30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spaß am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Legierungen (Expertenwissen) 07:10 min

Textversion des Videos

Transkript Legierungen (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen. Der größte Teil des Periodensystems der Elemente besteht aus Metallen, die wir auf vielen Gebieten nutzen. Trotzdem ist der Mensch mit den Ergebnissen unzufrieden. Warum eigentlich? Man hätte gerne bessere Eigenschaften. Manchmal wünscht man sich eine größere Härte. In anderen Fällen hätte man gerne, dass die Metalle korrosionsbeständig sind. Daher stellt man Gemische aus Metallen her, sogenannte Legierungen. Dieses Video ist für den Leistungskurs gedacht. Die Eigenschaften der Legierungen sollen die Menschen zufriedenstellen. Was sind Legierungen? Legierungen sind homogene, meist feste Gemische, bestehend aus einem Metall und mindestens aus einem weiteren Metall, Halbmetall oder Nichtmetall. Für eine Legierung kann man praktisch jedes Metall verwenden. Zum Beispiel Kupfer, Blei oder Aluminium. Unter welchen Bedingungen bilden sich Legierungen? Vier Voraussetzungen sollten erfüllt sein. 1. Die Kristallgitter sollten gleich sein. 2. Die Gitterkonstanten sollten sich um nicht mehr als 15 % unterscheiden. 3. Es sollte eine Ähnlichkeit in den Eigenschaften vorhanden sein. 4. Die Elektronegativitäten sollten übereinstimmen. Ich habe exemplarisch 7 Metalle ausgewählt, die ich in bestimmten Eigenschaften hinsichtlich der Legierbarkeit miteinander vergleichen möchte. Es sind Blei, Kupfer, Nickel, Eisen, Chrom, Silber, Gold. In der ersten Spalte trage ich die Art des Kristallgitters ein. In der zweiten Spalte werde ich die Gitterkonstanten eintragen. In der dritten Spalte stehen die Dichten in g/cm³. In der 5. Spalte habe ich die Härten erfasst, nach Moos. Sie sollen drittens, die Ähnlichkeit verdeutlichen. In der vierten Spalte trage ich die Elektronegativitäten ein. Unter Gitter steht entweder kfz, kubischflächenzentriertes Gitter, oder krz, kubischraumkonzentriertes Gitter. Bis auf Eisen und Chrom weisen alle betrachteten Metalle kubischflächenzentrierte Gitter auf. Die Gitterkonstanten liegen in einem Bereich von etwa 3 - 4. Nur für Blei, in der ersten Zeile, fällt der Wert mit 4 95 heraus. Bei den betrachteten Metallen handelt es sich ausschließlich um Schwermetalle. Die Dichten überstreichen einem Bereich von knapp unter 10 bis knapp über 10. Nur Gold in der letzten Zeile mit 19, 3 fällt heraus. Eine gute Übereinstimmung gibt es bei den Elektronegativitäten. Sie liegen etwas unter 2. Nur bei Blei in der ersten Zeile und Gold in der letzten Zeile sind sie etwas höher. Die Härten sind relativ gering. Nur Chrom zeigt einen hohen Wert von 8, 5. Wir wollen nun Metallpaare auswählen, und uns überlegen, ob sie unbegrenzt legierbar sein könnten. Zunächst nehmen wir Kupfer und Nickel. In beiden Fällen haben wir kubischflächenzentrierte Gitter. Bei den Dichten gibt es eine exzellente Übereinstimmung. Genauso bei den Elektronegativitäten. Bei den Gitterkonstanten GK und bei den  Härten ist die Übereinstimmung nur ungefähr. Im Ergebnis lässt sich feststellen, das Kupfer und Nickel unbegrenzt miteinander legierbar sein sollten. Tatsächlich kann man Kupfer und Nickel in jedem Mischungsverhältnis miteinander legieren. Betrachten wir nun die Möglichkeit einer Legierung aus Gold und Silber. Gold in der letzten Zeile und Silber in der vorletzten Zeile haben gleiche Kristallgitter. Die Übereinstimmung bei den Gitterkonstanten ist perfekt. Auch die Härten stimmen exakt überein. Bei den Elektronegativitäten finden wir nur eine ungefähre Übereinstimmung. Die Dichten hingegen unterscheiden sich fast um den Faktor 2. Mit Ausnahme der Dichten gibt es exzellente Übereinstimmungen zwischen den einzelnen Parametern. Daraus können wir schlussfolgern, dass es eine Legierung aus Gold und Silber gibt. Betrachten wir nun das Metallpaar Gold/Kupfer. Beide Metalle verfügen über ein kubischflächenzentriertes Gitter. Bei der Härte finden wir eine gute Übereinstimmung. Die Elektronegativitäten sind ungefähr gleich. Stark unterscheiden sich hingegen die Dichten, um einen Faktor von mehr als 2. Die Gitterkonstanten GK zeigen nicht die geforderte Übereinstimmung. Es sprechen mehr Merkmale dafür als dagegen. Die Legierung sollte existent sein. Betrachten wir nun die Legierung aus Eisen und Nickel. Das Kristallgitter ist in beiden Fällen verschieden. Die Elektronegativitäten hingegen in der vorletzten Spalte und die Härten in der letzten Spalte stimmen überein. Auch bei den Dichten liegt noch eine Übereinstimmung vor. Die Gitterkonstanten hingegen differieren zu stark. Ich schreibe hinter die Legierung ein Häkchen in Klammern. Denn den eindeutigen Beweis konnten wir nicht antreten. Sie ist aber in Wirklichkeit existent. Betrachten wir nun die Legierung aus Eisen und Chrom. Beide Metalle haben ein kubischraumzentriertes Gitter. Auch bei den Gitterkonstanten und auch bei den Dichten gibt es große Übereinstimmungen. Genauso verhält es sich bei den Elektronegativitäten. Allein die Härten zeigen eine große Differenz. Man kann hier sagen, dass diese Legierung offensichtlich existent ist. Und so verhält es sich auch. Zum Abschluss betrachten wir die Legierung aus Blei und Eisen. Die Kristallgitter unterscheiden sich hier. Groß ist auch der Unterschied in den Gitterkonstanten. Der Unterschied in den Dichten ist ebenfalls groß. Allein die Elektronegativitäten zeigen eine ungefähre Übereinstimmung. Die Härten hingegen sind wieder verschieden. Somit müssen wir zum Schluss kommen, dass die Legierung aus Eisen und Blei nicht existiert und es verhält sich in Wirklichkeit auch so. Nach diesem Theoriemarathon sollten wir uns mit den wichtigsten Legierungen eine kleine Erbauung gönnen. Bronze stellt man seit der Bronzezeit her. Sie ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Zur Herstellung von Messing werden Kupfer und Zink legiert. Gusseisen ist Eisen mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Stahl hat einen Kohlenstoffanteil von weniger als 2 %. Tombak ist praktisch gesehen, Messing mit einem hohen Kupferanteil. Das Sterlingsilber enthält über 90 % Silber. Der Rest ist Kupfer. Im Neusilber gibt es keinerlei Silber, nur Kupfer, Nickel und Zink. Die US-amerikanische 5 Centmünze, der Nickel, erhielt seinen Namen von Kupfernickel. Dort ist Kupfer in größerer Menge als Nickel enthalten. Fassen wir zusammen. 1. Legierungen verbessern die Eigenschaften von Metallen. 2. Nicht alle Metalle sind miteinander legierbar. 3. Die Legierbarkeit ist nur begrenzt vorhersehbar. Ich hoffe, ihr hattet etwas Spaß, auf Wiedersehen.  

