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Learn All About the Properties of Metals

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Für die meisten Menschen, ist Metall ein anderes Wort für Eisen, Stahl oder eine ähnliche harte, glänzende Substanz.

Aber passt diese Definition zu den wahren Eigenschaften von Metallen?

Ja… und nein.

Bevor wir das erklären, solltest du wissen, dass die meisten Elemente im Periodensystem Metalle sind.

Metalle befinden sich in der Mitte und auf der linken Seite des Periodensystems. Sie können weiter in Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle und unedle Metalle eingeteilt werden.

Metalle Science Lesson

Eigenschaften von Metallen

Ein Element ist eine Substanz, die aus einer Art von Atom besteht; es kann nicht in einfachere Teile getrennt werden. Zum Beispiel besteht das Element Helium (man denke an Heißluftballons) ausschließlich aus Heliumatomen.

Elemente werden im Allgemeinen als Metalle oder Nichtmetalle klassifiziert (obwohl einige Elemente Eigenschaften von beiden haben; diese werden Metalloide genannt).

Drei Eigenschaften von Metallen sind:

  • Glanz: Metalle glänzen, wenn sie geschnitten, gekratzt oder poliert werden.
  • Verformbarkeit: Metalle sind fest, aber formbar, das heißt, sie lassen sich leicht biegen oder formen. Seit Jahrhunderten können Schmiede Gegenstände aus Metall formen, indem sie das Metall erhitzen und mit einem Hammer darauf schlagen. Würde man dies mit Nichtmetallen versuchen, würde das Material zerbrechen! Die meisten Metalle sind auch duktil, das heißt, sie können zu Draht gezogen werden.
  • Leitfähigkeit: Metalle sind ausgezeichnete Leiter von Elektrizität und Wärme. Da sie auch dehnbar sind, eignen sie sich ideal für elektrische Leitungen. (Du kannst dies mit einigen Haushaltsgegenständen testen. Lies weiter, um zu erfahren, wie!)

Weitere Eigenschaften von Metallen

Hoher Schmelzpunkt: Die meisten Metalle haben einen hohen Schmelzpunkt und alle außer Quecksilber sind bei Raumtemperatur fest.

Klangvoll: Metalle geben oft einen klingenden Ton von sich, wenn sie getroffen werden.

Reaktivität: Einige Metalle machen eine chemische Veränderung (Reaktion) durch, allein oder mit anderen Elementen, und setzen dabei Energie frei. Diese Metalle kommen nie in reiner Form vor und sind nur schwer von den Mineralien zu trennen, in denen sie vorkommen. Kalium und Natrium sind die reaktionsfreudigsten Metalle. Sie reagieren heftig mit Luft und Wasser; Kalium entzündet sich bei Kontakt mit Wasser!

Andere Metalle reagieren überhaupt nicht mit anderen Metallen. Das bedeutet, dass sie in reiner Form vorkommen können (Beispiele sind Gold und Platin). Da Kupfer relativ preiswert ist und eine geringe Reaktivität aufweist, eignet es sich gut für die Herstellung von Rohren und Leitungen.

Fünf Gruppen von Metallen:

Edelmetalle kommen in reiner Form vor, weil sie nicht reaktiv sind und sich nicht mit anderen Elementen zu Verbindungen verbinden. Weil sie so wenig reaktiv sind, korrodieren sie nicht so leicht. Daher sind sie ideal für Schmuck und Münzen. Zu den Edelmetallen gehören Kupfer, Palladium, Silber, Platin und Gold.

Alkali-Metalle sind sehr reaktiv. Sie haben einen niedrigen Schmelzpunkt und sind weich genug, um mit einem Messer geschnitten zu werden. Kalium und Natrium sind zwei Alkalimetalle.

Alkalische Erdmetalle finden sich in Verbindungen mit vielen verschiedenen Mineralien. Sie sind weniger reaktionsfreudig als Alkalimetalle, außerdem sind sie härter und haben einen höheren Schmelzpunkt. Zu dieser Gruppe gehören Kalzium, Magnesium und Barium.

Übergangsmetalle sind das, woran wir normalerweise denken, wenn wir an Metalle denken. Sie sind hart und glänzend, stark und leicht zu formen. Sie werden für viele industrielle Zwecke verwendet. Zu dieser Gruppe gehören Eisen, Gold, Silber, Chrom, Nickel und Kupfer, von denen einige auch Edelmetalle sind.

Schwache Metalle sind ziemlich weich, und die meisten werden für sich genommen nicht sehr viel verwendet. Sie werden jedoch sehr nützlich, wenn sie anderen Substanzen beigemischt werden. Zu den armen Metallen gehören Aluminium, Gallium, Zinn, Thallium, Antimon und Wismut.

