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Legierungen (Vertiefungswissen)

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Die Autor/-innen
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André Otto
Legierungen (Vertiefungswissen)
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Legierungen (Vertiefungswissen)

In diesem Video erhältst du eine Einführung in das Thema der Legierungen. Dabei handelt es sich um ein homogene Gemische aus mindestens zwei Metallen, oder einem Metall und einem Halb- bzw. Nichtmetall. Legierungen werden genutzt, um die Eigenschaften von Metallen als Werkstoff zu verändern. So können durch bestimmte Mischungen Metalle fester, korrosionsbeständiger oder in ihrer Farbe verändert werden. Welche Legierung du unbedingt kennen solltest und wo diese genutzt werden, kannst du im folgenden Video erfahren. Schau es dir an.

Transkript Legierungen (Vertiefungswissen)

Guten Tag und herzlich willkommen. Der Mensch nutzt einen großen Teil der chemischen Elemente, die wir als Metalle bezeichnen. Obwohl es im Periodensystem der Elemente eine große Anzahl an Metallen gibt, ist der Mensch mit ihren Eigenschaften nicht immer zufrieden. Wie kann man die Eigenschaften der Metalle verbessern? Man mischt diese Metalle miteinander, man stellt Legierungen her. Dieses Video ist für den Grundkurs gedacht.

Die Zeit der Legierungen begann mit der Bronzezeit. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Beide Metalle sind sowohl fest, aber leider weich. Das Gemisch beider führt zu einem festen und harten Material. Das Legieren beider Metalle führt zu einer Verbesserung einer Eigenschaft. Legierungen sind die meist festen, homogenen Mischungen von Metallen oder Metallen und Halb- oder Nichtmetallen. An einer Legierung können 2 oder mehr als 2 chemische Elemente beteiligt sein. Beispiele für Legierungen sind Bronze, Messing, Stahl. Bronze gibt es bereits seit etwa 4000 Jahren. Hier die Reste eines Abbildes des römischen Kaisers Marcus Aurelius. Heute wird Bronze mitunter für Münzen verwendet. Bronze besteht aus viel Kupfer - so um die 90 Prozent - und wenig Zinn, entsprechend um 10 Prozent. Den Bestandteil Zinn der Bronze prägt man sich ein, indem man sich das Z merkt - am Anfang des Zinns und am Ende der Bronze. Die Dichte der Bronze ist ziemlich groß. Sie beträgt etwa 8,75 g/cm³. Damit liegt sie ziemlich nah an der Dichte des Kupfers: 8,9 g/cm³. Je nach Zusammensetzung schmilzt Bronze bei Werten von 850 bis 1000 Grad Celsius. Damit wird die Schmelztemperatur des Kupfers um bis zu 200 Grad Celsius vermindert. Bronze wird oft in der Kunst eingesetzt (für Denkmäler), hat aber auch Verwendung bei vielen technischen Dingen. Eine weitere wichtige Legierung ist das Messing. Der Messingkrug stammt aus dem 14. Jahrhundert. Messing besteht aus Kupfer und Zink. Je nachdem, ob wenig Zink enthalten ist (um die 20 Prozent) oder viel (um die 36 Prozent) ist Messing rötlich oder gelb. Der Vorteil des Messinggießens im Unterschied zu Kupfer, ist, dass der Vorgang blasenfrei geschehen kann. Die Anwendungsbreite des Messings ist groß: zum Beispiel für Blechblasinstrumente, Schrauben oder Armaturen. Der Bestandteil Zink lässt sich einprägen, indem man statt "Messing" in Gedanken "Messink" sagt. Weniger bekannt, aber wichtig, ist die Legierung Tombak. Die Legierung Tombak ist eigentlich ein Messing mit einem sehr hohen Kupferanteil. Kupfer ist im Tombak mit mindestens 70 Prozent, Zink mit höchstens 30 Prozent enthalten. Aus Tombak lassen sich Schmuckgegenstände herstellen, wie zum Beispiel dieser hübsche Wasserkrug. Das wichtigste Metall der Zivilisation ist das Eisen. Je nachdem, ob der Kohlenstoffgehalt im Eisen mindestens 2 Prozent beträgt, sprechen wir von Gusseisen, oder aber, wenn der Kohlenstoffgehalt kleiner als 2 Prozent ist, von Stahl. Gusseisen und Stahl haben unterschiedliche Eigenschaften. Gusseisen ist besser für die Wärmespeicherung geeignet. Stahl hingegen weist eine höhere Elastizität auf. Auch der König der Metalle, das Gold, wird legiert. Gold ist mit vielen Metallen legierbar. Wichtige Legierungsmetalle sind Silber, Kupfer, Palladium. Die Legierungen zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit und Härte im Vergleich zu Gold aus. Vielleicht habt ihr einmal von Karat gehört. 24 Karat bedeutet, dass es reines Gold ist (100 Prozent). 8 Karat bedeutet etwa 33-prozentiges Gold. Meist ist dieses mit Silber legiert. Solches Gold findet man häufig in Schmuckgegenständen in Deutschland. 14-karätiges Gold bedeutet einen Goldgehalt von etwa 58 Prozent. Dieses Gold ist meist mit Kupfer legiert. Solches Gold findet man vorzugsweise in Russland. Beim Handeln mit Edelmetallen schreibt man auch häufig statt 100 Prozent einfach 1000. Man nennt dieses Gold "Tausender". 8-karätiges Gold (33-prozentiges) nennt man auch 333er. 14-karätiges Gold mit einem Gehalt von etwa 58 Prozent nennt man auch 583er. Es gibt auch Silberlegierungen. Dieser schöne Schmuckgegenstand besteht aus Sterlingsilber. Sterlingsilber enthält 92,5 Prozent Silber und 7,5 Prozent Kupfer. Wir haben es hier mit einem sogenannten 925er Silber zu tun. Das sind 22,2 Karat. Nach dem Silber kommen wir zum Neusilber, welches auch als Alpaka oder Melchior bezeichnet wird. Der Kamm und die Münze bestehen beide aus Neusilber. Der Name der Legierung ist irreführend, denn sie enthält keinerlei Silber. Stattdessen besteht Neusilber aus Kupfer, Nickel und Zink. Die Anteile dabei variieren stark. Kupfer: 45-70 Prozent. Nickel: 5-30 Prozent. Und Zink: 8-45 Prozent. Für Neusilber gibt es sehr viele Anwendungen: Essbestecke, medizinische Geräte, Reißverschlüsse, Schmuck, Blasinstrumente, Brillen. Als Letztes einige Worte zum sogenannten Nickel. Das ist eine kleine amerikanische Münze. Der Nickel besteht eigentlich aus Kupfernickel. Die Münze enthält 75 Prozent Kupfer und 25 Prozent Nickel. Somit ist der Nickel eine 5-Cent-Münze der Vereinigten Staaten von Amerika, die aus Kupfernickel besteht. Fassen wir zusammen: Legierungen dienen der Verbesserung der Gebrauchseigenschaften. Wichtige Gebrauchseigenschaften sind: Wärmespeicherung, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Farbe und Glanz. Folgende Legierungen sollte man kennen oder zumindest einmal gehört haben: Bronze, Messing, Tombak, Gusseisen, Stahl, Neusilber, Sterlingsilber, Kupfernickel und die Goldlegierungen. Man muss sich vorher gut überlegen, welche Metalle man miteinander zu Legierungen vermischt, bevor man solche Rollbarren herstellt. Ich hoffe, ihr hattet ein wenig Spaß. Auf Wiedersehen.

Legierungen (Vertiefungswissen) Übung

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

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