Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Dr.Buten uth

Lehramtsvortragsseminar SS 1993

Metalle:

Vorgelegt: von:

Thomas Meisterknecht Ernst Lemmerstr.14/123

35041 Marburg

Metallvortrag Thomas Meisterlmccht

o. AUGEMEINE EINFÜHRUNG: 3

I. PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN VON METALLEN: 3

1.1.Theorie der Metalfucben BinduDg 3

1.1.1 Thermische Leitfähigkeit 3

1. Versuch zur Thermischen Leitfähigkeit: 4

1.1.2 Leitung des elektrischen Stroms (Unterscheidung Metall , Halbmetall, Nichtmetall): 5

2 .Versuch zur Leitfähigkeit 6

1.1.3 Metallischer Glanz: 6

3.Versuch Kupferverspiegelung: 6

1.1.4 Schmelz und Siedepunkte von Metallen allg. 7

2. Kristalliner Aufbau von Metallen aJlg. 8

1.2.1 Mikrostruktur 8

1.2.2 Herleitung dereinfachsten drei Kugelpackungen 8

1.2.3 Veranschaulichung des Einflusses der Struktur auf die Eigenschaften: 10

5.Versuch Zinn: 10

1.2.4 Erklarung der

gute

plastischen Verformbarkeit: 10

6 .Versuch NaCl und Kupfer 10

II..CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON METALLEN: 11

2.1. aUgemeiat

~

hriodilcbe EigeDSChafteD. 11

2.1 .1 Def : Ionisierungsenergie: 11

2.1.2 Der ElcktroneDcgativitat: 12

2.2 Affiaitlt

1'011

Metdea zu Sauentufl': 12

7.Versoch: VedJrenmmg von Metallen: 12

2.3. Korrosion

VOll

Metallen: 13

2.3.1 Einleitung: 13

2.3 .2 Korrosion : 13

2.3.2 .1 chem Korrosision: 13

2.3.2.2 ElektrochemKorrosion: 13

8.Versuch:Galvanisches Element: 13

2.3.3 Korrosionsschutz. 14

2.4. Metalle ihren Rohstoffen und ihre Bedeutung, 14

2.4.1 Wirtschaftliche Bedeutung von Metalle 14

2.4.2 Vorkommen der meisten Metalle 15

2.4.3 Metallgewinnung aus den Erzen: 15

9.Versuch : Aluminothermische Reduktion von Eisen 16

IO.Versuch: Zinnbaum: 16

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Metallvortrag Tbomas MdsteItmecbt

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Abb1.0 Periodensystem

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deGnlyter

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Das Wort "Metall" kommt aus dem Griechischen von metalIon

(Bergwer k). Sie zeigen Unterschiede im Verhalten, die jedoch nicht so extrem unterschiedlich sind, wie sie bei Nicht-Metallen sind.

Der metallische Charater der Elemente wachst von oben nach unten und von rechts nach links.Die Eigenschaften bleiben im flüssigen Zustand erhalten und gehen erst im Dampfzustand verloren.

!:"'physikalische Eigenschaften von Metallen:

1.1.Theorie der Metallischen Bindung 1.1. t Thermische Leitfähigkeit

Zwei typische Eigenschaft von Metallen sind die elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Seite: 3

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Versuchsaufbau:

Beschreibung:

Die Metall und Glasstange werden nahezu gleichzeitig gleichstark am Ende erhitzt.

Beobachtung:

Es ist zu sehen, daß die Kerzen auf dem Metall-8tab herunterfallen, da der Wachs geschmolzen ist, bei Glasstab nicht.

Die Valenzelektronen (die Elektronen der äußeren Schalen) sind beweglich und nicht an ein bestimmtes Atom gebunden.:

Es kommt zur Ausbildung eines Elektronengas.

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

Beispiel: Alluminium 666

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

Die Elektronendichte bei den verschiedenen Bindungsarten : Abbildung 1.2:

Ionenbindung Kovalente Bindung Metallische Bindung ../

Na· CI- C

Natriumchloriq _ Diamant

C Mg

Magnesium

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\

\

\

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Metallvortrag Tbomas Meistcrtnecht.