Legierungen: Starke Kombinationen

Die Eigenschaften dieser verschiedenen Metalle lassen sich kombinieren, indem man zwei oder mehr von ihnen zusammenmischt. Der daraus entstehende Stoff wird als Legierung bezeichnet. Einige unserer nützlichsten Baumaterialien sind eigentlich Legierungen. Stahl zum Beispiel ist eine Mischung aus Eisen und geringen Mengen an Kohlenstoff und anderen Elementen; eine Kombination, die sowohl stark als auch leicht zu verarbeiten ist. (Fügt man Chrom hinzu, erhält man rostfreien Stahl. Überprüfen Sie Ihre Töpfe und Pfannen, um zu sehen, wie viele davon aus rostfreiem Stahl bestehen!)

Andere Legierungen wie Messing (Kupfer und Zink) und Bronze (Kupfer und Zinn) sind leicht zu formen und schön anzuschauen. Bronze wird auch häufig im Schiffsbau verwendet, weil es gegen Korrosion durch Meerwasser beständig ist.

Titan ist viel leichter und weniger dicht als Stahl, aber genauso fest; und obwohl es schwerer als Aluminium ist, ist es auch doppelt so fest. Es ist auch sehr korrosionsbeständig. All diese Faktoren machen es zu einem hervorragenden Legierungsmaterial. Titanlegierungen werden in Flugzeugen, Schiffen und Raumfahrzeugen sowie in Farben, Fahrrädern und sogar Laptops verwendet!

Gold ist als reines Metall so weich, dass es immer mit einem anderen Metall (normalerweise Silber, Kupfer oder Zink) gemischt wird, wenn es zu Schmuck verarbeitet wird. Der Reinheitsgrad von Gold wird in Karat gemessen. Der höchste Reinheitsgrad, der bei Schmuckstücken erreicht werden kann, beträgt 24 Karat, was etwa 99,7 % reinem Gold entspricht. Gold kann auch mit anderen Metallen gemischt werden, um seine Farbe zu verändern; das für Schmuck beliebte Weißgold ist eine Legierung aus Gold und Platin oder Palladium.

Metall aus Erzen

Erze sind Gesteine oder Mineralien, aus denen eine wertvolle Substanz – in der Regel Metall – gewonnen werden kann. Zu den gängigen Erzen gehören Bleiglanz (Bleierz), Bornit und Malachit (Kupfer), Zinnober (Quecksilber) und Bauxit (Aluminium). Die häufigsten Eisenerze sind Magnetit und Hämatit (ein rostfarbenes Mineral, das sich aus Eisen und Sauerstoff bildet), die beide etwa 70 % Eisen enthalten.

Es gibt mehrere Verfahren zur Raffination von Eisen aus Erzen. Das ältere Verfahren ist die Verbrennung des Eisenerzes mit Holzkohle (Kohlenstoff) und Sauerstoff, der durch Blasebälge zugeführt wird. Der Kohlenstoff und der Sauerstoff, einschließlich des Sauerstoffs im Erz, verbinden sich und hinterlassen das Eisen. Das Eisen wird jedoch nicht heiß genug, um vollständig zu schmelzen, und es enthält Silikate, die vom Erz übrig geblieben sind. Es kann erhitzt und herausgehämmert werden, um Schmiedeeisen zu bilden.

Das modernere Verfahren verwendet einen Hochofen, um Eisenerz, Kalkstein und Koks (ein Kohleprodukt, nicht das Erfrischungsgetränk) zu erhitzen. Durch die dabei entstehenden Reaktionen wird das Eisen vom Sauerstoff im Erz getrennt. Dieses „Roheisen“ muss weiter gemischt werden, um Schmiedeeisen herzustellen. Es kann auch für einen anderen wichtigen Zweck verwendet werden: Wenn es mit Kohlenstoff und anderen Elementen erhitzt wird, wird es zu einem festeren Metall, das Stahl genannt wird.

In Anbetracht des damit verbundenen Prozesses ist es nicht überraschend, dass Eisen bis etwa 1500 v. Chr. nicht verwendet wurde. Einige reine Metalle – Gold, Silber und Kupfer – wurden jedoch schon früher verwendet, und die Legierung Bronze wurde vermutlich um 3500 v. Chr. von den Sumerern entdeckt. Aber Aluminium, eines der wichtigsten Metalle, die heute verwendet werden, wurde erst 1825 n. Chr. entdeckt und wurde erst im 20: Prozess & Vorbeugung

Haben Sie schon einmal ein Stück Silber gesehen, das seinen Glanz verloren hat, oder Eisen mit rötlich gefärbtem Rost oder sogar Löchern, die durch Korrosion entstanden sind? Dies geschieht, wenn Sauerstoff (normalerweise aus der Luft) mit einem Metall reagiert. Metalle mit einer höheren Reaktivität (wie Magnesium, Aluminium, Eisen, Zink und Zinn) sind viel anfälliger für diese Art der chemischen Zerstörung oder Korrosion.

Wenn Sauerstoff mit einem Metall reagiert, bildet er ein Oxid auf der Oberfläche des Metalls. Bei einigen Metallen, wie Aluminium, ist das eine gute Sache. Das Oxid bildet eine Schutzschicht, die verhindert, dass das Metall weiter korrodiert.

