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Nebengruppenmetalle im Alltag

Bei dem Wort Metall, denkst du sicherlich auch sofort an Eisen, Stahl, Kupfer oder die auch an Gold, Silber und Platin. Alle diese Metalle aus unserem Alltag sind Nebengruppenmetalle. Doch wie kommen sie in der Natur vor und wie werden aus diesen Rohstoffen unsere metallischen Alltagsgegenstände? Und was bedeutet überhaupt Nebengruppe?

Nebengruppe – Was bedeutet das?

Der Name „Nebengruppe“ kommt aus der Position im Periodensystem der Element. Neben den 8 Hauptgruppen gibt es dort auch noch 10 Nebengruppen (hier in hellblau). Die Elemente der Nebengruppen sind allesamt Metalle und werden auch als Übergangsmetalle bezeichnet, um diese soll es hier gehen. Aber auch in den 8 Hauptgruppen finden sich die Hauptgruppenmetalle.

PSE.jpg

Geschichte und Metalle

Die Verwendung von metallischen Werkstoffen ist für die menschliche Entwicklung von fundamentaler Bedeutung. Daher benannten die Archäologen die Epochen der Entwicklung auch anhand der von Menschen verwendeten Werkstoffe.

  • Steinzeit [bis 3700 v- Chr.]
  • Kupferzeit [3 700 - 1 950 v. Chr.]
  • Bronzezeit [1950 - 800 v. Chr.]
  • Eisenzeit [800 v. Chr. bis heute]

Eisen – Vorkommen und Gewinnung

Eisen findest du im PSE unter dem Symbol $Fe$, da es sich von dem lateinischen „ferrum“ ableitet. Eisen ist der wichtigste Werkstoff unserer Zeit, und wir benötigen ihn in großen Mengen. Eisen wird sowohl in Untertage wie auch im Tagebau gefördert. In der Natur kommt Eisen nicht gediegen, also nicht elementar vor. Man gewinnt Eisen in form von Erzen. Beispiele für solche Erze sind Hämatit $(Fe_2O_3)$, Pyrit $(FeS_2)$ und Magnetit $(Fe_3O_4)$.

Gewonnen wird elementares Eisen mithilfe des Hochofenprozesses. Hierbei kommt es zu einer schrittweisen Reduktion des Eisens durch die Oxidation von Kohlenstoff. Das Reduktionsmittel ist dabei aus Koks (hochreiner Kohlenstoff) gebildetes Kohlenstoffmonoxid.

Hochofen.jpg

Die Reaktion besteht aus drei Schritten, die sich ständig 24h am Tag in einem Hochofen wiederhohlen.

  • $C + O_2 \longrightarrow CO_2$
  • $CO_2 + C \rightleftharpoons 2 \ CO$
  • $Fe_2O_3 + 3 \ CO \longrightarrow 3 \ CO_2 + 2 \ Fe$

Hochofenprozesses

Eisen – Eigenschaften, Veredlung und Verwendung

Das nun im Hochofen erzeugte Roheisen besitzt noch einen Kohlenstoffgehalt von 1,7 bis 5%. Je nach Kohlenstoffanteil besitzt das Eisen unterschiedliche Eigenschaften.

  • Gusseisen besitzt mehr als 2% Kohlenstoff, es lässt sich gießen und ist sehr hart und starr, aber auch brüchig. Man verwendet es z. Bsp. für Gullideckel.
  • Stahl besitzt einen Kohlenstoffanteil von weniger als 2%. Dieser wird als Baustahl und auch noch bei sehr vielen anderen Anwendungen verwendet.
  • Um schmiedbar zu sein, muss Eisen einen Kohlenstoffanteil von 0,3% -1,6% besitzen. So höher der Anteil an Kohlenstoff ist, desto härtbarer ist das Schmiedestück.

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Durch Reaktion mit Sauerstoff bei der richtigen Temperatur wird der Restkoks verbrannt. Eisen und einfacher Stahl haben den Nachteil, dass sie leicht rosten und beide magnetisch sind. Durch die Zugabe anderer Metalle, lassen sich Stahllegierungen herstellen, diese kennst du vielleicht als Edelstähle. Diese können rostfrei oder auch nicht mehr oder besonders magnetisch sein.

Kupfer

Kupfer findest du im PSE unter dem Symbol $Cu$. Dies leitet sich aus seinem lateinischen Namen cuprum ab. Es ist ein rötlich glänzendes Metall und gehört zu den Edelmetallen. In der freien Natur kommt es auch gediegen also elementar vor. Viel häufiger kommen aber Kupfererze vor. Beispiele dafür sind Chalkopyrit $(CuFeS_2)$ und Chalkosin $(Cu_2S)$. Kupfer ist recht weich und gut formbar. Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit für elektrischen Strom wird es sehr häufig für Kabel eingesetzt. Wegen der schönen Farbe und dem Glanz kommt es auch in Münzen zum Einsatz. Da jedoch Kupfer auch für Wasserlebewesen sehr schädlich sein kann, sollte man davon absehen, Münzen zum Glückwünschen in Teiche zu werfen, da man damit definitiv schon einmal ein Unglück bewirkt.

Kabel.jpg

Die gute Formbarkeit sorgte aber auch dafür, dass gerade Waffen häufig noch während einer Schlacht wieder gerade gebogen werden mussten und sie auch schnell ihre schärfe verloren. Daher veredelte man das Kupfer mit Zinn zu einer der ersten Legierungen Bronze. Dieses war härter und ersetzte schnell Kupfer als wichtigstes Metall.

Gold

Gold versteckt sich hinter dem Symbol $Au$, welches vom Namen Aurum stammt. Es ist das emotional wichtigste Edelmetall für uns Menschen. Für Goldschätze wurden Kriege geführt und auch die Alchemisten beschäftigten sich lange damit aus anderen Metallen Gold herzustellen.

Als Edelmetall liegt Gold in der Natur oft gediegen vor. Es kann aus Flüssen gewaschen oder aus Goldadern abgebaut werden. Goldfunde in Regionen haben einige Male einen Goldrausch ausgelöst. Aufgrund seiner schönen Farbe und dem Glanz wird dieses Metall für die Schmuck- und Münzherstellung hoch geschätzt und ist dementsprechend teuer. Gold ist außerdem ein noch besserer Strom- und Wärmeleiter als Kupfer. Daher kommt es in sehr teuer elektronischen Geräten zum Einsatz.

Videos und Übungen in Nebengruppenmetalle

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