Metall

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Metalle (von altgriechisch aov metallon "Bergwerk, Erz, Metall") bilden diejenigen chemischen Elemente, die sich im Periodensystem der Elemente links und unterhalb einer Trennungslinie von Bor bis Astat befinden.
Das sind etwa 80 Prozent der chemischen Elemente, wobei der Übergang zu den Nichtmetallen über die Halbmetalle fließend ist und viele davon Modifikationen mit metallischer und atomarer Bindung bilden können.
Der Begriff wird auch für Legierungen und einige intermetallische Phasen verwendet; er gilt für alle Materialien, die in fester oder flüssiger Form die folgenden vier charakteristischen metallischen Stoffeigenschaften aufweisen:
Alle diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter frei beweglichen Elektronen sind.
Ein einzelnes Atom dieser Elemente hat keine metallischen Eigenschaften; es ist kein Metall.
Erst wenn mehrere solcher Atome miteinander wechselwirken und zwischen ihnen eine metallische Bindung besteht, zeigen solche Atomgruppen (cluster) metallische Eigenschaften.
Atome dieser Elemente können sich bei extrem schneller Abkühlung auch amorph zusammenlagern, ohne ein Kristallgitter zu bilden - siehe Metallisches Glas.
Andererseits können auch Atome anderer Elemente unter extremen Bedingungen (Druck) metallische Bindungen eingehen und somit die genannten metallischen Eigenschaften annehmen - siehe metallischer Wasserstoff.
Metalle finden seit Beginn der Zivilisation vielfältige Anwendungen als Werkstoffe.
Unter dem Begriff Metallphysik oder auch Metallkunde beschäftigen sich Physiker und Materialwissenschaftler mit allen Grundlagen, siehe unter Festkörperphysik, und mit Anwendungen, siehe unter Materialwissenschaft.
== Einteilung
Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle und nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle, wobei Letztere gute Reduktionsmittel darstellen.
Siehe hierzu auch den Hauptartikel Metallischer Werkstoff (sowie zur Reaktivität unter Redoxreaktion).
Metalle werden gebildet von den Elementen, die im Periodensystem der Elemente im Bereich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Astat stehen, wobei der metallische Charakter von oben nach unten bzw. von rechts nach links zunimmt.
Ganz oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle.
Die Nebengruppenelemente bilden ausnahmslos Metalle.
Die Grenze zu den Nichtmetallen ist fließend.
So haben zum Beispiel Antimon, Arsen, Cer und Zinn sowohl metallische als auch nichtmetallische Modifikationen.
Für das chemische Verhalten ist auch die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend.
== Physikalische Eigenschaften
=== Allgemeines
Voraussetzung für die Bildung des metallischen Zustandes sind folgende Eigenschaften von Atomen:
Daraus resultiert, dass derartige Atome sich untereinander nicht über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können.
Allenfalls in Metalldämpfen kommen Atombindungen vor, z. B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na2-Molekülen.
Metallatome ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, welches aus positiv geladenen Atomrümpfen besteht, während die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind; keines dieser Elektronen gehört mehr zu einem bestimmten Kern.
Diese frei beweglichen Elektronen kann man sich als Teilchen eines Gases vorstellen, das den Platz zwischen den Atomrümpfen ausfüllt.
Da dieses Elektronengas unter anderem die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle bewirkt, wird das Energieniveau, auf dem sich die freien Elektronen befinden, als "Leitungsband" bezeichnet.
Die genauen energetischen Gegebenheiten beschreibt das Bändermodell auf Basis des Orbitalmodells.
Aus dieser Bindungsart und diesem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
=== Schmelz- und Siedetemperaturen
Als hochschmelzend bezeichnet man Metalle, deren Schmelzpunkt TE über 2000 K bzw. über dem Schmelzpunkt von Platin (TE-Platin = 2045 K = 1772 °C) liegt.
Dazu gehören die Edelmetalle Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium und Metalle der Gruppen IVB (Zirconium, Hafnium), VB (Vanadium, Niob, Tantal), VIB (Chrom, Molybdän, Wolfram) und VIIB (Technetium, Rhenium).
=== 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. 50-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Mangan, siehe Liste mit Werten.
== Chemische Eigenschaften
In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h., die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz).
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, Cyaniden u. v. a.) Komplexverbindungen, deren Stabilität nicht allein durch die elektrostatische Anziehung erklärt werden kann.