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 fest lokalisiert, im Metallverband kommt es zu einer Delokalisierung bestimmter Elektronen.

Zur Erklärung der Delokalisierung braucht man das MO-Verfahren.

Dabei sind MOs Wellenfunktionen mit dennen man mathematisch operieren kann .

Durch immer weitere Addition der MOs kommt es zu einer großen Anzahl von Linearkombinationen:

Wechselwirkung von Linearkombinationen

Lithiumatomen 2s-Elektronen

2 2

3 3

4 4

.. . ...

1g Lithium enthalt 10 ²³ Atome.

Abbildung 1.3 zeigt die "Verschmierung der Energieorbitale zum Leitungsband" . '

E 2p

2s

15

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2 3 4 5 6

_ O C

Die Energieorbitale unterliegen dem Pauli-Prinzip (jedes Orbital darf nur von zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spin besetzt werden .)

Bei Schwefel gibt es keine delokalisierten Elektronen, da kovalente Bindungen vorliegen .

Aus vollständig leeren oder vollen Bändern resultiert kein

Elektronenfluß. aus nichtvollständigbesetzten oder überlappenden Bändern das Leitungsband.

Seite: 5

Metallvortrag 1bomas Meisterknecbt

Abbildung 1.4 SchematischeEnergiebänderdiagramme

Leitungsband Leitungsband

Valenzband

Metall

2.Versuch zur Leitfähigkeit

Schaltbild: c=Q)==~_'"""'I

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Verbotene Zone

. } Valenzband

"---~

Isolator

0.) &~eA~~ck.

~) ~(.A;~~eL k~sta.Ql

Beschreibung:

Mit dem Schaltkreis wird demonstriert, daß bei Berührung der Nadel am Metallquader der Stromkreis geschlossen wird, bei Berührung mit dem Schwefel Kristall jedoch nicht.

1.1.3 Metallischer Glanz:

Das im Metall vorhandene Energieband sorgt für die Auf- und Abgabe 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 ein

Reagenzglas eingebracht, welches bereits die Säure enthält. Man versetzt mit 1 ml Wasserstoffperoxid-Lösung und erhitzt zum Sieden. Hierbei schäumt das Reaktionsgemisch zu Beginn der Reaktion sehr stark und es kann zum

Überschäumen kommen. Um ein Überschäumen zu vermeiden, wird das

Reaktionsgemisch von Außen im bereitstehenden Kühlwasser (Becherglas)

gekühlt. Diese Prozedur muß u. U. mehrmals wiederholt werden, bis das

ganze Kupfer gelöst (zersetzt) ist und die charakteristisch gefärbte Lösung

vorliegt. (Nachdem etwa bis zur Hälfte eingeengt ist, kann zur

20H-(aq) Metallvortrag Thomas Meisterknecht

Vervollständigung der Reaktion mit einem weiteren ml Wasserstoffperoxid- LOsung versetzt werden - dies ist im Falle von Ameisensaure notwendig.) Schließlich wird die Kupfersatz-lOSUng vorsichtig bis zur Trockene

eingedampft und weiter bis zum Erscheinen des Kupferspiegels erhitzt. - Es empfiehlt sich, nicht über längere Zeit an der Luft weiter zu erhitzten, da sonst Oxidbildung (Luftsauerstoff) erfolgen kann.

Reaktionen:

1. RedoxvorganglOxidation des metallischen Kupfers:

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

(3) Cu 2+ (aq) + 2X(aq) ~ CuX2(s) 4. Thermische Zersetzung von CuX2(S):

(4) CuX2(s) ~ Cu(s) + aq 5. Thermische Zersetzung des Liganten:

(5) X2 ~ Zerstetzungsprodukte Versuchsdauer: 5-8 min

+ aq

1.1.4 Schmelz und Siedepunkte von MetaUen allg.

Alle Metalle (außer Hg) sind fest bei Raumbed.. Die Schmelzpunkte liegen im Bereich von -38°C (Hg) - 3380°C (W).

Abbildung 1.5 Schmelzpunkte der Metalle

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Seite: 7

Metallvortrag Thomas MeisterkDcc.bt "

2. Kristalliner Aufbau von Metallen allg.

1.2.1 Mikrostruktur

Die Mikrostruktur besteht aus Metallekristalliten oder Konen.

