Metalle

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Mat-Metall

Definition

Metalle sind Werkstoffe, die aus einem Gitter mit positiv geladenen Atomrümpfen und dazwischen frei beweglichen Elektronen bestehen. Die freie Beweglichkeit der Elektronen in der äußersten Schale entsteht durch die Überlappung von Valenz- und Leitungsband. Die metallische Bindung ist richtungslos.


 

 

Wesentliche Elemente und Verbindungen

Chemische Unterteilung

Die meisten Elemente des Periodensystems der Elemente sind Metalle. Zu den Metallen zählen die „Alkalimetalle“ (Gruppe 1, rot), die „Erdalkalimetalle“ (Gruppe 2, orange), die „Übergangsmetalle“ (Gruppen drei mit 12, rosa) sowie die „Metalle“ (grau dargestellte Elemente in den Gruppen 13 mir 16). Metalle werden weiterhin in Leicht- und Schwermetalle unterschieden; Leichtmetalle haben dabei im Vergleich zu Schwermetallen niedrigere Ordnungszahlen. Hinsichtlich ihrer Reaktivität unterscheidet man Edelmetalle (in den Übergangsmetallen weiter rechts angeordnet) und unedle Metalle (im Periodensystem links angeordnet).

Technische Unterteilung

Aus technischer Sicht können Metalle ebenso wie aus chemischer Sicht in Leicht- und Schwermetalle, sowie edle und unedle Metalle unterschieden werden. Neben reinen Metalle unterscheidet man aus technischer Sicht darüber hinaus z. B. Eisenlegierungen (Stahl und Gusseisen), Nichteisenlegierungen (Leicht- und Schwermetalllegierungen), Diffusions-legierungen, Heuslersche Legierungen, Formgedächtnislegierungen und andere.

  • Leichtmetallegierungen sind Legierungen der Elemente Aluminium, Magnesium und Titan.

  • Schwermetalllegierungen sind Verbindungen der Elemente Kupfer, Nickel, Kobalt, Molybdän, Zink, Cadmium, Zinn, Wolfram, sowie Edelmetalllegierungen (Silber, Gold, Platin).

  • Heuslersche Legierungen sind magnetisch, enthalten jedoch weder Eisen, noch Kobalt oder Nickel.

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Herstellungsprozess

Metalle werden primär aus einer Schmelze hergestellt. Dabei wird ein Erz des jeweiligen Metalls erhitzt und eventuell reduziert (von einer Verbindung mit dem Element Sauerstoff in den metallischen Zustand überführt), sofern es nicht bereits in metallischer Form natürlich vorkommt.

 

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Typische Eigenschaften

Metalle sind durch folgende typische Eigenschaften gekennzeichnet

  • Geringe Anzahl an Valenzelektronen,

  • Geringe Ionisierungsenergie

  • Glanz (Spiegelglanz): Durch die frei beweglichen Elektronen kann die gesamte eingestrahlte Energie unabhängig von der Wellenlänge wieder unverändert emittiert werden.

  • Undurchsichtigkeit: Da das gesamte einfallende Licht reflektiert wird, sind Metalle selbst in dünnen Schichten undurchsichtig.

  • Gute elektrische Leitfähigkeit: Valenz- und Leitungsband von Metallen überlappen, wodurch Elektronen frei beweglich werden. Beim Vorhandensein eines äußeren elektrischen Feldes fließt ein elektrischen Strom.

  • Viele Metalle und Legierungen verlieren beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur Tc sprunghaft ihren elektrischen Widerstand. Tc, heißt aus diesem Grund auch Sprungtemperatur oder kritische Temperatur. Ihr Wert ist materialabhängig und kann durch (von außen anliegende) Magnetfelder gesenkt werden.

  • Supraleiter zeigen den Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Magnetfelder unterhalb eines kritischen Wertes werden wegen des verschwindenden Widerstandes aus dem Leiter gedrängt.

  • Ein von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort einen Kreisstrom, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Feld aufbaut, welches das äußere kompensiert. Aufgrund des nicht vorhandenen elektrischen Widerstandes wird der Kreisstrom nicht mehr schwächer, das Magnetfeld bleibt erhalten. Durch den Effekt kann eine kleine supraleitende Probe im Magnetfeld zum Schweben gebracht werden.

  • Metalle und Legierungen sind Supraleiter 1. Art: magnetische Feldlinien werden in ihnen bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche vollständig aus dem Inneren verdrängt. Das Magnetfeld nimmt an der Oberfläche des Supraleiters exponentiell ab; das charakteristische Maß der Oberflächenschicht ist die so genannte (Londonsche) Eindringtiefe. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Meissner-Phase. Ein Supraleiter 1. Art wird normalleitend, wenn entweder das äußere Magnetfeld einen kritischen Wert Bc oder die Stromdichte durch den Supraleiter einen kritischen Wert Jc überschreitet.

  • Gute thermische Leitfähigkeit: die leicht verschiebbaren Elektronen nehmen an der Wärmebewegung teil und tragen so zum Wärmetransport bei.

  • Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metallgitter befinden sich Versetzungen, die sich schon bei einer Spannung unterhalb der Trennspannung bewegen können.

