KSO METALLE (SEKP) Skript Metalle (SekP) V1.0 04/15 Bor

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1 1 KSO METALLE (SEKP) Skript Metalle (SekP) V1.0 04/15 Bor

2 2 INHALTSVERZEICHNIS "METALLE" 1. Einleitung Reaktionen von Metallen Gewinnung von Metallen Domino: Eigenschaften der Metalle Test Metalle... 09

3 3 1. Einleitung Vor etwa 6000 Jahren entwickelten die Menschen des Mittelmeerraumes die Technik Metalle zu bearbeiten und zu nutzen: Bereits damals wurde Schmuck aus Gold und Silber hergestellt. Die ersten Metallwerkzeuge bestanden aus Kupfer. So wurde das Gestein beim Bau der Pyramiden mit Kupferwerkzeugen bearbeitet. Bald verdrängte Bronze, eine Legierung aus Kupfer und Zinn, das Kupfer. Die legendären Trojaner und die gegen sie kämpfenden Griechen waren Menschen der Bronzezeit (etwa v. Chr.) Danach kam Eisen in Gebrauch. Die Eisenzeit begann vor etwa 2000 Jahren. Eisen und vor allem der daraus gewonnene Stahl ermöglichten aufgrund ihrer Härte und Festigkeit Konstruktionen, die kein anderes Metall erlaubte. So entwickelten Ingenieure und Architekten im 19. Jahrhundert kühne Stahlkonstruktionen, die wir heute noch bewundern können. Weltberühmte Beispiele sind der 300 m hohe Eiffelturm in Paris und die Golden Gate Bridge bei San Francisco. Metalle sind auch heute die wichtigsten Werkstoffe. Mit ihren typischen Eigenschaften sind sie aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Typische Eigenschaften: Abgesehen von Quecksilber, das bereits bei Raumtemperatur flüssig ist, schmelzen und sieden die meisten Metalle erst bei höheren Temperaturen. Bsp. von Schmelztemperaturen in C: Eisen: 1535, Zink: 420, Wolfram: 3422 Nach ihrer unterschiedlichen Dichte (ρ) werden die Metalle in Leichtmetalle und Schwermetalle eingeteilt. Leichtmetalle haben eine Dichte unter 5 g/cm 3. Die bekanntesten Leichtmetalle sind Aluminium und Magnesium, sie spielen beispielsweise im Flugzeugbau eine wichtige Rolle. Zu den Schwermetallen gehören Eisen, Kupfer und Blei. Die Metalle mit der höchsten Dichte sind Iridium und Osmium (ρ = 22.6 g/cm 3 ). Platin-Legierungen dieser beiden harten und korrosionsbeständigen Stoffe werden in speziellen elektrischen Kontakten und in Zündkerzen für Flugzeugmotoren eingesetzt. Auch das Urkilogramm besteht aus einer Platin/Iridium-Legierung.

4 4 Merke: Die meisten Metalle sind Stoffe mit charakteristischem Glanz und relativ hohen Schmelz- und Siedetemperaturen. Sie sind plastisch verformbar, leiten den elektrischen Strom und die Wärme. Aufgabe I: Wie würden Sie experimentell abklären, ob ein Stoff zu den Metallen gehört?... Aufgabe II: Eine Legierung besteht aus 40 Prozent Kupfer. Der Rest ist Zinn. Wie heisst diese Legierung? Aufgabe III: Warum fühlen sich viele Metalle bei Zimmertemperatur kalt an? Aufgabe IV: Wie kann man Aluminium, Blei und Eisen experimentell unterscheiden?

