Metalle – Einführung

Metalle – Einführung Übung

• Gib an, welche Teile eines Fahrrads aus Metall bestehen.

  Tipps

  Metalle kannst du anhand einiger Stoffeigenschaften direkt als solche erkennen.

  Metalle sind meist glänzend.

  Metalle sind häufig sehr stabil. Welche Bauteile des Fahrrades sind den größten Belastungen ausgesetzt?

  Lösung

  Ein Fahrrad besteht aus unterschiedlichen Materialien, vor allem aber aus Metall und Kunststoff.

  Der Rahmen sorgt für die Stabilität des Fahrrades. Er besteht daher auch aus stabilen Materialien wie Stahl. Bei Rennrädern wird aber auch häufig Aluminium verwendet, um Gewicht zu reduzieren. Der Rahmen besteht also in der Regel aus Metall.

  Was für den Rahmen gilt, gilt auch für die Felgen und Speichen des Fahrrades. Sie werden auch aus Metall gefertigt. Diese metallischen Bestandteile des Rades werden auch häufig zum Schutz vor Rost beschichtet.

  Die Kette des Fahrrades besteht aus einzelnen Eisengliedern, also ebenfalls aus Metall. Diese geben mehr Zugfestigkeit als eine Kette aus Aluminium. Da die Kette stetiger Reibung an den Zahnrädern ausgesetzt ist, kann man keine haltbare Beschichtung aufbringen. Die Kette rostet daher sehr leicht, weshalb sie regelmäßig geölt werden muss.

  Die anderen Bestandteile des Fahrrades, wie der Sattel, die Reifen, aber auch die Katzenaugen in den Speichen, bestehen dagegen aus Kunststoff.

• Entscheide, wo sich die Metalle im Periodensystem der Elemente befinden.

  Tipps

  Es gibt deutlich mehr Metalle als Nichtmetalle.

  Die Halbmetalle liegen genau zwischen den Metallen und Nichtmetallen.

  Überlege dir, welche Metalle du bereits kennst und suche das entsprechende Symbol im Periodensystem. Die Metalle sind alle geordnet in einem Bereich.

  Lösung

  Von allen bekannten Elementen gehören die meisten zu den Metallen. Die Metalle befinden sich unten links im PSE, erstrecken sich aber auch sehr weit über die Mitte.

  Das rötlich glänzende Kupfer ist ein Metall, das du sicher schon einmal gesehen hast. Es ist unter anderem in den Centmünzen enthalten. Es hat das Elementsymbol $Cu$. Es findet vor allem als elektrischer Leiter in Kabeln Verwendung. Auch Eisen gehört zu den Metallen und ist dir in Form von Stahl sicher schon mal begegnet. Eisen findest du als $Fe$ in der 4. Periode des PSE. Damit hast du also schon mal zwei Metalle im Periodensystem gefunden.

  Sauerstoff und Kohlenstoff kennst du vielleicht auch schon. Sauerstoff hat das Elementsymbol $O$ und Kohlenstoff $C$. Diese Elemente sind Nichtmetalle und ihr Platz im Periodensystem unterscheidet sich von den Metallen. Die Nichtmetalle findest du nämlich oben rechts.

  Zwischen den Nichtmetallen und den Metallen liegen die Halbmetalle.

• Erkläre, was Manuela in der Küche passiert ist.

  Tipps

  Kühlkörper, wie die Kühlrippen eines Kühlschranks, bestehen immer aus Metall. Wozu dienen diese?

  Die Henkel von Kochtöpfen bestanden früher aus Holz, heute sind sie häufig aus Kunststoff.

  Kochlöffel sind häufig aus Holz oder Kunststoff. Der Suppenlöffel, mit dem du isst, ist aus Metall.

  Lösung

  Dass der Kochlöffel aus Holz oder Kunststoff besteht, hat einen einfachen Grund. Holz und Kunststoff sind schlechte Wärmeleiter. Das bedeutet, dass sie nur sehr langsam die Wärme der Suppe zu deiner Hand leiten.

