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HinweisBei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmendes Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besserenDurchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter daseingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, dieTexterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichenDateien mit Fehlern behaftet.

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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Dr.ButenuthLehramtsvortragsseminar

SS 1993

Metalle:

Vorgelegt: von:Thomas Meisterknecht

Ernst Lemmerstr.14/12335041 Marburg

Chemie in der Schule: www.chids.de

Metallvortrag ThomasMeisterlmccht

o. AUGEMEINE EINFÜHRUNG: 3

I. PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN VON METALLEN: 3

1.1.Theorie der Metalfucben BinduDg 31.1.1 Thermische Leitfähigkeit 3

1. Versuch zurThermischen Leitfähigkeit: 41.1.2 Leitung deselektrischen Stroms (Unterscheidung Metall , Halbmetall, Nichtmetall): 5

2.Versuch zurLeitfähigkeit 61.1.3 Metallischer Glanz: 6

3.Versuch Kupferverspiegelung: 61.1.4 Schmelz und Siedepunkte von Metallen allg. 7

2. Kristalliner Aufbau von Metallen aJlg. 81.2.1 Mikrostruktur 81.2.2 Herleitung dereinfachsten drei Kugelpackungen 81.2.3 Veranschaulichung des Einflusses der Struktur auf die Eigenschaften: 10

5.Versuch Zinn: 101.2.4 Erklarung dergute plastischen Verformbarkeit: 10

6.Versuch NaCl und Kupfer 10

II..CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON METALLEN: 11

2.1. aUgemeiat~ hriodilcbe EigeDSChafteD. 112.1 .1 Def: Ionisierungsenergie: 112.1.2 Der ElcktroneDcgativitat: 12

2.2 Affiaitlt 1'011 Metdea zu Sauentufl': 127.Versoch: VedJrenmmg von Metallen: 12

2.3. Korrosion VOll Metallen: 132.3.1 Einleitung: 132.3 .2 Korrosion : 132.3.2 .1 chem Korrosision: 132.3.2.2 ElektrochemKorrosion: 13

8.Versuch:Galvanisches Element: 132.3.3 Korrosionsschutz. 14

2.4. Metalle ihren Rohstoffen und ihre Bedeutung, 142.4.1 Wirtschaftliche Bedeutung von Metalle 142.4.2 Vorkommen der meisten Metalle 152.4.3 Metallgewinnung aus den Erzen: 15

9.Versuch: Aluminothermische Reduktion von Eisen 16IO.Versuch: Zinnbaum: 16

Seite: 2


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Metallvortrag Tbomas MdsteItmecbt

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deGnlyter-"--11...

Das Wort "Metall" kommtaus dem Griechischen von metalIon(Bergwerk). Sie zeigen Unterschiede im Verhalten, die jedoch nicht soextrem unterschiedlich sind, wie sie bei Nicht-Metallen sind.Der metallischeCharater der Elementewachst von oben nachunten undvon rechts nach links.Die Eigenschaften bleiben im flüssigen Zustanderhalten und gehen erst im Dampfzustand verloren.

!:"'physikalische Eigenschaften von Metallen:

1.1.Theorie der Metallischen Bindung1.1.t Thermische Leitfähigkeit

Zwei typische Eigenschaft von Metallen sind die elektrische undthermische Leitfähigkeit.

Seite: 3


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Versuchsaufbau:

Beschreibung:Die Metall und Glasstange werden nahezu gleichzeitig gleichstark am Endeerhitzt.Beobachtung:Es ist zu sehen, daß die Kerzen auf dem Metall-8tab herunterfallen, da derWachs geschmolzen ist, bei Glasstab nicht.

Die Valenzelektronen (die Elektronen der äußeren Schalen) sindbeweglich und nicht an ein bestimmtes Atom gebunden.:Es kommt zur Ausbildung eines Elektronengas.

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Abbildungl.I: _- - ~ ~ ~V V V ..........Elektronen-

gas

666Beispiel: Alluminium

3Die kugelförmigen Al + Rümpfe beanspruchen nur 18% desGesamtvolums das Elektronengas den Rest des Volumens.

Die Elektronendichte bei den verschiedenen Bindungsarten :Abbildung 1.2:

Ionenbindung Kovalente Bindung Metallische Bindung ../

Na· CI- CNatriumchloriq _ Diamant

C MgMagnesium

\\\

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Seite: 4Chemie in der Schule: www.chids.de

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Metallvortrag TbomasMeistcrtnecht.

