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 !
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 .
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 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.
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 …
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.
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.
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.
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.
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
Mischt man Metalle mit anderen Elementen (Metalle/Nichtmetalle), so entstehen Legierungen . Stoffgemische mit manchmal völlig überraschenden Eigenschaften. Hier!
Wir benötigen Grundchemikalien wie Ammoniak, Schwefelsäure, Chlor oder Stahl zu Millionen Tonnen pro Jahr. Diese Stoffe müssen gewonnen, oder produziert werden. Viele Stoffe müssen als Schadstoffe entsorgt oder unschädlich gemacht werden. Allein für die Energiebereitstellung in Form von Wärme oder Elektrizität brauchen wir chemische Prozess ..und das rund um die Uhr.
Prozesse wie das Schimmeln oder das Sauerwerden von Milch lassen sich verlangsamen. Dazu kühlen wir die Stoffe. Das verlangsamt die Vermehrung von Keimen, die unsere Lebensmittel unbrauchbar machen.
Misst man die Konzentration eines Stoffes, der an der Reaktion beteiligt ist, so stellt man fest, dass die Änderung der Konzentration am Anfang einer Reaktion groß ist und später abnimmt. Die beteiligten reaktiven Teilchen sind am Anfang in Masse vorhanden und es kommt zu vielen gleichzeitigen wirksamen Zusammenstößen. Später ist das nicht mehr so, die Reaktion wird langsamer und kommt zum Stillstand.
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