  Der Suppenlöffel aus Metall leitet hingegen die Wärme sehr gut. Steht der Metalllöffel eine Weile in der Suppe, wird er genauso heiß wie die Suppe. Daher verbrennst du dich an diesem Löffel genauso wie am Topf. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft der Metalle.

  Vielleicht hast du es ja auch schon einmal bemerkt, dass sich Gegenstände aus Metall fast immer kälter anfühlen als Gegenstände aus Holz? Das liegt daran, dass Metall die Wärme deiner Hand sehr schnell wegleitet. Das fühlt sich dann kälter an.

• Entscheide, welche Gegenstände aus Kunststoff und welche aus Metall hergestellt werden.

  Tipps

  Das gewählte Material muss sich für sein Einsatzgebiet eignen.

  Das geeignete Material sollte möglichst günstig sein.

  Kunststoffe sind leichter als Metalle.

  Lösung

  Kunststoffe können wie Metalle eine hohe Härte aufweisen. Sie unterscheiden sich allerdings darin, dass sie relativ resistent gegen Säuren sind, sehr leicht sind und als Isolatoren für Wärme und elektrischen Strom wirken. Daher verwendet man sie immer da, wo die metallischen Eigenschaften nachteilig wären. Außerdem können sie in einer kostengünstigen Spritzgusstechnik in Form gebracht werden. Kunststoffe werden also zum Beispiel bei Bürsten, Kopfhörergehäusen und Fläschchen verwendet.

  Metalle kann man nur zu höheren Kosten herstellen. Dafür sind sie noch stabiler als harte Kunststoffe und weniger spröde, sie zerbrechen also nicht so leicht. Gleichzeitig können aber auch Metalle sehr flexibel sein, wie du es von vielen Kabeln kennst. Metall wird also für zum Beispiel Gitterstäbe, Stahlträger und Fahrradrahmen verwendet.

• Nenne die Eigenschaften der Metalle.

  Tipps

  Bis auf Quecksilber besitzen alle Metalle bei Raumtemperatur den gleichen Aggregatzustand.

  In den meisten Kabeln finden sich Drähte aus Kupfer.

  Schmuck besteht aus Edelmetallen.

  Lösung

  Als Schmuck schätzen wir vor allem den Glanz von Metallen und auch, dass er schnell die Körperwärme annimmt. Daran können wir gleich zwei Stoffeigenschaften der Metalle erkennen. Ihr Glanz und auch ihre Wärmeleitfähigkeit.

  Auch in Kabeln wird immer ein Metall als Leiter verwendet, meist Kupfer. Auch hier werden die Eigenschaften der Metalle genutzt. Metalle leiten den Strom und sind flexibel.

  Metalle sind immer fest bei Raumtemperatur. Quecksilber stellt hier die einzige Ausnahme dar, es ist bei Raumtemperatur flüssig.

• Erkläre anhand des Metallbindungsmodells, warum die Metalle elektrischen Strom leiten.

  Tipps

  Stell dir den Aufbau eines Metalls so vor wie Stahlkugeln, die in einem Gefäß mit Wasser liegen. Die Stahlkugeln sind dabei die positiven Teilchen und das Wasser die negativen Teilchen des Metalls.

  Eine elektrische Spannung erzeugt ein Potential. In dem Modell kannst du dir das so vorstellen, als würde man das Glas nun schräg halten.

  Lösung

  Nach dem Metallbindungsmodell bestehen die Metalle aus Atomrümpfen, die eine feste Position im Metallgitter haben, und aus Valenzelektronen, die sich frei durch das Metall bewegen können. Sobald eine elektrische Spannung anliegt, ermöglicht die freie Beweglichkeit den Elektronen eine gerichtete Bewegung in eine Richtung: zum Pluspol. So kann das Metall elektrischen Strom leiten.

  Je wärmer das Metall ist, desto mehr schwingen die Atomrümpfe im Gitter hin und her und bremsen die Valenzelektronen aus. Daher sind alle Metalle Kaltleiter.