1.1.2 Leitung des elektrischen Stroms (Unterscheidung Metall,Halbmetall, Nichtmetall):

Das Energiebandermodell beruht auf folgender Erscheinungen:Im isolierten Metallatom sind die Elektronen am Rumpf festlokalisiert, im Metallverband kommt es zu einer Delokalisierungbestimmter Elektronen.Zur Erklärung der Delokalisierung braucht man das MO-Verfahren.Dabei sind MOs Wellenfunktionen mit dennen man mathematischoperieren kann.Durch immer weitere Addition der MOs kommt es zu einer großenAnzahl von Linearkombinationen:Wechselwirkung von LinearkombinationenLithiumatomen 2s-Elektronen2 23 34 4.. . ...1g Lithium enthalt 1023 Atome.

Abbildung 1.3 zeigt die "Verschmierung der Energieorbitale zumLeitungsband" .'

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2p

2s

15

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2 3 4 5 6 _OC

Die Energieorbitale unterliegen dem Pauli-Prinzip (jedes Orbitaldarf nur von zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spin besetztwerden.)Bei Schwefel gibt es keine delokalisierten Elektronen, da kovalenteBindungen vorliegen.Aus vollständig leeren oder vollen Bändern resultiert keinElektronenfluß. aus nichtvollständigbesetzten oder überlappendenBändern das Leitungsband.

Seite: 5


Metallvortrag 1bomas Meisterknecbt

Abbildung 1.4 SchematischeEnergiebänderdiagramme

Leitungsband

Leitungsband

Valenzband

Metall

2.Versuch zur LeitfähigkeitSchaltbild: c=Q)==~_'"""'I

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Verbotene Zone

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Isolator

0.) &~eA~~ck.~) ~(.A;~~eL k~sta.Ql

Beschreibung:Mit dem Schaltkreis wird demonstriert, daß bei Berührung der Nadel amMetallquader der Stromkreis geschlossen wird, bei Berührung mit demSchwefel Kristall jedoch nicht.

1.1.3 Metallischer Glanz:Das im Metall vorhandene Energieband sorgt für die Auf- undAbgabe von Energie ( auch im sichtbaren Bereich des Lichts),

3.Versuch Kupferverspiegelung:Materialien:-Reagenzglas, ReagenzglaskJammer, Bunsenbrenner, Schutzbrille-250 ml Becherglas, gefüllt mit Kühlwasser,-Carbonsäure,V(Säure) =5 ml (Ameisensäure, w=98%; Essigsäure, w=99% ;Propionsäure, w = 99%),-Wasserstoffperoxid, wO 30%; V(H202) = 2 ml.- Kupferdraht m(Cu) =20-30 mg.

Versuchsbeschreibung: (Abzug!)Der abgewogene blank polierte Kupferblechstreifen wird mit der Schere in ca.0,5 cm große Stücke geschnitten. Diese Kupferstückchen werden in einReagenzglas eingebracht, welches bereits die Säure enthält. Man versetzt mit1 ml Wasserstoffperoxid-Lösung und erhitzt zum Sieden. Hierbei schäumt dasReaktionsgemisch zu Beginn der Reaktion sehr stark und es kann zumÜberschäumen kommen. Um ein Überschäumen zu vermeiden, wird dasReaktionsgemisch von Außen im bereitstehenden Kühlwasser (Becherglas)gekühlt. Diese Prozedur muß u. U. mehrmals wiederholt werden, bis dasganze Kupfer gelöst (zersetzt) ist und die charakteristisch gefärbte Lösungvorliegt. (Nachdem etwa bis zur Hälfte eingeengt ist, kann zur

Seite: 6


20H-(aq)

Metallvortrag Thomas Meisterknecht

Vervollständigung der Reaktion mit einem weiteren ml WasserstoffperoxidLOsung versetzt werden - dies ist im Falle von Ameisensaure notwendig.)Schließlich wird die Kupfersatz-lOSUng vorsichtig bis zur Trockeneeingedampft und weiter bis zum Erscheinen des Kupferspiegels erhitzt. - Esempfiehlt sich, nicht über längere Zeit an der Luft weiter zu erhitzten, da sonstOxidbildung (Luftsauerstoff) erfolgen kann.