5 5 2. Reaktionen von Metallen Viele Metalle reagieren mit Sauerstoff. Ein Beispiel ist die sogenannte Oxidation von Quecksilber zu rotem Quecksilberoxid: Quecksilber + Sauerstoff rotes Quecksilberoxid; exotherm Wird der Vorgang umgekehrt, entsteht aus dem roten Quecksilberoxid wieder Quecksilber und Sauerstoff. Die Entstehung von elementarem Quecksilber aus Quecksilberoxid wird als Reduktion bezeichnet. rotes Quecksilberoxid Quecksilber + Sauerstoff; endotherm Aus schwarzem Kupferoxid lässt sich der Sauerstoff nicht durch Erhitzen abspalten. Man kann die Verbindung jedoch durch eine Reaktion mit Kohlenstoff zu Kupfer reduzieren. Der Kohlenstoff nimmt dabei die den Sauerstoff auf; er wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Zusammenfassend spricht man von einer Redoxreaktion. Die Silbe Red deutet auf den Reduktionsvorgang hin, die Silbe Ox auf den Oxidationsvorgang. In einer Redoxreaktion laufen Oxidation und Reduktion also gleichzeitig ab. Reduktion schwarzes Kupferoxid + Kohlenstoff Kupfer + Kohlenstoffdioxid; exotherm Oxidation Bei dieser Reaktion wird Kupferoxid als Oxidationsmittel bezeichnet (es gibt Sauerstoff ab) und Kohlenstoff als Reduktionsmittel (es nimmt Sauerstoff auf). Das Oxidationsmittel oxidiert also einen anderen Stoff (führt im Sauerstoff zu) und wird selbst reduziert (gibt Sauerstoff ab). Das Reduktionsmittel reduziert einen anderen Stoff und wird selbst oxidiert. Analogie: Ein Putzlappen putzt einen Gegenstand und wird selbst schmutzig. Kennzeichne bei der folgenden Reaktion die Oxidations-, die Reduktionsreaktion, das Oxidations- und das Reduktionsmittel: schwarzes Kupferoxid + Eisen Kupfer + rotes Eisenoxid; exotherm Wer reduziert wen? Eisen reduziert Kupferoxid. Umgekehrt kann Kupfer jedoch rotes Eisenoxid nicht reduzieren. Man sagt, Eisen sei ein stärkeres Reduktionsmittel als Kupfer. Die Reduktion von rotem Eisenoxid gelingt dagegen mit Aluminium. Aluminium ist ein stärkeres

6 6 Reduktionsmittel als Eisen. Ein Vergleich zwischen verschiedenen Metallen ergibt eine Reihenfolge der Reduktionswirkung. Man spricht allgemein von der Redoxreihe der Metalle: Lithium > Magnesium > Aluminium > Zink > Eisen > Blei > Kupfer > Silber > Gold Unedle Metalle edle Metalle stark Reduktionswirkung schwach In der Redoxreihe stehen links starke Reduktionsmittel. Dazu gehören Magnesium, Aluminium und Eisen. Diese Metalle liefern bei der Umsetzung mit Sauerstoff viel Energie, sie werden leicht oxidiert. Solche Metalle bezeichnet man als unedle Metalle. Im Gegensatz dazu haben Silber, Gold und Platin praktisch keine Reduktionswirkung. Diese Metalle, die rechts in der Redoxreihe stehen, sind als Edelmetalle bekannt. Sie werden an der Luft nicht oxidiert. Aufgabe V: Nennen Sie einige unedle und einige edle Metalle Aufgabe VI: Zink reagiert mit Silberoxid. a) Stellen Sie das Reaktionsschema auf. b) Ordnen Sie die Begriffe Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel und Reduktionsmittel zu.

7 7 Aufgabe VII: Um Zinkoxid zu Zink zu reduzieren, stehen die Metalle Magnesium und Eisen zur Verfügung. Welches Metall ist geeignet? Begründen Sie Ihre Antwort. Merke: Eine chemische Reaktion, bei der einem Oxid Sauerstoff entzogen wird, nennt man Reduktion. In Redoxreaktionen laufen Oxidation und Reduktion gleichzeitig ab. Nach der Stärke ihres Reduktionsvermögens ordnet man die Metalle in der Redoxreihe. 3. Gewinnung von Metallen Kupfer kommt in der Natur nur selten als Element vor. Meist ist es an Sauerstoff oder Schwefel gebunden. Solche natürlich vorkommenden Verbindungen bezeichnet man als Mineralien. Mineralien mit besonders hohem Metallgehalt nennt man Erze. Ein bekanntes Kupfererz ist Kupferkies, eine Verbindung aus Kupfer, Eisen und Schwefel. Gewinnung von Kupfer. Um aus Kupfererzen das Metall zu gewinnen, muss es von seinem Bindungspartner Sauerstoff bzw. Schwefel getrennt werden. Kupfererze werden bei hohen Temperaturen mit Kohlenstoff reduziert. In einer exothermen Reaktion entsteht metallisches Kupfer und Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht. Die Reduktion von Erzen mit Kohlenstoff war bereits im Altertum bekannt. Man füllte das Erz zusammen mit Holzkohle in Erdmulden. Um die erforderliche Reaktionstemperatur zu erreichen, wurde die Holzkohle entzündet. Dann blies man mit Hilfe von Blasebälgen Luft in das Gemisch. 4. Domino: Eigenschaften der Metalle Aufgabe VIII: Domino Schneiden Sie die Domino-Karten (erhalten Sie von der Lehrperson) an den stärkeren Linien aus und legen Sie die Metalle bzw. Legierungen und ihre Eigenschaften passend aneinander.