Metalle in höheren Oxidationsstufen bilden auch Komplexanionen, z. B.:
== Legierungen
Mischungen aus einem Metall und einem oder mehreren anderen Elementen, die metallisch oder nicht-metallisch sein können, heißen Legierungen, wenn diese Mischung die typischen metallischen Eigenschaften aufweist (Verformbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, ...), wenn also weiterhin eine metallische Bindung vorliegt.
Legierungen haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle.
Vor allem die Härte und die Festigkeit sind teilweise um Größenordnungen höher.
Ebenso kann sich die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöhen.
Der Schmelzpunkt von Legierungen liegt dagegen oft unter dem der reinen Metalle; bei einer bestimmten Zusammensetzung wird der tiefste Schmelzpunkt erreicht, das Eutektikum.
Als erste gezielt hergestellte Legierung der Menschheitsgeschichte wurde die Bronze genutzt, eine Legierung aus 80 bis 95 % Kupfer und 5 bis 20 % Zinn.
Seit langem ist Stahl die am häufigsten verwendete Legierung; er ist eine Mischung aus Eisen mit Anteilen von Kohlenstoff und teils von weiteren Elementen (= Stahllegierung).
== Vorkommen
Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen, da es erstens in sehr großen Mengen vorkommt, weil es das kernphysikalisch stabilste Element ist, und zweitens aufgrund seiner hohen Dichte.
In der Erdkruste dagegen überwiegen die Nichtmetalle, relativ häufige Metalle sind Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium und Kalium.
Viele seltene Metalle treten aber in ihren Abbaustätten stark angereichert auf.
Gesteine, die nutzbare Metalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werden Erze genannt.
Zu den wichtigsten Erzen gehören:
Die Metalle werden aus den jeweiligen Erzen metallurgisch gewonnen.
Manche Edelmetalle, v. a. Gold, kommen auch gediegen, d. h. in reiner Form und nicht als Verbindung (Erz oder Mineral) vor.
== Verwendung
Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe.
Die moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich.
Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet.
Reine Metalle werden zur Herstellung elektrischer Leitungen genutzt, da sie die größte Leitfähigkeit besitzen.
Dafür wird vor allem unlegiertes Kupfer und Aluminium und selten auch Gold verwendet.
Ansonsten werden reine Metalle praktisch nie eingesetzt.
Die folgende Liste enthält die wichtigsten Metalle und Legierungsbestandteile, keine Verbindungen:
== Metall in der Astrophysik
In der Astrophysik ist Metall anders definiert, siehe dazu Metallizität; hier bezeichnet es jedes chemische Element oberhalb einer bestimmten Ordnungszahl (meist höher als Helium).
Das sind alle durch Kernfusion in Sternen oder durch Supernovae entstandenen Elemente, wogegen Wasserstoff und Helium (zusammen mit einigen Spuren von Lithium) als durch den Urknall entstanden gedacht werden.
Die Metallizität eines Sterns hängt mit seinem Entstehungszeitpunkt zusammen (siehe Population).
Es wird angenommen, dass Wasserstoff im Inneren von hinreichend schweren Gasplaneten in den metallischen Zustand (im Sinne der chemischen Metalldefinition) übergehen kann; dieser metallische Wasserstoff ist wahrscheinlich auch für das extrem starke Magnetfeld des Jupiter verantwortlich.
Metallischer Wasserstoff trägt aber nicht zur astrophysikalischen Metallizität des Objekts bei, in dem er vorkommt.
== Metall in der Chinesischen Philosophie
Metall bezeichnet hier ein Element der traditionellen Fünf-Elemente-Lehre.
== Heraldik
Als Metalle werden in der Heraldik die Tinkturen (Wappenfarben) Gold und Silber bezeichnet.
Bei Wappenmalereien wird als Ersatz für Gold die Farbe Gelb und als Ersatz für Silber die Farbe Weiß verwendet.

Klexikon (einfache Sprache):
Ein Metall ist eine bestimmte Art von Stoff.
Die Elemente Eisen und Gold sind zum Beispiel Metalle.
Manche Metalle bestehen auch aus mehreren Elementen: Bronze ist zum Beispiel eine Mischung aus Kupfer und Zinn.
So eine Mischung von Metallen nennt man Legierung.
Metalle haben bestimmte Eigenschaften.
Sie glänzen, sie können Hitze und Elektrizität leiten, und man kann sie vergleichsweise leicht formen, zum Beispiel verbiegen oder schmelzen.
