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Metalle – Einführung

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Die Autor/-innen
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Team Wissensdurst
Metalle – Einführung
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Metalle – Einführung

Metalle

Überall gibt es Metalle! So besteht dein Fahrrad hauptsächlich aus Metallen wie Eisen (Fe) und Aluminium (Al). Metalle können sehr auffällige Stoffe sein: Sie können glänzen und einige wenige Metalle wie Eisen sind magnetisch; Quecksilber (Hg) ist bei Raumtemperatur ein flüssiges und übrigens auch giftiges Metall; Gold (Au) und Platin (Pt) sind besonders wertvolle und edle Metalle. Unedle Metalle wie Zink (Zn) oder Blei (Pb) werden im Rostschutz eingesetzt. Neben deinem Fahrrad bestehen viele wichtige Produkte hauptsächlich aus Metallen: Schiffe, Flugzeuge und Autos, aber auch das Innenleben von Computern und Smartphones.
Oft fällt bei Produkten aus Metall der Begriff Stahl, darunter versteht man eine besonders reine Form von Eisen, die weniger als zwei Prozent Kohlenstoff-Beimengung enthält.
Ob du es glaubst oder nicht: Wir haben sogar im Körper Metalle, sogenannte Spurenelemente! So benötigen wir Eisen, um den Sauerstoff im Blut zu den Zellen transportieren zu können.

Definition – Metalle

Betrachten wir Metalle in der Chemie, dann schauen wir zunächst auf das Periodensystem der chemischen Elemente. Metalle sind alle chemischen Elemente links einer gedachten Linie von Bor (B) bis Astat (At). Diese Grenze trennt die Metalle von den Nichtmetallen. Schnell sieht man: Die meisten chemischen Elemente sind Metalle, rund 80 Prozent!

Metalle im Periodensystem der Elemente

Eigenschaften der Metalle
Metalle haben vier charakteristische Eigenschaften:

  • Metalle zeigen einen typischen Glanz.
  • Metalle sind verformbar.
  • Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit.
  • Metalle haben eine gute elektrische Leitfähigkeit.

Einige chemische Elemente entlang der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen wie beispielsweise Silicium (Si) oder Germanium (Ge) sind Halbmetalle. Halbmetalle zeigen nur unter bestimmten Bedingungen metallische Eigenschaften.
Andere Stoffeigenschaften wie die Schmelzpunkte der Metalle und ihre Siedepunkte können von Metall zu Metall sehr unterschiedlich sein. Metalle können andere Metalle lösen, dabei bilden sie Legierungen, die wegen ihrer Eigenschaften von praktischer Bedeutung sind. Eine Legierung kennst du bestimmt von alten Türgriffen, die waren früher meist aus Messing, eine Verbindung aus Kupfer (Cu) und Zink (Zn).

Aufbau der Metalle

Grundsätzlich sind die Metallatome so aufgebaut wie alle anderen Atome. Wie ihr sicher wisst, bewegen sich die Elektronen auf Schalen um die Atomkerne herum. Auf der äußersten Schale befinden sich die Außenelektronen bzw. Valenzelektronen. Sie sind für die chemische Bindung verantwortlich.
Im festen Metall bilden ganz viele Metallatome ein Atomgitter. Die Valenzelektronen bewegen sich dabei ganz frei zwischen allen Metallatomen im Gitter und binden so die Metallatome untereinander. Diese Art der Bindung heißt Metallbindung. Sie ist verantwortlich für die oben genannten vier gemeinsamen Eigenschaften der Metalle.

Hinweise zum Video

Das Video führt die Stoffgruppe der Metalle für den Chemieunterricht der siebten oder achten Klasse in der Schule ein. Zum besseren Verständnis solltest du bereits wissen, was Atome und Elektronen sind.

Übungen und Arbeitsblätter

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über die Metalle zu testen.

Ausblick: Metalle in der Chemie

Ab der 9. Klasse wirst du die Metalle in edle und unedle Metalle einteilen und anhand der Redoxreihe der Metalle unterscheiden können. In der Oberstufe werden die Metalle in die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle eingeordnet. Im Labor wirst du dann sogar Stoffgemische aus unterschiedlichen Metallen im Reagenzglas anhand der Fällungsreihe der Metalle trennen und das Vorhandensein einzelner Metalle nachweisen können.

Transkript Metalle – Einführung

Nach einem langen feuchten Winter wird es Frühling. Und Paul kann endlich wieder mit dem Fahrrad fahren. Wo ist das Fahrrad denn eigentlich? Ach stimmt, hinten am Zaun. Hoffentlich steht es da überhaupt noch. Jetzt aber schnell los, in einer halben Stunde beginnt das Fußballtraining und Paul hat noch vier Kilometer vor sich. Oh nein. Hoffentlich hat Paul sich nicht weh getan. Was kann da nur passiert sein? Schauen wir uns doch mal an, aus welchen Materialien Pauls Fahrrad besteht. Die Reifen sind aus Gummi. Der Sattel ist entweder aus Kunststoff oder aus Leder. Die Bezeichnung Schutzblech ist fast schon veraltet. Dieses Teil besteht heutzutage vor allem aus Kunststoff. Die meisten Teile des Fahrrads aber sind aus Metall. Der Rahmen besteht aus lackiertem Stahl. Stahl ist eine besondere Form des Metalls Eisen. Er hat einen geringen Kohlenstoffgehalt und enthält zusätzlich Chrom und Nickel. (Fahrrad klingeln). Der Lenker besteht aus verchromtem Stahl. Also aus Stahl, der mit Chrom beschichtet ist. Die Kette ist aus Eisen. Die Felgen sind aus Aluminium. Etwa 80 Prozent aller Elemente sind Metalle. Betrachten wir das Periodensystem der Elemente. Wo befinden sich hier die Metalle? Wenn man sich eine Linie vom Bor zum Astat vorstellt findet man die Metalle links und unterhalb dieser Linie. Oben rechts im Periodensystem findet man die Nichtmetalle. Zwischen den Metallen und den Nichtmetallen liegen die Elemente, die metallische und nichtmetallische Eigenschaften haben. Dies sind die Halbmetalle. Metalle besitzen ein festes Atomgitter. Zwischen den Atomrümpfen bewegen sich die Valenzelektronen durch das gesamte Atomgitter. So halten sie die Metallatome über die Metallbindung zusammen. Metalle leiten gut Strom und Wärme. Sie glänzen und außerdem sind Metalle hart und stabil. Dabei aber trotzdem verformbar, so dass sie unter Druck nicht so schnell brechen. Da sich Metalle aufgrund ihrer typischen Eigenschaften hervorragend als Werkstoffe eignen, werden sehr viele Dinge aus Metall gefertigt: Werkzeuge, Autos, Eisenbahnen, Schiffe, Brücken, Türme und eben auch Pauls Fahrrad.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Das Video war sehr hilfreich,

    Von Luorca, vor fast 4 Jahren

Metalle – Einführung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Metalle – Einführung kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.

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