{4.Versuch Zinngeschrei}

Material: linstab , 2 Halteklammem

Durchführung: Man spannt den linnstab in beide Klammem ein und übt auf ihn leichte Spannung aus. Man hört ein knarrendes Geräusch, das auf das Verschieben der Mikrostuktur des Zinn zurückzuführen ist.

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- - - Abb 1.6 Mikrostruktur

1.2.2 Herleitung der einfachsten drei Kugelpackungen

Metalleatome im Kristallgitter eines reinMetalls haben identische Ladungen und Atomradien. Es treten Wechselwirkung zwischen Elektronengas und Atomrümpfen auf Die maximale

Raumausfilllung beträgt 740/0.

Abb 1.7 Die drei wichtigsten Gittertypen in Periodensystem

OODO

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kdp hdp krz , hdp/kdp

Metallvortrag Thomas Meisterknecht

a) Die Elementarzellen in einer kubischdichtsten Kugelpackung.

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b) Die ElementarzeÜen ' in einer.hexagonaldichtsten KugelpackUng: - -

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c) Die Elementarzellen in einer Kubisch-raumzentrierten

Kugelpackung:

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Jedes Atom hat 8 nächste

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*mit Ubemächsten nur 15% weiterentfernt ..

Seite: 9

Metallvortrag Thomas Meisterknecht

1.2.3 Veranschaulichung des Einflusses der Struktur auf die Eigenschaften:

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 gut biegsam ist. Erhitzt man ihn in der Bunsenbrennerflamme vorsichtig (nicht schmelzen) und biegt ihn. so bricht er. Als Erklärung dient die Polymorphie des Zinns.

a- Zinn

^{0( 18°C)}

ß- Zinn

^{0( J610c )}

z- ^Zinn

graues Pulver

tetragonal, silberweiß,

rhombisches sehr spröde

.,'

1.2.4 Erklärung der gute plastischen Verformbarkeit:

Sie kann nicht nur aus Kristallgitter resultieren, wie das folgende Experiment zeigen wird.

6.Versuch NaCI und Kupfer

Materialien: Kupferdraht, NaCI-Kristall. Hammer

Durchführung: Auf den Draht und das Kristall wird mit dem Hammer vorsichtig geschlagen. Der Kristall zerspringt, der Draht verformt sich nur.

Natriumchlorid und Kupfer haben ähnliche Kristallstrukturen. Den Kupferdraht 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 in

a)Metallen

Metallvortrag Thomas Meisterknecht

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 zu entfernen

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 Atome von benachbarten Atomen innerhalb eines Mollekals gemeinsame

Elektronen unterschiedlich anzuziehen.

Abb 2.2 Elektronennegativität einiger Elemente:

Periode 1

Z 3 4

5 :.-

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o ^{2 3}

Elelc.!~~negativität..

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4

• Metalle o Halbmetal1e

• Nichtmetalle

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

2.2 Affinität von Metallen zu Sauerstoff:

Viele Metalle habe eine hohe Affinität zu Sauerstoff 7.Versuch : Verbrennung von Metallen:

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

Durchführung: Das Eisenoxalat wird im Reagenzglas vorsichtig in der

Bunsenbrennerflamme erhitzt, bis es vollkommen schwarz ist. Schüttelt man dann das pyrophore Eisen über dem Uhrglas aus, reagiert es sich an der Luft mit dem Luftsauerstoff. Dauer: 2-3 min.

Versuchsgleichungen:

FeAc +

~H ~

4Fe + 30

2 ~

F e(pyrophore)

2 Fe

2

0 3

+

Metallvortrag Thomas Meisterknccht

2.3. Korrosion von Metallen:

2.3.1 Einleitung:

Es entsteht ein hoher wirtschaftlicher Schaden durch

Korrosion. 1967/68 lag der jährliche Verlust an Stahl durch Umwandlung in Rost bei ca. 350 000 t, das ergab einen

volkswirtschaftlichen Verlust durch Rostschäden von ca. 200 Mill.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 getrennt zum Beispiel:

Anode: Fe

^-40

Fe

²⁺

+ 2e- Kathode: !.... O

₂

+ H

₂₀

+ 2e-

-40

20n-

2

8.Versuch :Galvanisches Element:

Geräte: Pneumatische Wanne, Kochsalz, Leitungswasser,

Kaliumhexacyanoferrat(III) , Phenolphtalein , Eisenblech, KupferbI ech, Draht, Holzstäbchen.

