Legierungen (Vertiefungswissen)

Legierungen (Vertiefungswissen) Übung

• Definiere den Begriff Legierung.

  Tipps

  Legierungen können sowohl aus Metallen als auch aus einer Mischung von Metall und Halbmetall bestehen.

  Lösung

  Legierungen sind ein wichtiger Bestandteil heutiger Technologie und der Gesellschaft. Begonnen hat die Fähigkeit, Legierungen herzustellen und zu verwenden, in der sogenannten Bronzezeit vor etwa 4000 Jahren.

  Legierungen sind die meist festen, homogenen Mischungen von Metallen oder Metallen und/oder Halbmetallen. An dieser Form der Legierung können zwei oder mehrere Komponenten beteiligt sein. Beispiel ist Weißgold, welches aus Gold und Palladium, Nickel, Kupfer und Silber bestehen kann.

  Auch können Legierungen flüssig sein wie etwa manche auf Quecksilber basierende Amalgamlegierungen.

• Bestimme die Legierungen der Alltagsgegenstände.

  Tipps

  Gusseisen leitet die Wärme besser als Stahl.

  Silber ist ein sehr begehrtes Material für Münzen, da es eine hervorragende Kapitalanlage ist.

  Messing wird gern im Sanitär-Bereich eingesetzt.

  Lösung

  Legierungen sind für die heutige Zeit wichtiger als jemals zuvor. Eine Legierung ist eine homogene Mischung aus zwei oder mehr (Halb)Metallen. Legierungen werden gezielt genutzt, um bestimmte Eigenschaften der ursprünglichen Komponenten zu verbessern:

  Messing ist eine häufig im Haushalt vorkommende Legierung. Bestandteile sind Kupfer und Zink. Viele Instrumente, Armaturen und Schrauben werden aus Messing gefertigt. Dies verschafft ein edles Aussehen. Messing ist härter als Bronze.

  Ebenfalls wichtig sind die Legierungen von Eisen, die durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt werden. Eisen, das weniger als 2% Kohlenstoff enthält, wird als Stahl bezeichnet. Es ist sehr stabil und zugleich elastisch. Bei mehr als 2% Kohlenstoffanteil wird Eisen als Gusseisen bezeichnet. Es ist spröder als Stahl, leitet jedoch den elektrischen Strom und Wärme besser und eignet sich daher für Kochtöpfe.

  Neusilber ist eine Legierung mit Anteilen von Kupfer, Nickel und Zink. Es wird je nach Zusammensetzung für Bestecke, Brillen, Kämme oder Münzen verwendet.

• Beschreibe die chemischen Eigenschaften von Legierungen.

  Tipps

  Eine Möglichkeit, eine Legierung herzustellen, ist die Einschmelzung der verschiedenen Metalle.

  Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung.

  Gusseisen wird oftmals für Töpfe und Pfannen verwendet, da es eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzt.

  Lösung

  Legierungen können zwischen homogen und heterogen unterschieden werden. Homogene Legierungen besitzen überall die gleiche Zusammensetzung, d.h., das Kristallgitter ist im ganzen Festkörper gleich aufgebaut.

  Soll nun eine Legierung hergestellt werden, so muss das Metall eingeschmolzen werden oder die Fremdatome müssen per Diffusion in das Gitter eingefügt werden. Dies nennt man Diffusionslegierung. Allerdings muss, um eine homogene Mischung zu ermöglichen, die Elektronegativität, die Größe der Atome und der Gittertyp sehr ähnlich sein. In diesem Fall spricht man von unbegrenzter Mischbarkeit. Als Beispiel kann man Messing heranziehen:
  Zinkatome besitzen einen Durchmesser von 266 pm, die Kupferatome 255 pm, sodass die Zinkatome problemlos ins Kupfergitter passen.

  Legierungen werden also genutzt, um bestimmte Eigenschaften eines Metalls zu verändern. Aluminium ist weder besonders fest noch hart. Wird Aluminium mit Kupfer und Magnesium legiert, so entsteht Duraluminium. Dieses ist bedeutend fester und ermöglicht es, die Eigenschaften des Aluminiums (günstig, guter Leiter) auch in anderen Bereichen nutzen zu können.

