Wenn du an Metall denkst, was kommt dir direkt in den Kopf – vielleicht ein hartes Stück Metall mit einer glänzenden Oberfläche in gold-, silber- oder kupferfarben? Sicherlich denkst du auch daran, dass sie gut Strom und Wärme leiten, verformbar sind und meist hart. Es gibt aber auch Metalle wie Lithium, die so weich sind, dass du sie mit dem Messer schneiden kannst. Die eben genannten Eigenschaften haben Metalle meist in ihrem elementaren Zustand. In der Natur kommen Metalle allerdings hauptsächlich in Verbindungen vor. In Verbindungen sind Metall-Ionen Verwandlungskünstler und haben so viele tolle Eigenschaften, die wir uns in unserem Alltag zu Nutze machen. Vier wichtige Metalle aus deinem Alltag sind Kupfer, Eisen, Aluminium und Lithium. Wir zeigen dir in diesem Artikel, dass diese vier Metalle noch viel mehr können, als du denkst.
Kupfer
Kupfer ist fast überall in deiner Umgebung, wo elektrischer Strom fließt. Es ist nach Silber der beste Leiter für elektrische Energie. Das heißt, dass im Vergleich zu schlechteren Leitern weniger Masse des Kupfers benötigt wird, um schnellstmöglich eine bestimmte Menge elektrischer Energie zu transportieren (Abb. 1.1). Zu den Eigenschaften des Kupfers, die dessen Leitfähigkeit begünstigen, gehören z. B. dessen hohe Dichte von $\ce{8,96 g/m^3}$ und dass Kupfer ein weiches Metall ist. Die Streuung von Elektronen bei thermischen Schwingungen ist für den spezifischen Widerstand verantwortlich. Bei weichen Metallen ist diese Streuung relativ schwach. Je weniger Widerstand die Elektronen beim Wandern durch das Metall haben, desto schneller fließt der Strom.
Als reines Metall ist dir Kupfer durch dessen rötlich metallische Farbe z. B. von den 1- bis 5-Cent-Münzen oder auch frisch verlegten Kupferdächern bekannt. Sobald die Münzen allerdings schon ein wenig im Umlauf waren und die Kupferdächer eine Weile dem Wetter ausgesetzt waren, kannst du Farbveränderungen feststellen (Abb. 1.2). Das beruht auf Reaktionen des Kupfers mit dem Sauerstoff in der Luft zu Kupfer(I)-Oxid ($\ce{Cu2O}$, rotbraun) und bei feuchter Umgebung mit dem Wasser dann zu Kupfer(II)-Hydroxid ($\ce{Cu(OH)2}$, grünblau). Kupfer kann viele verschiedene Verbindungen mit anderen Elementen eingehen. Die Stoffe, die dabei entstehen, haben die unterschiedlichsten Eigenschaften und bilden eine ganze Farbpallette ab.
Wie du eben merken konntest, werden bei den Kupferverbindungen immer römische Zahlen zu dem Kupfer dazugeschrieben. Das liegt daran, dass Kupfer in den Verbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen von 0 bis +IV vorkommt. Mit am häufigsten und am stabilsten in wässrigen Lösungen ist das Kupfer-Ion mit der Oxidationsstufe +II. Wie beim Kupfer(II)-Hydroxid weisen die Kupfer(II)-Salze meist die Farben blau und grün auf.
Kupfer-Ionen in wässriger Lösung sind für Mikroorganismen giftig. Deswegen sind Wasserleitungen häufig aus Kupfer, allerdings keine Trinkwasserleitungen (Abb. 1.3). Wenn das Wasser durch die Leitungen fließt bzw. vor allem, wenn das Wasser in den Leitungen für eine bestimmte Zeit steht, können sich Kupfer-Ionen in dem Wasser lösen. Die Kupfer-Ionen wirken dann zwar antibakteriell, aber wir sollten sie besser nicht über das Trinkwasser in unseren Körper aufnehmen.