  • In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden unter Bildung eines Salzes (Ionenverbindung) vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben. In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten.

  • Bei Verbindungen mit Übergangsmetallen und bei größeren Anionen (wie dem Sulfid-Ion) können alle Übergangsstufen zur Atombindung vorkommen.

  • Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungen gebildet, wobei sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters befinden, ohne dieses wesentlich zu verändern. Diese Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften wie die Elektrische Leitfähigkeit.

  • Metallkationen, v. a. die der Nebengruppenmetalle, bilden mit Basen (Wasser, Ammoniak, Halogeniden, Cyanid u. v. a.) Komplexverbindungen.

  • Hoher Schmelzpunkt: durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte. Die Tabelle zeigt die Schmelz- (TM) und Siedetemperaturen (TS) einiger Metalle bei Normaldruck. Der Schmelzpunkt von Legierungen liegt dagegen unter dem der reinen Metalle; bei einer bestimmten Zusammensetzung wird der tiefste Schmelzpunkt erreicht, das Eutektikum.

 

Exemplarische Übersicht der Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Metalle

Metall

TM (° C)

TS (° C)

Aluminium

659,0

2467,0

Blei

327,4

1751,0

Eisen

1536,0

3070,0

Kupfer

1083,0

2595,0

Magnesium

650,0

1120,0

Wolfram

3422,0

5555,0

Zink

419,5,0

907,0

Zinn

231,9

2687,0

 

Als hochschmelzend bezeichnet man die Edelmetalle Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium und die Metalle Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Technetium und Rhenium ( TM über 2000K).

Wärmeleiteigenschaften

Die für die Wärmeleitung relevanten Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit variieren stark. So hat etwa Silber mit 427 W/(m K) eine ca. 20-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Mangan, vgl. Tabelle.

Temperaturleitfähigkeit

Die Temperaturleitfähigkeit oder Temperaturleitzahl (engl. thermal diffusivity), ist eine Materialkonstante, die zur Beschreibung der zeitlichen Veränderung der räumlichen Verteilung der Temperatur durch Wärmeleitung als Folge eines Temperaturgefälles dient. Sie ist verwandt mit der Wärmeleitfähigkeit λ, die zur Beschreibung des Energietransportes dient. Die Temperaturleitfähigkeit beschreibt im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit nicht nur das stationäre Verhalten bei der Wärmeleitung, sondern ebenso die instationären Effekte, wie sie etwa bei der Weitergabe von Temperaturzyklen entstehen.

 

Tabelle 2: thermodynamisch relevante Materialkonstanten einiger Metalle

[ρ]: kg/m3, [cp]: kJ/kgK, [λ]: W/mK, [a]: 10-6 m2/s

Metalle bei 20°C

ρ

cp

λ

a

Aluminium

2,7

0,888

237

98,8

Blei

11,34

0,129

35

23,9

Bronze

8,8

0,377

62

18,7

Chrom

6,92

0,44

91

29,9

X12CrNi18,8Stahl

7,8

0,5

15

3,8

Eisen

7,86

0,452

81

22,8

Gold

19,26

0,129

316

127,2

Gusseisen

7,8

0,54

42...50

10...12

Stahl(<0,4%C)

7,85

0,465

45...55

12...15

Kupfer

8,93

0,382

399

117

Magnesium

1,74

1,02

156

87,9

Mangan

7,42

0,473

21

6

Molybdän

10,2

0,251

138

53,9

Natrium

9,71

1,22

133

11,2

Nickel

8,85

0,448

91

23

Platin

21,37

0,133

71

25

Silber

10,5

0,235

427

173

Titan

4,5

0,522

22

9,4

Wolfram

19

0,134

173

67,9

Zink

7,1

0,387

121

44

Zinn

7,29

0,225

67

40,8

 

Tabelle 3: Sprungtemperaturen metallischer Supraleiter

Substanz

Sprung-temperatur/K

Sprung-temperatur/°C

Wolfram

0,011

-273,139

Gallium

1,09

-272,06

Aluminium

1,18

-271,97

Quecksilber

4,10

-268,76

Tantal

4,39

-268,76

Blei

7,26

-265,89

Niob

9,46

-263,69

AuPb

7,00

-266,15

Technetium

11,20

-266,07

MoN

12,00

-261,15

PbMo6S8

15,00

-258,15

Nb3Sn

18,00

-255,15

 

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Anwendungen

Einige Metalle besitzen zusätzlich zu ihrer guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit eine hohe strukturelle Festigkeit, die sie – insbesondere in Form von Legierungen – zu geeigneten Strukturwerkstoffen machen (Aufnahme hoher Kräfte). Für den Einsatz als Beschichtung sind jedoch eher die Eigenschaften Duktilität, elektrische und thermische Leitfähigkeit oder hoher Reflexionsgrad von Bedeutung.

Supraleiter werden in der Hauptsache zur Herstellung von extrem starken Elektromagneten verwendet, z. B. in der Medizin (Kernspintomografie), in Teilchendetektoren, zur Trennung von geladenen und ungeladenen Partikeln (Pigmente), oder zum Bau von sehr empfindlichen Magnetometern (SQUIDS).

 

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