8 8 Aufgabe IX: Ordnen Sie die Metalle Kupfer, Zink, Silber, Eisen, Blei, Gold, Magnesium und Aluminium entsprechend ihrer Reaktionsfreudigkeit von links nach rechts. Beginnen Sie mit dem stärksten Reduktionsmittel. Aufgabe X: Überlegen Sie, ob eine Reaktion zu erwarten ist, wenn man das Metall mit dem Oxid erhitzt. Formulieren Sie jeweils das Reaktionsschema oder begründe, weshalb keine Reaktion abläuft. a) Eisen / rotes Kupferoxid: b) Blei / Magnesiumoxid: c) Kupfer / rotes Eisenoxid: d) Magnesium / Zinkoxid: e) Aluminium / rotes Eisenoxid:

9 9 5. Test Metalle 1. Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der A sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet, B ein Stoff Sauerstoff abgibt, C ein Oxid entsteht, D ein Stoff reduziert wird. 2. Die Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der A Wärme frei wird, B ein Metall Sauerstoff aufnimmt, C einem Oxid Sauerstoff entzogen wird, D ein Stoff oxidiert wird. 3. Oxidationsmittel A übertragen Sauerstoff auf andere Stoffe, B entziehen anderen Stoffen Sauerstoff, C sind unedle Metalle, D sind Legierungen. 4. Reduktionsmittel A sind meist edle Metalle, B sind keinesfalls unedle Metalle, C entziehen einem Oxid das Metall, D sind Emulsionen. 5. Legierungen sind A chemische Verbindungen, B Gemische aus mehreren Metallen, C gute Oxidationsmittel, D Reinstoffe, die aus mehreren Elementen bestehen.

10 10 6. Bronze ist eine Legierung aus A Kupfer und Zink, B Kupfer und Zinn, C Kupfer und Eisen, D Eisen und Chrom. 7. Der Hochofen ist eine Anlage, in der A chemische Reaktionen ablaufen, B aus Eisenerz Stahl gewonnen wird, C Eisen vom Erz durch Schmelzen abgetrennt wird, D Eisenoxide durch Kohlenstoffmonooxid reduziert werden. 8. Eine Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der A Oxidationsmittel und Reduktionsmittel miteinander reagieren, B eine Legierung entsteht, C Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen, D die Masse der Ausgangsstoffe gleich der Masse der Reaktionsprodukte ist. 9. Metalle sind Stoffe, die A relativ hohe Schmelztemperaturen besitzen, B relativ niedrige Siedetemperaturen besitzen, C nicht plastisch verformbar sind, D schlechte Wärmeleiter sind, E gute elektrische Leiter sind. 10. Unedle Metalle A sind gute Oxidationsmittel, B sind Stoffe, die leicht mit Sauerstoff reagieren, C stehen in der Redoxreihe der Metalle rechts, D werden leicht reduziert.

11 Das Halbedelmetall Kupfer ist A ein guter Wärmeleiter, B ein gutes Reduktionsmittel, C ein wichtiger Stoff für die Elektrotechnik und die Elektronik, D ein silberweisses, glänzendes Metall. 12. Magnesium ist ein unedles Metall, das A ein schlechtes Reduktionsmittel ist, B ein gutes Oxidationsmittel ist, C mit Sauerstoff leicht zu Magnesiumoxid reagiert, D in der Redoxreihe der Metalle links steht.