Durchführung : Eine Pneumatische Wanne wird mit 50 ml Leitungswasser gefüllt, dem 10g NaCI, 1g !<J[Fe(CN)61 und 1 ml alkoholische

Phenolphtaleinlsg zugesetzt worden sind.

Jeweils gleich große Bleche aus Eisen und Kupfer werden an einen

Holzstäbchen so befestigt, daß sie senkrecht in die Lösung tauchen . Beide Metalle werden leitend miteinander verbunden . Das Experiment läßt sich auch sehr gut auf dem Overheadprojektor demonstrieren.

Es tritt eine leichte Blaufärbung ("Tumbullsblau") an dem Eisenblech und eine leichte Rotfärbung arn Kupferblech (Hydroxidionen + Phenolphtalein) auf.

Reaktionsgleichung:

4Fe

²⁺

+ 4[Fe3+(CN)6t

^-40

[Fe3+(CN)6t + (Fe3+)[Fe3+(CN)6h

1/20

2

+ H

20

+ 2e" ~ 20H

Seite: 13

MetaJJvortrag Thomas Meisterknecht

2.3.3 Korrosionsscbutz:

Optimaler Schutz durch 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 der Wehproduklion

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Joo

700 71

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Metallvortrag Thomas Meisterknecht

2.4.2 Vorkommen der meisten MetaUe

Die primären Rohstoffe sind Erze.

Def Erze sind Mineralgesteine, die die ökonomische Herstellung von 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:

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Mefallvorttag Tbomas Meistcrtnccht

a) ehern Reduktion:

9.Versueh: Aluminothermische Reduktion von Eisen

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Materialien: Blumentopf, Fe203, AJuminiumgrieß, Bariumoxid,Magnesium, Zündschnur, Sandbad, Magnet.

Versuchsbeschreibung: Der Blumentopf (Boden mit Loch) wird mit folgendem Gemisch gefüllt: 240g Fe203 (trocken,pulverisiert) und 100 9 AJuminiumgrieß . Vor dem Füllen wird das Loch im Tiegel mit Papier abgedeckt. Dann drückt man ein Loch in die Mischung und füllt es mit einer Zündmischung aus 5 9 8a02 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 läßt sich 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, Salzsäure

Versuchsbeobachtung:

a) Ein tubulierter Zylinder wird an einem Stativ befestigt. Als Anode wählt man ein Zinnblech, an dessen unterer Fläche ein dicker Kupferdraht angelötet wird. Man isol iert den Kupferdraht gegen den Elektrolyten, indem man einen kleinen Stopfen, durch den vorher mit einem Draht ein Loch gebrannt wurde, über den Kupferdraht bis dicht auf die Lötstelle schiebt und den Stopfen zuletzt in eine Glasröhre einpaßt. Diese führt man durch die Bohrung des Stopfens, der den Zylinder unten verschließt. In den oberen Teil des Zylinders hängt man eine Kupferkatode , die aus einem Kupferblech besteht, an das ein Kupferdraht angelötet ist. Beide Elektroden sollen voneinander einen Abstand von etwa 20 cm haben .

b) Als Elektrolyt dient eine konzentrierte Zinn(II)-chloridlösung, die man durch Auflösen reiner Zinnfolie in Salzsäure erhält. Die Lösung füllt man in den vorbereiteten Zylinder. Nun schaltet man die Kupferelektrode als Katode und die Zinnelektrode als Anode und verbindet beide unter Zwischenschalten mit einer Gleichstromquelle von 3,5 - 4 V. Man schaltetden Strom ein und

reguliert ihn derart, daß an der Katode kein Wasserstoff entwickelt wird.

Ergebnis: An der Katode scheidet sich Zinn in glänzenden, bandförmigen

Streifen ab, die sich seitlich verzweigen (Zinnbaum).

Elektrolyse von Zinn(lI)chlorid:

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