Schwermetalle richten Schäden an und Leichtmetalle sind gar nicht so schlimm. Vielleicht hast du von solchen Aussagen schon mal gehört. Das Problem ist, dass Leicht- und Schwermetalle nicht einfach gut und schlecht sind. Es kommt viel mehr auf die Konzentration (Menge) und Verbindungen an, in der sie vorkommen. Bevor wir uns näher mit den unterschiedlichen Eigenschaften auseinandersetzen, klären wir, was Leicht- und Schwermetalle sind und wie sie sich unterscheiden lassen.
Warum wir Metalle in Leicht- und Schwermetalle einteilen
In der Stofflehre gibt es einige Kategorien, anhand derer wir unterschiedliche Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften zusammenfassen können. Diese Einteilung hilft dabei, dass wir mit einem Begriff genau wissen, was die einen Stoffe von anderen unterscheiden. Zum Beispiel unterscheiden wir in Metalle und Nichtmetalle. Die Metalle können wir dann wiederrum nach ihrem Schmelzpunkt in niedrig (\(\ce{< 600 °C}\) ), mittel (\(\ce{600 °C - 1100 °C}\) ) und hoch schmelzende (\(\ce{>1100 °C}\) ) Metalle unterteilen. Wir unterscheiden die Metalle auch nach ihrem Reaktionsverhalten in edle (schwer oxidierbar) und unedle (leicht oxidierbar) Metalle.
Die Einteilung in Leicht- und Schwermetalle ist eine weitere Möglichkeit, die Metalle voneinander zu unterscheiden. Hier ist die Dichte maßgeblich. Vergleichen wir einmal die Verwendung von Aluminium und Eisen: Stelle dir einen Würfel vor, der an allen Seiten \(\ce{10\,cm}\) lang ist. Dieser Würfel aus Aluminium wiegt \(\ce{2,7\,kg}\). Ein gleichgroßer Würfel aus Eisen wiegt \(\ce{7,43\,kg}\), was deutlich schwerer ist. Deswegen wird z. B. in der Flugzeugindustrie eher Aluminium als Leichtmetall, anstatt Eisen als Schwermetall eingesetzt.
Was sind Leicht- und Schwermetalle?
Wenn du an leicht und schwer denkst, würde es Sinn machen, dass die Atome der Leichtmetalle eine geringere Masse im Vergleich zu den Atomen der Schwermetalle besitzen. Tatsächlich gibt es unterschiedliche Definitionen für Leicht- und Schwermetalle. Wir definieren die Leicht- und Schwermetalle allerdings über die Dichte, die ihre Atomverbände haben. Als gängige Vorgehensweise werden nicht die einzelnen Atome betrachtet, sondern die Metalle als Stoffe mit ihren Stoffeigenschaften.
Leichtmetalle haben eine Dichte von $\ce{\rho < 5\frac{g}{cm^3}}$
Schwermetalle haben eine Dichte von $\ce{\rho \geq 5\frac{g}{cm^3}}$
Die meisten Elemente des Periodensystems gehören zu den Metallen. In Abbildung 1 siehst du, welche Elemente als Atomverband eine geringere Dichte als $\ce{5\frac{g}{cm^3}}$ aufweisen und deshalb Leichtmetalle genannt werden (gelb). Die Mehrheit der Elemente der Metalle sind Schwermetalle und besitzen eine Dichte von mindestens $\ce{5\frac{g}{cm^3}}$ (blau).
Wir unterscheiden nicht nur die Metalle als Reinstoffe in Leicht- und Schwermetalle, sondern auch die Legierungen. Legierungen sind Gemische der Metalle. Messing besteht z. B. aus den beiden Metallen Kupfer und Zink. Bronze besteht aus Kupfer und Zinn. Hier gilt ebenfalls die Regel der Dichte. Beide Legierungen haben eine Dichte von maximal $\ce{8,73\frac{g}{cm^3}}$ und gehören somit zu den Schwermetallen.
Leichtmetalle sind gut und Schwermetalle schlecht - stimmt das?
Unser Körper braucht verschiedene Verbindungen der Leicht- und Schwermetalle für unterschiedliche Funktionen (z. B. Magnesium zum Aufbau von Muskeln und Knochen, Eisen zum Sauerstofftransport im Blut). Solange die Elemente der Metalle bzw. ihre Verbindungen solche Funktionen haben, nennen wir sie Spurenelemente. Sie heißen so, weil sie nur in sehr geringen Mengen vorkommen. Auf die Konzentration (Dosis) kommt es nämlich an. Das hat auch schon der bekannte Arzt und Wissenschaftler Theophrastus Bombast von Hohenheim (genannt Paracelsus) beschrieben: „All Ding’ sind Gift und nichts ohn’ Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist.“
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Aluminium, Magnesium, Titan und Lithium sind Leichtmetalle, die vielseitig genutzt werden. Aluminium wird beispielsweise in der Flugzeugindustrie eingesetzt (Abb. 2) und teilweise in Überlandleitungen. Durch die geringere Dichte als das Schwermetall Kupfer ist Aluminium zwar leichter, aber leitet auch weniger gut elektrische Energie. Deswegen werden Kabel mit einem höheren Durchmesser benötigt.
Magnesium wird ähnlich wie Kupfer in Flugzeugen und Fahrzeugen wegen der geringen Dichte und aufgrund dessen auch der geringen Masse eingesetzt, wenn gleiche Bauteile beispielsweise aus Kunststoff hergestellt werden würden.
Lithium treibt vor allem die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voran. Durch dessen geringer Dichte und Effektivität in der Erzeugung elektrischer Energie, wird Lithium vorrangig in Akkus eingesetzt. Diese Akkus finden sich auch in Smartphones und Notebooks wieder.
Insgesamt können Leichtmetalle wie die Alkali- und Erdalkalimetalle (1. und 2. Hauptgruppe) auch leicht entzündbar sein. Beim Löschen von Bränden darf dabei kein Wasser verwendet werden, weil die Reaktionen noch mehr angetrieben und die Brände gefördert werden.
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Erst wenn bestimmte Verbindungen der Schwermetalle eine giftige Wirkung haben, betonen wir sie als Schwermetalle. Während Chrom im elementaren Zustand ungiftig ist, sind Chrom(VI)-Verbindungen krebserregend. Spuren von Blei können die Funktion des Nervensystems beeinträchtigen usw. Schwermetalle gelangen unter anderem über die Industrie und den Autoverkehr sowie über Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft in die Umwelt und in unseren Nahrungskreislauf.
Ein weiteres Diskussionsthema ist die Verwendung von Amalgam in Zahnfüllungen (Abb. 3). Mittlerweile werden häufig Kunststofffüllungen verwendet, die auch die Farbe der Zähne haben. Amalgamfüllungen sind silbrig und bestehen aus einer Legierung von Kupfer, Zinn, Silber und Quecksilber. Reines Quecksilber ist hochgiftig. Es ist deshalb umstritten, ob die geringen Mengen von Quecksilber im Amalgam schädlich für den Körper sind oder nicht. Ein weiterer Grund dafür, Amalgam nicht mehr zu verwenden, liegt im Umweltschutz. Amalgam ist nämlich nicht abbaubar und stellt eine Belastung für die Natur dar.