Wenn es normal warm im Zimmer ist, sind die meisten Metalle fest.
Einige sind allerdings flüssig, zum Beispiel Quecksilber.
Viele Metalle kommen in der Natur oft als Erz vor.
Das eigentliche Metall ist dabei mit Gestein vermischt.
Wer Eisen aus Eisenerz gewinnen will, muss das Erz sehr heiß machen, damit das Eisen herausfließt.
Gold und Platin hingegen findet man in der Natur in reiner Form.
Solche Stücke nennt man Nuggets, sprich Naggetts.
== Wie kann man Metalle unterscheiden?
Man unterscheidet Metalle unter anderem nach dem Gewicht, nämlich in Leichtmetalle und Schwermetalle.
Füllt man ein Litermaß mit einem Metall und das Gewicht bleibt unter 5 Kilogramm, dann ist es ein Leichtmetall.
Das gebräuchlichste Leichtmetall ist Aluminium.
Es rostet nicht.
Deshalb braucht man es für Geländer, für Leitern oder beispielsweise für Flugzeuge.
Dort kommt es drauf an, dass alles stabil aber auch leicht ist.
Ist ein Litermaß eines Metalls über 5 Kilogramm schwer, dann nennt man es ein Schwermetall.
Das häufigste Schwermetall ist Eisen oder Stahl.
Daraus sind Autos, Brücken, Werkzeuge, Maschinen und so weiter gebaut.
Eisen hat jedoch den Nachteil, dass es rostet.
Deshalb muss man es mit einer bestimmten Farbe streichen oder beschichten.
Auch Kupfer ist ein Schwermetall.
Viele Wasserleitungen in den Häusern sind aus Kupfer.
Sie rosten nicht und das Wasser nimmt keinen Geschmack an.
Viele Schwermetalle sind giftig, zum Beispiel Blei.
Uran ist sogar hoch giftig.
Man braucht es in Atomkraftwerken.
Uran sendet Strahlungen aus und kann so bei Menschen zu Missbildungen führen.
Dazu muss man es nicht einmal direkt berühren.
Es gibt aber auch Schwermetalle, die wir dringend in unserem Körper brauchen.
Nur nicht in reiner Form, sondern in einer Verbindung.
Diese heißen Spurenelemente.
Sie kommen in Nahrungsmitteln vor.
Bei Bedarf kann man sie aber auch als Tabletten einnehmen, oft zusammen mit Vitaminen.
Es gibt noch eine bestimmte Gruppe von Schwermetallen, nämlich die Edelmetalle.
Dies sind Gold, Platin und Silber.
Sie rosten nicht und lassen sich mit keiner Säure auflösen.
== Welche wichtigen Legierungen gibt es?
Eine Legierung ist eine Mischung aus zwei Metallen.
Eine gute Legierung hat bessere Eigenschaften als die beiden Metalle, aus denen sie gemischt ist.
Deswegen mischt man Metalle zu Legierungen zusammen.
Bronze ist eine Legierung aus viel Kupfer und wenig Zinn.
Sie rostet nicht und wird heute vor allem zum Gießen von Glocken sowie für Statuen und andere Kunstwerke verwendet.
Bronze war vor etwa 4.000 Jahren so wichtig, dass man die ganze Epoche nach ihr benannt hat: die Bronzezeit.
Messing ist eine Legierung aus viel Kupfer und wenig Zink.
Messing ist weicher als Bronze, rostet aber ebenfalls nicht.
Deshalb lassen sich daraus auch Schrauben und Muttern anfertigen.
Aus Messing sind die Zwischenstücke der Trinkwasserrohre wenn es darum geht, eine Leitung auf viele Leitungen zu verteilen.
Es gibt auch heute noch edle Türklinken, Türschilder, Kerzenständer und so weiter aus poliertem Messing.
Sie sehen fast aus wie aus Gold.
Chromstahl ist eine Mischung aus viel Stahl und wenig Chrom.
Er ist fast so stark wie normaler Stahl.
Chromstahl hat aber den zusätzlichen Vorteil, dass er nicht rostet, und er lässt sich sehr fein polieren.
Die meisten Essbestecke werden heute aus Chromstahl hergestellt.
Ebenso die Messer und übrigen Werkzeuge, welche die Chirurgen oder Zahnärzte brauchen.
Auch immer mehr Handläufe an Geländern sind aus Chromstahl.