Reaktionen:1. RedoxvorganglOxidation des metallischen Kupfers:

2+(1) Cu(s) + H202(aq) ~ Cu (aq) +

2. Säure-Base-ReaktionNerlagerung des Gleichgewichtes:

(2) 20H-(aq)+ 2 H+(aq) + 2)(aq)

~ 2 H20(1) + 2X-(aq)3. Eindampfen der Lösung und Auskristaliesieren der kupferverbindung:

2+(3) Cu (aq) + 2X(aq) ~ CuX2(s)

4. Thermische Zersetzung von CuX2(S):

(4) CuX2(s) ~ Cu(s) + aq

5. Thermische Zersetzung des Liganten:

(5) X2~ ZerstetzungsprodukteVersuchsdauer: 5-8 min

+ aq

1.1.4 Schmelz und Siedepunkte von MetaUen allg.Alle Metalle (außer Hg) sind fest bei Raumbed.. Die Schmelzpunkteliegen im Bereich von -38°C (Hg) - 3380°C (W).Abbildung 1.5 Schmelzpunkte der Metalle

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Schmelzpunkte der Metalle. ./Seite: 7


Metallvortrag ThomasMeisterkDcc.bt "

2. Kristalliner Aufbau von Metallen allg.1.2.1 Mikrostruktur

Die Mikrostruktur besteht aus Metallekristalliten oder Konen.{4.Versuch Zinngeschrei}Material: linstab, 2 HalteklammemDurchführung: Man spannt den linnstab in beide Klammem ein und übt aufihn leichte Spannung aus. Man hört ein knarrendes Geräusch, das auf dasVerschieben der Mikrostuktur des Zinn zurückzuführen ist.

..~ _. - -- --_. - . _. -_.._~ _ ._.....-- -Abb 1.6 Mikrostruktur

1.2.2 Herleitung der einfachsten drei KugelpackungenMetalleatome im Kristallgitter eines reinMetalls haben identischeLadungen und Atomradien. Es treten Wechselwirkung zwischenElektronengas und Atomrümpfen auf Die maximaleRaumausfilllung beträgt 740/0.

Abb 1.7 Die drei wichtigsten Gittertypen in Periodensystem

OODO

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kdp hdp krz , hdp/kdp

Seite: 8


Metallvortrag ThomasMeisterknecht

a) Die Elementarzellen in einerkubischdichtsten Kugelpackung., > - -- .. . ' . .. . ...._- -...

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a) Flächenzentrierte kubi;;he Elementarzelle.; b) Die Schichten dichteste~ck~ngJiegcn senkrecht zu den Raumdiagonaleu der EJemc:ntar7~J11" \

b) Die ElementarzeÜen'ineiner.hexagonaldichtsten KugelpackUng: - -- t

c) Die Elementarzellen in einerKubisch-raumzentriertenKugelpackung:

. \ I -- . fDie ' gezeichneten Atome gehören zu Nachbarzellen]

Jedes Atom hat 8 nächste N~baP'l und 6 übcr- lnächste N~~barn. die nur t 5% weiter entfe!:!,~ sind. '.

Z f1usammen assung:Kp. Koordinationszahl: .:Raumerfüllung. .kdp 12 74%hdp 12 74%krz 8 (14)* 680/0..

*mit Ubemächsten nur 15% weiterentfernt

Seite: 9



1.2.3 Veranschaulichung des Einflusses der Struktur auf dieEigenschaften:

Viele Metalle sind polymorph, z.B. Zinn (Zinnpest in Kirchen).

5.Versuch Zinn:Material: Zinnstäbe, Verbrennungslöffel, Bunsenbrenner, Hammer,Durchführung: Es wird gezeigt Das ein Zinnstab bei Zimmertemperatur gutbiegsam ist. Erhitzt man ihn in der Bunsenbrennerflamme vorsichtig (nichtschmelzen) und biegt ihn. so bricht er. Als Erklärung dient die Polymorphiedes Zinns.

a- Zinn 0( 18°C)ß- Zinn 0( J610c ) z- Zinn

grauesPulver

tetragonal,silberweiß,

rhombischessehr spröde

.,'

1.2.4 Erklärung der gute plastischen Verformbarkeit:Sie kann nicht nur aus Kristallgitter resultieren, wie das folgendeExperiment zeigen wird.

6.Versuch NaCI und KupferMaterialien: Kupferdraht, NaCI-Kristall. HammerDurchführung: Auf den Draht und das Kristall wird mit dem Hammer vorsichtiggeschlagen. Der Kristall zerspringt, der Draht verformt sich nur.

Natriumchlorid und Kupfer haben ähnliche Kristallstrukturen. DenKupferdraht kann man mit einem Hammer leicht platt klopfen,schlägt man auf ein Salzkristall zerspringt es in viele Teile .Die gute Verschiebarkeit im Metall resultiert aus Metallbindung.