Eisen und Stahl hingegen haben ernsthafte Probleme, wenn sie nicht zum Schutz vor Korrosion behandelt werden. Die rötliche Oxidschicht, die sich auf Eisen oder Stahl bildet, wenn es mit Sauerstoff reagiert, wird Rost genannt. Die Rostschicht blättert ständig ab und setzt immer mehr Metall der Korrosion aus, bis das Metall schließlich durchgefressen ist.

Eine gängige Methode zum Schutz von Eisen ist die Beschichtung mit einer speziellen Farbe, die verhindert, dass Sauerstoff mit dem Metall unter der Farbe reagiert. Eine andere Methode ist die Galvanisierung: Bei diesem Verfahren wird Stahl mit Zink beschichtet. Der Sauerstoff, die Wassermoleküle und das Kohlendioxid in der Luft reagieren mit dem Zink und bilden eine Schicht aus Zinkkarbonat, die vor Korrosion schützt. Schauen Sie sich in Ihrem Haus, Ihrem Hof und Ihrer Garage nach Beispielen für Korrosion sowie für die Verzinkung und andere Mittel zum Schutz von Metall vor Rost um.

Technologie: Feuerwerk & Chemie

Wenn Sie sich am vierten Juli ein Feuerwerk ansehen, werden Sie wunderschöne Kombinationen von Farben und Funken sehen.

Wie funktioniert dieses erstaunliche pyrotechnische Schauspiel? Die kurze Antwort lautet: Chemie. Die längere Antwort ist eine Rekapitulation der Eigenschaften von Metallen.

Eine der wichtigsten Zutaten für Feuerwerkskörper, Bodenfeuerwerk und Luftfeuerwerk (das am Himmel explodiert) ist Schwarzpulver, das von den Chinesen vor etwa 1000 Jahren erfunden wurde. Es ist eine Mischung aus Kaliumnitrat (Salpeter), Holzkohle und Schwefel in einem Verhältnis von 75:15:10. Schwarzpulver wird zum Abschießen von Antennen verwendet und verursacht auch die Explosionen, die für Spezialeffekte wie Lärm oder farbiges Licht notwendig sind.

In Wunderkerzen wird Schwarzpulver mit Metallpulvern und anderen chemischen Verbindungen in einer Form gemischt, die langsam von oben nach unten abbrennt. Bei einfachen Feuerwerksraketen ist das Schwarzpulver in einem Rohr um eine Zündschnur eingeschlossen. Wenn es angezündet wird, erzeugt das Pulver eine Kraft, die eine gleich starke und entgegengesetzte Reaktion hervorruft, die den Feuerwerkskörper vom Boden abhebt und dann die darin enthaltenen Verbindungen in der Luft explodieren lässt.

Komplexere Feuerwerksgranaten werden aus einem Mörser abgefeuert, einem Rohr mit Schwarzpulver, das beim Anzünden eine Abhebereaktion hervorruft. Die Lunte der Feuerwerksgranate wird dann angezündet, während sie in die Luft steigt, und zum richtigen Zeitpunkt bewirkt eine Explosion im Inneren der Granate, dass die Spezialeffektladungen explodieren.

Der helle, farbenfrohe Teil des Feuerwerks wird durch „angeregte“ Elektronen in den Atomen verschiedener Metall- und Salzverbindungen verursacht. Diese Verbindungen befinden sich in kleinen Kugeln, die Sterne genannt werden und aus einer ähnlichen Verbindung bestehen wie die Wunderkerzen.

Metalle als Farbstoffe

Die verschiedenen Metalle brennen in unterschiedlichen Farben; wenn zum Beispiel eine Kupferverbindung angezündet wird, hat die Flamme eine blau-grüne Farbe. Kalzium brennt rot, und Kalium brennt violett. In Feuerwerkskörpern werden Metalle kombiniert, um verschiedene Farben zu erzeugen.

Wenn die Sternverbindungen in einem Feuerwerkskörper erhitzt werden, geben die angeregten Atome Lichtenergie ab. Dieses Licht lässt sich in zwei Kategorien einteilen: Glühen und Lumineszenz. Glühen ist Licht, das durch Hitze erzeugt wird: In Feuerwerkskörpern verursachen reaktive Metalle wie Aluminium und Magnesium einen Ausbruch von sehr hellem Licht, wenn sie heiß werden – manchmal bei Temperaturen von über 5000 °F!

Verbindungen, die weniger reaktiv sind, werden nicht so heiß, was zu schwächeren Funken führt. Lumineszenz hingegen wird aus anderen Quellen erzeugt und kann auch bei kalten Temperaturen auftreten. Die Elektronen in der Verbindung nehmen Energie auf, wodurch sie „angeregt“ werden. Die Elektronen können dieses hohe Niveau jedoch nicht halten und springen auf ein niedrigeres Niveau zurück, wobei sie Lichtenergie (Photonen) freisetzen.

Bariumchlorid ist eine chemische Verbindung, die Feuerwerkskörpern eine leuchtend grüne Farbe verleiht, und Kupferchlorid erzeugt eine blaue Farbe. Für beide Arten von Licht ist es wichtig, reine Zutaten zu verwenden, da Spuren anderer Verbindungen die Farbe verdecken.

Weitere Lektüre über Metalle:

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