Eisen
Wusstest du, dass über 90 % des Metalls, welches wir auf der Welt nutzen, Eisen ist? Eisen wird in großen Mengen zu Stahl produziert, weil dieser eine gute Beständigkeit hat und vielseitig einsetzbar ist. Stahl besteht zu 2 % aus Kohlenstoff und zum restlichen Anteil aus Eisen. Du findest Stahl vor allem im Maschinenbau, ganze Kräne sind aus Stahl, im Fahrzeug- und Schiffbau. Brücken sind meist aus Stahl und teilweise werden sie von starken Stahldrähten gehalten. Was du nicht sehen kannst, aber vielleicht mal auf einer Baustelle beobachtet hast, sind die Stahlstangen (Bewehrung), die in Betonwänden und -decken von Gebäuden verbaut werden (Abb. 2.1). Ohne die Stahlstangen könnte der Beton brechen.
Magnete aus Eisen sind dir auch bekannt. Ist es nicht erstaunlich, dass durch das Phänomen des Megnetisierens ein Magnet bestimmte Metalle (Eisen, Kobalt, Nickel) anzieht (Abb. 2.2)? Reines Eisen ist ferromagnetisch. Das bedeutet, dass es von einem Magneten angezogen wird. Eisen selber ist aber kein Magnet und kann auch keine anderen Metalle anziehen. Der Stoff, der tatsächlich magnetische Eigenschaften besitzt, ist Magnetit (auch Magneteisen genannt, $\ce{Fe3O4}$). Die Strukturformel des Magnetits ist $\ce{O=Fe-O-Fe-O-Fe=O}$. Die Eisenatome liegen in der Verbindung in den Oxidationsstufen +II und +III vor. Daher heißt die Verbindung Eisen(II,III)-Oxid. Mehr dazu, was bei der Magnetisierung mit den Eisen-Atomen passiert, findest du bei LEIFIphysik Ferromagnetismus.
Die metallischen Eigenschaften des Eisens kannst du nicht immer beobachten, wenn Eisen vorhanden ist. In Verbindungen können die Eisen-Ionen in den Oxidationsstufen von -II bis +VI vorkommen. Eisen(II)-Verbindungen haben meist eine grünliche Farbe. Die Eisen(III)-Verbindungen werden als gelbe, rote und braune Farbpigmente verwendet. Vielleicht hast du schon einmal von rotem Wüstensand oder den berühmten roten Gesteinslandschaften in Australien und den USA gehört. Bei diesen Gesteinsgemischen sind Eisen(III)-Oxide enthalten (Abb. 2.3). Du kennst noch eine typisch rote Eisen-Verbindung: dein Blut. Das Eisen ist im Blut Teil der Eiweißverbindung deines Hämoglobins. Durch die Eigenschaften der Eisen-Verbindung ist dein Blut rot. Zudem sind die Eisen-Ionen dafür verantwortlich, dass Sauerstoff-Ionen durch deinen Körper transportiert werden. Deswegen schmeckt dein Blut auch leicht nach Eisen.
Aluminium
Kannst du dir vorstellen, dass Aluminium 1825 noch einen höheren Preis als Gold hatte? Dabei wissen wir jetzt, dass es das dritthäufigste Element der Erdkruste ist. Unvorstellbar, auch wenn du bedenkst, wie viele Produkte aus Aluminium du täglich verwendest. Viele Haushaltsgegenstände, Halterungsrahmen, Fahrradrahmen usw. sind aus Aluminium, weil dieses Metall standhaft und dabei auch noch sehr leicht ist (Abb. 3.1). Deswegen wird Aluminium auch vielseitig in der Flugzeugindustrie eingesetzt. Als Passagier kannst du den leichten Aluminiumkoffer mehr befüllen als den schweren Koffer, um noch im erlaubten Gewicht zu bleiben. Zudem kennst du die Getränkedosen aus dem Supermarkt. Sie bestehen ebenfalls aus Aluminium und werden auch recycelt. Aus dem recycelten Aluminium können dann wieder neue Getränkedosen oder andere Produkte hergestellt werden.