• Ermittle die Schmelztemperaturen der Legierungen.

  Tipps

  Reines Eisen hat den Schmelzpunkt von 1536°C. Stahl liegt aufgrund seines geringen Kohlenstoffanteils direkt darunter.

  Die Legierungen haben meist einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Elemente.

  Amalgamlegierungen bestehen unter anderem aus Quecksilber, welches bei Raumtemperatur flüssig ist.

  Der Schmelzpunkt von Kupfer ist 1084 °C.

  Lösung

  Legierungen weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, je nachdem aus welchen Metallen sie bestehen. Eine Unterscheidung ist die Schmelztemperatur. So kann ebenfalls der Anteil der Metalle festgestellt werden, indem man eine Legierung einschmilzt, da sie charakteristisch für ihr Mischverhältnis schmelzen. Die Schmelzpunkte der Legierungen in der korrekten Reihenfolge lauten:

  1. Amalgam: 110°C
  2. Bronze (70% Cu): 755°C
  3. Sterlingsilber (925): 800°C
  4. Gusseisen: 1150°C
  5. Stahl: 1536°C

  Die unterschiedlichen Schmelztemperaturen werden von den Komponenten bestimmt. Beispielsweise würde der Schmelzpunkt von Bronze in einem 1:1 Gemisch unterhalb der 755°C liegen, da mehr Zinn mit einem niedrigen Schmelzpunkt die Eigenschaft verändern würde.
  Ebenfalls kann dieses Phänomen bei Gusseisen und Stahl illustriert werden. Stahl hat einen sehr geringen Kohlenstoffanteil (>2%) und schmilzt daher annähernd bei Eisenschmelztemperatur (1538°C).

• Bestimme die Zusammensetzung folgender Legierungen.

  Tipps

  Pfannen bestehen aufgrund der guten Leitfähigkeit dieser Legierung oft aus Gusseisen.

  Die römische Münze ist eine Bronzemünze, die amerikanische Münze dagegen ein Nickel.

  Besteck ist oftmals aus Neusilber, welches eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung ist und sehr korrosionsbeständig ist.

  Lösung

  Legierungen sind eine Mischung aus zwei oder mehr Metallen oder Halbmetallen. Sie sind homogen und besitzen neue, wünschenswerte Eigenschaften. Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Legierungen:

  Messing, Neusilber und Bronze sind Legierungen auf Kupfer-Basis. Das Kupfer, welches relativ weich ist, wird mit Zusatz von Zinn zum harten Bronze. Dies wurde für Waffen und Münzen im sogenannten Bronzezeitalter genutzt. Mit Zink nennt man die Legierung Messing, welches viel für Armaturen genutzt wird. Je höher der Zinkgehalt, desto gelber wird die Verbindung.

  Gusseisen ist Eisen, welches einen Anteil an Kohlenstoff von mehr als 2% aufweist. Dadurch kann dieses Material sehr gut Wärme speichern. Stahl enthält weniger als 2% Kohlenstoff. Das macht es elastischer und sehr stabil im Vergleich zum Gusseisen.

• Erkenne die Edelmetalle aus folgenden Elementen.

  Tipps

  Edelmetalle werden von Luftsauerstoff nicht angegriffen.

  Edelmetalle sind häufig Bestandteile von Schmuck und Münzlegierungen.

  Lösung

  Legierungen basieren häufig auf den sogenannten Edelmetallen, die ihren Wert drastisch erhöhen. Edelmetalle sind seit dem Altertum schon als besonders bekannt, da sie etwa im Gegensatz zu Eisen oder Zink nicht mit Luftsauerstoff reagieren. Sie sind korrosionsbeständig. Ebenfalls kommen Edelmetalle häufig gediegen, das bedeutet in elementarer Form, in der Natur vor, wogegen die anderen Metalle meist in mineralischer Form gebunden sind.

  Legierungen mit Edelmetallen sind Sterlingsilber, Bronze, Messing und verschiedene Goldlegierungen.