Abb 2.7 Verschiebung der Gitterebene ina)Metallen

Seite: 10



b) Ionengittern:

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II..Chemische Eigenschaften von Metallen:

2.1. allgemeine Eigenschaften, Periodische Eigenschaften,2.1.1 Der: Ionisierungsenergie:

Ist die mindest. Energie um ein Elektron aus einem Atom zuentfernen

Atom + Ionmsierungsenergte-o einfachpositive....Eei.Jon+ Elektron

X+I ~X++e-

Abb 2.1 Ionisierungsenergie der Hauptgruppenelemente:

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Sie spiegelt die Stabilität von halbbesetzten Unterschalen wieder.

Seite: 11


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MetallvortragThomas Meisterknecbt

2.1.2 Der ElektronenegativitAt:Bez. für die Fähigkeit der an ehern. Bindungen beteiligten Atomevon benachbarten Atomen innerhalb eines Mollekals gemeinsameElektronen unterschiedlich anzuziehen.

Abb 2.2 Elektronennegativität einiger Elemente:

Periode1

Z

3

4

5 :.-.. :1. .I

6 ~ es

o 2 3Elelc.!~~negativität.. .. _

4

• Metalle

o Halbmetal1e

• Nichtmetalle

Daraus folgt, daß die meisten Metall-Nichtmetallverbindungen einenionischen Charakter haben (Differenz der EN-Werte >2,5)

2.2 Affinität von Metallen zu Sauerstoff:

Viele Metalle habe eine hohe Affinität zu Sauerstoff7.Versuch: Verbrennung von Metallen:

Materialien: Eisenoxalat, Reagenzgläser, Uhrglas, ReagenzgJashalter,Bunsenbbrenner.

Durchführung: Das Eisenoxalat wird im Reagenzglas vorsichtig in derBunsenbrennerflamme erhitzt, bis es vollkommen schwarz ist. Schüttelt man danndas pyrophore Eisen über dem Uhrglas aus, reagiert es sich an der Luft mit demLuftsauerstoff. Dauer: 2-3 min.

Versuchsgleichungen:FeAc + ~H ~

4Fe + 302 ~

Fe(pyrophore)2 Fe20 3

+


Metallvortrag Thomas Meisterknccht

2.3. Korrosion von Metallen:2.3.1 Einleitung:

Es entsteht ein hoher wirtschaftlicher Schaden durchKorrosion. 1967/68 lag der jährliche Verlust an Stahl durchUmwandlung in Rost bei ca. 350 000 t, das ergab einenvolkswirtschaftlichen Verlust durch Rostschäden von ca. 200Mill.DM.

2.3.2 Korrosion:Def: Unter Korrosion versteht man die Zerstörung von Werkstoffen

durch ehern. oder elektro Reaktion in ihrer Umgebung,

2.3.2.1 ehern. Korrosision:Def :chem. Korrosion ist die Reaktion von Metallen mit Gasen

Me + Az ~ Me+ + Az-

2.3.2.2 Elektrochem.Korrosion:Oxidation und Reduktion sind örtlich von einander getrenntzum Beispiel:Anode: Fe -40 Fe2

+ + 2e-

Kathode:!.... O2 + H20 + 2e- -40 20n2

8.Versuch:Galvanisches Element:

Geräte: Pneumatische Wanne, Kochsalz, Leitungswasser,Kaliumhexacyanoferrat(III) , Phenolphtalein, Eisenblech, KupferbIech, Draht,Holzstäbchen.

Durchführung: Eine Pneumatische Wanne wird mit 50 ml Leitungswassergefüllt, dem 10g NaCI, 1g !<J[Fe(CN)61 und 1 ml alkoholischePhenolphtaleinlsg zugesetzt worden sind.Jeweils gleich große Bleche aus Eisen und Kupfer werden an einenHolzstäbchen so befestigt, daß sie senkrecht in die Lösung tauchen. BeideMetalle werden leitend miteinander verbunden . Das Experiment läßt sich auchsehr gut auf dem Overheadprojektor demonstrieren.Es tritt eine leichte Blaufärbung ("Tumbullsblau") an dem Eisenblech und eineleichte Rotfärbung arn Kupferblech (Hydroxidionen + Phenolphtalein) auf.Reaktionsgleichung:4Fe 2

+ + 4[Fe3+(CN)6t -40

[Fe3+(CN)6t + (Fe3+)[Fe3+(CN)6h1/202 + H20 + 2e" ~ 20H


MetaJJvortragThomasMeisterknecht

2.3.3 Korrosionsscbutz:Optimaler Schutzdurch eine Schutzscbicht bedarf:

1)ehern. Widerstandsfähigkeit der Schutzschicht.2) notwendige Harte der Schutzschicht,3) Verforbarkeit der Schutzschicht,

-andere Schutzmaßmahmen sind:-Veränderung der Umgebung des Metalls,-Beeiflussung der Metalleigenschaften,-Schutzwirkung durch überzug.

