Legierungen (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen. Der größte Teil des Periodensystems der Elemente besteht aus Metallen, die wir auf vielen Gebieten nutzen. Trotzdem ist der Mensch mit den Ergebnissen unzufrieden. Warum eigentlich? Man hätte gerne bessere Eigenschaften. Manchmal wünscht man sich eine größere Härte. In anderen Fällen hätte man gerne, dass die Metalle korrosionsbeständig sind. Daher stellt man Gemische aus Metallen her, sogenannte Legierungen. Dieses Video ist für den Leistungskurs gedacht. Die Eigenschaften der Legierungen sollen die Menschen zufriedenstellen. Was sind Legierungen? Legierungen sind homogene, meist feste Gemische, bestehend aus einem Metall und mindestens aus einem weiteren Metall, Halbmetall oder Nichtmetall. Für eine Legierung kann man praktisch jedes Metall verwenden. Zum Beispiel Kupfer, Blei oder Aluminium. Unter welchen Bedingungen bilden sich Legierungen? Vier Voraussetzungen sollten erfüllt sein. 1. Die Kristallgitter sollten gleich sein. 2. Die Gitterkonstanten sollten sich um nicht mehr als 15 % unterscheiden. 3. Es sollte eine Ähnlichkeit in den Eigenschaften vorhanden sein. 4. Die Elektronegativitäten sollten übereinstimmen. Ich habe exemplarisch 7 Metalle ausgewählt, die ich in bestimmten Eigenschaften hinsichtlich der Legierbarkeit miteinander vergleichen möchte. Es sind Blei, Kupfer, Nickel, Eisen, Chrom, Silber, Gold. In der ersten Spalte trage ich die Art des Kristallgitters ein. In der zweiten Spalte werde ich die Gitterkonstanten eintragen. In der dritten Spalte stehen die Dichten in g/cm³. In der 5. Spalte habe ich die Härten erfasst, nach Moos. Sie sollen drittens, die Ähnlichkeit verdeutlichen. In der vierten Spalte trage ich die Elektronegativitäten ein. Unter Gitter steht entweder kfz, kubischflächenzentriertes Gitter, oder krz, kubischraumkonzentriertes Gitter. Bis auf Eisen und Chrom weisen alle betrachteten Metalle kubischflächenzentrierte Gitter auf. Die Gitterkonstanten liegen in einem Bereich von etwa 3 - 4. Nur für Blei, in der ersten Zeile, fällt der Wert mit 4 95 heraus. Bei den betrachteten Metallen handelt es sich ausschließlich um Schwermetalle. Die Dichten überstreichen einem Bereich von knapp unter 10 bis knapp über 10. Nur Gold in der letzten Zeile mit 19, 3 fällt heraus. Eine gute Übereinstimmung gibt es bei den Elektronegativitäten. Sie liegen etwas unter 2. Nur bei Blei in der ersten Zeile und Gold in der letzten Zeile sind sie etwas höher. Die Härten sind relativ gering. Nur Chrom zeigt einen hohen Wert von 8, 5. Wir wollen nun Metallpaare auswählen, und uns überlegen, ob sie unbegrenzt legierbar sein könnten. Zunächst nehmen wir Kupfer und Nickel. In beiden Fällen haben wir kubischflächenzentrierte Gitter. Bei den Dichten gibt es eine exzellente Übereinstimmung. Genauso bei den Elektronegativitäten. Bei den Gitterkonstanten GK und bei den  Härten ist die Übereinstimmung nur ungefähr. Im Ergebnis lässt sich feststellen, das Kupfer und Nickel unbegrenzt miteinander legierbar sein sollten. Tatsächlich kann man Kupfer und Nickel in jedem Mischungsverhältnis miteinander legieren. Betrachten wir nun die Möglichkeit einer Legierung aus Gold und Silber. Gold in der letzten Zeile und Silber in der vorletzten Zeile haben gleiche Kristallgitter. Die Übereinstimmung bei den Gitterkonstanten ist perfekt. Auch die Härten stimmen exakt überein. Bei den Elektronegativitäten finden wir nur eine ungefähre Übereinstimmung. Die Dichten hingegen unterscheiden sich fast um den Faktor 2. Mit Ausnahme der Dichten gibt es exzellente Übereinstimmungen zwischen den einzelnen Parametern. Daraus können wir schlussfolgern, dass es eine Legierung aus Gold und Silber gibt. Betrachten wir nun das Metallpaar Gold/Kupfer. Beide Metalle verfügen über ein kubischflächenzentriertes Gitter. Bei der Härte finden wir eine gute Übereinstimmung. Die Elektronegativitäten sind ungefähr gleich. Stark unterscheiden sich hingegen die Dichten, um einen Faktor von mehr als 2. Die Gitterkonstanten GK zeigen nicht die geforderte Übereinstimmung. Es sprechen mehr Merkmale dafür als dagegen. Die Legierung sollte existent sein. Betrachten wir nun die Legierung aus Eisen und Nickel. Das Kristallgitter ist in beiden Fällen verschieden. Die Elektronegativitäten hingegen in der vorletzten Spalte und die Härten in der letzten Spalte stimmen überein. Auch bei den Dichten liegt noch eine Übereinstimmung vor. Die Gitterkonstanten hingegen differieren zu stark. Ich schreibe hinter die Legierung ein Häkchen in Klammern. Denn den eindeutigen Beweis konnten wir nicht antreten. Sie ist aber in Wirklichkeit existent. Betrachten wir nun die Legierung aus Eisen und Chrom. Beide Metalle haben ein kubischraumzentriertes Gitter. Auch bei den Gitterkonstanten und auch bei den Dichten gibt es große Übereinstimmungen. Genauso verhält es sich bei den Elektronegativitäten. Allein die Härten zeigen eine große Differenz. Man kann hier sagen, dass diese Legierung offensichtlich existent ist. Und so verhält es sich auch. Zum Abschluss betrachten wir die Legierung aus Blei und Eisen. Die Kristallgitter unterscheiden sich hier. Groß ist auch der Unterschied in den Gitterkonstanten. Der Unterschied in den Dichten ist ebenfalls groß. Allein die Elektronegativitäten zeigen eine ungefähre Übereinstimmung. Die Härten hingegen sind wieder verschieden. Somit müssen wir zum Schluss kommen, dass die Legierung aus Eisen und Blei nicht existiert und es verhält sich in Wirklichkeit auch so. Nach diesem Theoriemarathon sollten wir uns mit den wichtigsten Legierungen eine kleine Erbauung gönnen. Bronze stellt man seit der Bronzezeit her. Sie ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Zur Herstellung von Messing werden Kupfer und Zink legiert. Gusseisen ist Eisen mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Stahl hat einen Kohlenstoffanteil von weniger als 2 %. Tombak ist praktisch gesehen, Messing mit einem hohen Kupferanteil. Das Sterlingsilber enthält über 90 % Silber. Der Rest ist Kupfer. Im Neusilber gibt es keinerlei Silber, nur Kupfer, Nickel und Zink. Die US-amerikanische 5 Centmünze, der Nickel, erhielt seinen Namen von Kupfernickel. Dort ist Kupfer in größerer Menge als Nickel enthalten. Fassen wir zusammen. 1. Legierungen verbessern die Eigenschaften von Metallen. 2. Nicht alle Metalle sind miteinander legierbar. 3. Die Legierbarkeit ist nur begrenzt vorhersehbar. Ich hoffe, ihr hattet etwas Spaß, auf Wiedersehen.