2 Kommentare
  1. 001

    Ich bin (freier) Produzent. Bitte direkt an sofatutor wenden.

    Von André Otto, vor fast 6 Jahren
  2. Default

    Das Video stoppt in der Mitte. Bei einer Kostenpflichtigen Seite, ist dies leider nicht hinnehmbar. Bitte erneuern sie diesen Aufall.

    Von Hasse Christian, vor fast 6 Jahren

Legierungen (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Legierungen (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Eigenschaften von Metallen, die sich gleichen sollten, um Legierungen zu ermöglichen.

    Tipps

    Die Struktur der Stoffe sollte sich nicht stark unterscheiden.

    Besonders wichtig ist die Fähigkeit von Atomen, in einer chemischen Bindung Elektronenpaare an sich zu ziehen.

    Lösung

    Für Legierungen ist es wichtig, dass Härte, Elektronegativität, das Kristallgitter und die Gitterkonstante sich ähneln, da es sonst zu keiner homogenen Mischung kommen kann.
    Bei Legierungen handelt es sich um Gemische aus mindestens zwei Komponenten, wobei mindestens eins ein Metall ist. Das Metall, was die Hauptmasse bildet, bezeichnet man als Grundmetall und alles andere sind Zusätze. Durch das Legieren werden vor allem die Eigenschaften des Grundmetalls verändert und den Ansprüchen angepasst.

  • Gib wichtige Aussagen über Legierungen wieder.

    Tipps

    Eisen ist als reines Metall recht weich. Stahl dagegen ist sehr hart und robust.

    Sind die Eigenschaften zweier Metalle zu unterschiedlich, kann keine Legierung entstehen.

    Man kann bereits von den Eigenschaften der Metalle absehen, ob eine Legierung entstehen könnte.