Auch Deo kannst du in Aluminiumdosen kaufen. Manche Firmen schreiben auf die Deodosen, dass dort 0 % Aluminium enthalten ist. Ist dann in den anderen Deos etwa Aluminiumpulver? Natürlich ist in den Deos kein Metallpulver enthalten. Wenn es keine Hinweise darauf gibt, dass auf Aluminium verzichtet wurde, kann es sein, dass in einem Deo ein Aluminiumsalz enthalten ist. Dieses Aluminiumsalz ist Aluminiumchlorid ($\ce{ACH}$, $\ce{AlCl3 * 6 H2O}$). Dann ist also nur das Element Aluminium in einer Verbindung enthalten. Diese Verbindung ist ein eigener Stoff und hat andere Eigenschaften als das Metall Aluminium.
Wusstest du, dass Aluminium als Leiter für elektrische Energie in Konkurrenz zu Kupfer steht? Aluminium hat nach Silber, Kupfer und Gold die viertbeste Leitfähigkeit der Metalle. Auf das Volumen bezogen, brauchen wir vom Aluminium Kabel mit einem größeren Querschnitt als vom Kupfer. Dahingegen hat Aluminium aber eine geringere Masse (ist leichter) und ist günstiger als Kupfer. Wenn also besonders dünne Kabel benötigt werden, wird Kupfer verwendet. Ist die geringe Masse entscheidend und das größere Volumen nicht wichtig, wird eher Aluminium verwendet. Aluminiumkabel findest du zum Beispiel bei den Leitungen der Strommäste (Abb. 3.2).
Lithium
Was wäre unsere Welt ohne Lithium? Wir hätten immer noch , wie in den 90er Jahren, Handys,die nicht in die Hosentasche passen. Vielleicht gäbe es keine Elektroautos und Notebooks (Abb. 9). Lithium ist ein Metall, welches aus unserem Alltag gar nicht wegzudenken ist.
Elementares Lithium (der Reinstoff) ist, anders als viele andere Metalle aus deinem Alltag, sehr weich, sodass du es mit dem Messer schneiden kannst. Es sieht silbrig glänzend aus, aber diesen Glanz siehst du nur an einer frischen Schneidekante des Lithiums. Anderenfalls sieht es eher grau und matt aus, da es an der Luft mit dem Sauerstoff oxidiert. Gibst du ein kleines Stück Lithium in Wasser, findet eine heftige Reaktion Wassers statt.
Unser Bedarf an Lithium ist riesig und wächst mit fortschreitender Technologieentwicklung. Die wachsende Nachfrage resultiert unter anderem von der wachsenden Nachfrage an Elektroautos. Es gibt mindestens zwei Vorteile, warum Lithium in Akkus für Elektroautos, aber auch andere elektronische Geräte verbaut wird. Ein Vorteil ist, dass Lithium eine geringe Masse hat, also sehr leicht ist. Zudem haben Lithium-Ionen-Akkus eine hohe Energiedichte. Das bedeutet, dass diese Akkus eine hohe Spannung erzeugen. Zwischen Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Batterien (z.B. Knopfzellen) gibt es bedeutende Unterschiede. Die Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus unterschiedlichen Lithium-Verbindungen (Abb. 10). Das Lithium ist in ihnen als Ion vorhanden, welches die elektrische Ladung durch den Akku transportieren kann. Je nachdem ob das Elektroauto gerade fährt und elektrische Energie benötigt oder das Elektroauto gerade geladen wird, finden mit den Lithium-Ionen unterschiedliche Redoxreaktionen statt.
Abb. 5 Wie funktioniert ein Lithium-Ionen Akkumulator?
In Lithium-Batterien ist elementares Lithium enthalten (links in dem Deckel der Knopfbatterie von Abb. 6), welches den Minuspol der Batterie bildet. Am Pluspol werden unterschiedliche Stoffe (z. B. Mangandioxid) eingesetzt. Zwischen Plus- und Minuspol befindet sich der Elektrolyt, eine in diesem Fall wasserfreie Flüssigkeit, da das Lithium sonst heftig damit reagieren würde. Der Elektrolyt ist wichtig, da die Ionen, die an den Polen entstehen, dadurch wandern können. Weitere Informationen zu diesen Vorgängen und Reaktionen findest du unter Elektrolyse und Redoxreaktionen.