allesueberalu.de)
Recycling von Aluminium
Eisen
Eisen ist neben Kobalt und Nickel eines der drei ferromagnetischen Metalle. Als zentraler Baustein von Hämoglobin transportiert es Sauerstoff im Blut und muss über Nahrung wie Haferflocken, Nüsse oder Broccoli aufgenommen werden. Schon vor 5000 Jahren fertigten Menschen Dolche aus Meteoreisen.
Reines Eisen rostet an feuchter Luft jedoch zerstörerisch, da die rotbraune Schicht porös ist und das Metall zerfällt. Das macht es für feine Elektrokabel oder Kochtöpfe unbrauchbar.
Die Lösung ist Stahl: Eine Legierung aus Eisen und rund zwei Prozent Kohlenstoff. Dieser Werkstoff revolutionierte die Welt. Mit über 2000 Varianten ist Stahl heute unverzichtbar für tragende Hochhaus- und Brückenkonstruktionen sowie für präzise chirurgische Skalpelle.
Die 3 Metalle im Vergleich
| Eigenschaft | Eisen (Fe) | Aluminium (Al) | Magnesium (Mg) |
| Entdeckung / Geschichte | Seit 5000 Jahren genutzt (Meteoreisen) | 1825 entdeckt; war anfangs teurer als Gold | 1755 entdeckt; Großtechnisch seit 1886 |
| Biologische Bedeutung | Baustein von Hämoglobin (Sauerstofftransport) | Keine (Vorkommen in der Erdkruste) | Zentrum des Chlorophylls (Pflanzengrün) |
| Bedarf / Nahrung | Aus Haferflocken, Nüssen, Broccoli | Nicht essenziell | Ca. 400 mg täglich aus Milch und Gemüse |
| Verhalten an der Luft | Bildet porösen Rost; zerfällt zerstörerisch | Bildet glasartige Oxidschicht; geschützt | Bildet dichte Oxidschicht; geschützt |
| Besonderes Merkmal | Ferromagnetisch (mit Kobalt & Nickel) | Pulverisiert leicht brennbar (Silvesterfeuerwerk) | Verbrennt ab 500 °C mit weißer Flamme |
| Hauptanwendung | Als Stahl (mit Kohlenstoff) im Hoch- und Brückenbau | Leichtbau (Luftfahrt), Alufolie, Elektrotechnik | Leichtbau für Fahrzeuge, Metallgewinnung |
Die Untergruppen der Metalle
Metalle teilt man nach ihrer Dichte in Leicht- und Schwermetalle ein. Dabei wird eine Dichte von 5g/cm³ angesetzt.
Weiterhin unterteilt man die Gruppe in Edelmetalle und unedle Metalle. Dabei wird auf die unterschiedliche Reaktionswilligkeit eingegangen. „Edel“ heiß in der Chemie so viel wie „reaktionsträge“.
Arbeitsmaterial – Metalle 2—Untergruppen der Metalle
Wozu ein Metall benutzt wird hängt von seiner Verfügbarkeit aber vor allem auch von seinen Eigenschaften ab.
Arbeitsmaterial – Metalle 3—Eigenschaften bedingen die Verwendung
Beitrag: Die schwimmende Kanonenkugel und LERNPROGRAMM: Metalle
Über den Tellerrand geschaut:
VIDEO Indium
VIDEO Scandium
VIDEO Rubidium
Metalle bei smart-elements.com
Legierungen
Mischt man Metalle mit anderen Elementen (Metalle/Nichtmetalle), so entstehen Legierungen . Stoffgemische mit manchmal völlig überraschenden Eigenschaften. Hier!
Arbeitsmaterial – Metalle 4—Legierungen
Im LERNPROGRAMM: Metalle findest du auch offline verfügbare Informationen und Erklärungen.