    Lösung

    Legierungen werden hergestellt, damit die Eigenschaften der reinen Metalle verbessert werden. Man schafft dadurch Stoffe, die korrosionsbeständiger, stabiler oder vielleicht leichter verarbeitbar sind.

    Weiterhin kann man bereits an den Eigenschaften der reinen Ausgangsmetalle absehen, ob beide Metalle eine Legierung bilden würden. Dies kann man aber nicht immer mit 100%-iger Wahrscheinlichkeit sagen, da es auch Ausnahmen gibt. Grundsätzlich sollten sich aber die meisten fundamentalen Eigenschaften ähnlich sein.

  • Ermittle, aus welchen Metallen die Legierungen bestehen.

    Tipps

    In Bronze befindet sich $Sn$, in Messing befindet sich jedoch $Zn$.

    Ein hoher Kohlenstoffanteil in Eisen macht die Legierung hart und spröde.

    Lösung

    Legierungen sind homogene Gemische.
    Gusseisen gehört z.B. dazu. Es besteht aus 96-98% Eisen und nur knapp 2-4% Kohlenstoff. Es ist sehr spröde, gieß- aber nicht schmiedbar. Stahl hingegen ist relativ elastisch und schmiedbar.

    Bronze, eine Legierung aus Kupfer und Zinn, ist korrosionsbeständig, gut dehn- und bearbeitbar. Messing verhält sich ähnlich. Auch diese Legierung ist gut verformbar und korrosionsbeständig.

    Amalgame bestehen aus Quecksilber und einem weiteren Metall, wie z.B. Gold, Silber, Zink oder Blei. Sie sind folglich eine Untergruppe der Legierungen. Amalgame werden für Zahnfüllungen und Elektroden verwendet.

  • Beschreibe die Veredelung von Roheisen zu Stahl.

    Tipps

    Welcher Stoff wird benötigt um Kohlenstoff zu oxidieren? Es entsteht ein Oxid.

    Man kann danach z.B. noch Nickel oder Chrom hinzufügen.

    Lösung

    Bei der Stahlerzeugung wird Roheisen durch Oxidationsvorgänge von den enthaltenden Verunreinigungen befreit. Der enthaltende Kohlenstoff wird mit Sauerstoff oxidiert und andere Elemente reagieren mit Zuschlägen zu Schlacke. Durch Zugabe von Chrom zur Legierung wird der Stahl korrosionsbeständiger und rostet nicht.

  • Entscheide, welche Legierungen theoretisch möglich sind.

    Tipps

    Achte darauf, dass die Eigenschaften sich sehr ähnlich sein müssen.

    Am wichtigsten ist es, dass sich die Gitterstruktur nicht unterscheidet.

    Lösung

    Legierungen können dann zustande kommen, wenn sich die Eigenschaften der Metalle nicht allzu sehr unterscheiden. Besonders wichtig ist, dass die Gitterstruktur übereinstimmt.
    Wichtig sind auch die Gitterkonstante, die Dichte, die Elektronegativität und die Härte. Umso ähnlicher sich also die Metalle sind, umso besser sind sie legierbar.
    Kupfer und Nickel lassen sich besonders gut legieren, da sie dasselbe Gitter, die gleiche Dichte und dieselbe Elektronegativität aufweisen.
    Eisen und Blei hingegen, ergeben keine Legierung. Sie besitzen unterschiedliche Gitterstrukturen und unterscheiden sich auch in den anderen Eigenschaften sehr stark.

  • Bestimme die Anwendungsmöglichkeiten folgender Legierungen.

    Tipps

    Stahl-Legierungen können sehr hart und beständig sein.

    Aus Gusseisen werden maßgenaue Formstücke hergestellt.

    Messing wird gern für Alltagsgegenstände benutzt.

    Lösung

    Nicht jede Legierung kann überall angewendet werden, denn die unterschiedlichen Legierungen haben auch unterschiedliche Eigenschaften.
    Stahllegierungen sind meist sehr hart und beständig. Sie sind deshalb sehr gut für Werkzeuge geeignet, da diese meist viel aushalten müssen.

    Hast du dich schon mal gefragt, woraus Gullideckel bestehen? Sie werden meistens aus Gusseisen hergestellt, weil dieses gut gießbar ist. Gullideckel sind maßgenaue Formstücke. Diese zu schmieden wäre viel zu aufwendig, weshalb sie in eine Form gegossen werden.
    Bei Sportwettkämpfen bekommt der Drittplatzierte oft eine Bronzemedaille. Bronze ist gut dehn- und bearbeitbar. Auch Statuen wurden oft aus Bronze gefertigt.
    Messing findest du z.B. bei Türklinken. Es ist gut verformbar und besonders wichtig: es ist korrosionsbeständig, das heißt, dass auch Regenwasser einer Messingtürklinke nicht schaden kann.