2.4. Metalle ihren Rohstoffen und ihre Bedeutung,

2.4.1 Wirtschaftliche Bedeutung von Metalle-Metallproduktion als Wirtschaftsfaktor,Abb 2.3 Entwicklung der Weltproduktion ausgewählter Metalle:

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13

Entwi4:klunl derWehproduklion .usse....lhftcrMetalle ab 192' (7.2. 7.31

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]94$ 7955 1'65 ~75 lJ85Jahreszahl

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2.4.2 Vorkommen der meisten MetaUe

Die primären Rohstoffe sind Erze.

Def Erze sind Mineralgesteine, die die ökonomische Herstellungvon Metallen gestatten.

Man trennt die Erze in oxidisch und sulfidische Erze.

Abb.2.4 Bindungsgruppen der Metalle in den Mineralien:

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2.4.3 Metallgewinnung aus den Erzen:

Abb.2.5 Schema zur Metallgewinnung:C ',-

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Mefallvorttag Tbomas Meistcrtnccht

a) ehern Reduktion:

9.Versueh: Aluminothermische Reduktion von Eisen '.' , '

Materialien: Blumentopf, Fe203, AJuminiumgrieß, Bariumoxid,Magnesium,Zündschnur, Sandbad, Magnet.Versuchsbeschreibung: Der Blumentopf (Boden mit Loch) wird mit folgendemGemisch gefüllt: 240g Fe203 (trocken,pulverisiert) und 100 9 AJuminiumgrieß.Vor dem Füllen wird das Loch im Tiegel mit Papier abgedeckt. Dann drücktman ein Loch in die Mischung und füllt es mit einer Zündmischung aus 5 98a02 und 7g Magnesiumpulver. In die "Zündkirsche" kommt die Zündschnur.Man zündet in dem Sandbad unter einem Abzug.Es tritt eine heftige Reaktion ein . In dem abgekühlten Reaktionsprodukt läßtsich mit einem Magneten nach Zerkleinerung metall. Eisen nachweisen.Reaktionsgleichung:

AI + Fe203~ Ab03 + Fe

b) elektrische Reduktion:

lO.Versuch: Zinnbaum:

Materialien: Stativ, tubulierter Zylinder, Kupferelektrode, Zinnelektrode,2 Klemmen, Kupferdraht mit Stecker, Gleichstromquelle, Stellwiderstand,Dreifuß, Glasrohr, 2 durchbohrte Stopfen, Becherglas, Abdampfschale,Stopfen mit eingebrantem Loch, Zinnfolie, SalzsäureVersuchsbeobachtung:a) Ein tubulierter Zylinder wird an einem Stativ befestigt. Als Anode wählt manein Zinnblech, an dessen unterer Fläche ein dicker Kupferdraht angelötetwird. Man isoliert den Kupferdraht gegen den Elektrolyten, indem man einenkleinen Stopfen, durch den vorher mit einem Draht ein Loch gebrannt wurde,über den Kupferdraht bis dicht auf die Lötstelle schiebt und den Stopfenzuletzt in eine Glasröhre einpaßt. Diese führt man durch die Bohrung desStopfens, der den Zylinder unten verschließt. In den oberen Teil des Zylindershängt man eine Kupferkatode, die aus einem Kupferblech besteht, an das einKupferdraht angelötet ist. Beide Elektroden sollen voneinander einen Abstandvon etwa 20 cm haben.b) Als Elektrolyt dient eine konzentrierte Zinn(II)-chloridlösung, die man durchAuflösen reiner Zinnfolie in Salzsäure erhält. Die Lösung füllt man in denvorbereiteten Zylinder. Nun schaltet man die Kupferelektrode als Katode unddie Zinnelektrode als Anode und verbindet beide unter Zwischenschalten miteiner Gleichstromquelle von 3,5 - 4 V. Man schaltetden Strom ein undreguliert ihn derart, daß an der Katode kein Wasserstoff entwickelt wird.Ergebnis: An der Katode scheidet sich Zinn in glänzenden, bandförmigenStreifen ab, die sich seitlich verzweigen (Zinnbaum).

Seite: 16


Elektrolyse von Zinn(lI)chlorid:

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