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Gediegen

Gediegen

Als gediegen bezeichnet man das Vorkommen von reinen oder bei Metallen auch legierten chemischen Elementen in der Natur. Die bekanntesten Beispiele sind Edelmetalle (v.a. Gold), Schwefel und Kohlenstoff als Graphit. Bei den Luftbestandteilen Sauerstoff, Stickstoff und den Edelgasen ist der Ausdruck ungebräuchlich, obwohl auch sie als reines Element auftreten. Kategorie:Geologie Kategorie:Chemie

Metall

] Metalle sind die größte Gruppe der chemischen Elemente, etwa 80 % der Elemente sind Metalle. Sie sind im allgemeinen gute elektrische Leiter. Im Periodensystem der Elemente sind sie nicht bestimmten Reihen oder Perioden zugeordnet, vielmehr befinden sie sich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Polonium. Oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle.

Metalle in der Chemie

Grundsätzliches

Metallatome sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- Die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale ist gering und kleiner als die Koordinationszahl
- Die Ionisierungsenergie ist klein (< etwa 10 eV) Daraus ergibt sich, dass Metallatome sich nicht wie viele Nichtmetalle über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen solche Atombindungen vor, z. B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na2-Molekülen. Metalle ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, in dem die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind, man spricht auch von einem Elektronengas. In dem Elektronengas ordnen sich die positiv geladenen Atomrümpfe. Eine exaktere Betrachtung unter Berücksichtigung des Orbitalmodells liefert das Energiebändermodell. 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.

Eigenschaften

Aus der Bindungsart und dem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
- Undurchsichtigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen (dadurch, dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie viele Wellenlängen absorbieren und haben deshalb eine grau bis schwarze Farbe)
- Glanz, bedingt durch leicht verschiebbare Elektronen an der Oberfläche (dadurch dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie die ganze zuvor aufgenommene Energie wieder emittieren. So entsteht der Glanz)
- Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metallgitter befinden sich Versetzungen, die sich schon bei einer Spannung unterhalb der Trennspannung bewegen können; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall eher, als dass es bricht
- Hoher Schmelzpunkt durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte
- Gute Elektrische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen
- Gute Thermische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen ----

Schmelz- und Siedetemperaturen

Die folgende Tabelle zeigt die Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Metalle (in °C bei Normaldruck):

Wärmeleiteigenschaften

Die für die Wärmeleitung relevaten 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. Weitere Werte.

Einteilung

Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle, nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle. Daneben ist gerade für das chemische Verhalten die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend. Siehe auch: Refraktärmetalle

Für technisch verwendete Metalle

Die technisch verwendete Metalle werden entsprechend ihrem Basismetall und nach dem Verwendungszweck unterteilt:
- Metalle
  - Eisenwerkstoffe
    - Stahl (unlegiert, niedriglegiert, hochlegiert)
    - Gusseisen (Grauguss, Stahlguss, Temperguss)
  - Nichteisenmetalle
    - Reinmetalle
      - Edelmetalle
      - Schwermetalle (ρ ≥ 4,5 g/cm3)
      - Leichtmetalle (ρ < 4,5 g/cm3)
    - Nichteisen-Legierungen
      - Knetlegierungen
      - Gusslegierungen ----

Vorkommen

Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen, da es das physikalisch stabilste Element ist. 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, so dass sich ein Abbau lohnt. Gesteine, die klassische Werkmetalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werden Erze genannt. Zu den wichtigsten Erzen gehören:
- Oxide
- Sulfide
- Carbonate Andere Metallverbindungen wie Kochsalz oder Kalk werden dagegen nicht als Erze bezeichnet. Manche Edelmetalle, v. a. Gold, kommen auch gediegen, d. h. in reiner Form und nicht als Verbindung/Erz vor.

Verbindungen

Die Verbindungen oder auch Lösungen von verschiedenen Metallen heißen Legierungen. Diese haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem die Härte ist teilweise um Größenordnungen höher. Ebenso ist vielfach die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöht. Reine Metalle werden praktisch nicht verwendet, außer bei der Herstellung elektrischer Leitungen, da reine Metalle die größte Leitfähigkeit besitzen. Hier werden unlegierte Metalle verwendet, vor allem Kupfer und Aluminium. Mit vielen Nichtmetallen werden Ionenverbindungen eingegangen, wobei aber gerade bei Übergangsmetallen und bei größeren Anionen (wie dem Sulfid-Ion) 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, deren Stabilität nicht allein durch die elektrostatische Anziehung erklärt werden kann. Metalle in höheren Oxidationsstufen bilden auch Komplexanionen, z. B. löst sich Chromtrioxid CrO3 in Kalilauge unter Bildung des Chromat-Anions CrO42-: CrO3 + 2 KOH -> K2CrO4 + H2O

Verwendung

Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe. Unsere moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet. Die folgende Tabelle enthält die wichtigsten Metalle und Legierungsbestandteile, keine Verbindungen.
- Aluminium: bedeutendstes Leichtmetall
- Beryllium
- Bismut: Legierungen
- Blei: Legierungen, Bleiakkumulator, Lote, Korrosionsschutz, Gewicht
- Cadmium: Bestandteil von Akkumulatoren
- Chrom: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl, Chrom-Nickel-Stahl), Überzugsmetall
- Eisen: wichtigstes Werkmetall (Gusseisen, Stahl), viele Legierungen
- Gold: Schmuckmetall, Blattgold, Elektrotechnik, Wertanlage, Währungsabsicherung
- Iridium
- Kalium: legiert mit Natrium als Kühlmittel in Kernreaktoren
- Kobalt: Magnete
- Kupfer: Elektrotechnik (zweithöchste Leitfähigkeit nach Silber), Bronze, Messing
- Magnesium: für besonders leichte Werkstücke mit nicht allzuhohen Ansprüchen an die Festigkeit; Einweg-Blitzbirnen bzw. Blitzlichtpulver
- Mangan: Legierungsbestandteil (Manganstahl)
- Molybdän: Legierungsbestandteil (Molybdän-Stahl) zur Erhöhung der Warmfestigkeit
- Natrium: legiert mit Kalium als Kühlmittel in Kernreaktoren
- Nickel: Legierungen (Nickel-Eisen, Nickel-Chrom, Nickel-Kupfer etc.), Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl, Chrom-Nickel-Stahl), Magnete
- Osmium: legiert mit Wolfram in Glühlampen
- Palladium: Katalyse, Wasserstoffspeicherung
- Platin: Schmuckmetall, Katalyse, Wertvollstes Metall
- Quecksilber: Thermometer
- Rhodium: Schmuckmetall
- Ruthenium
- Silber: Schmuckmetall, Fotografie
- Tantal: Kondensatoren
- Titan: für Leichtbauweise ohne Rücksicht auf die hohen Kosten, Schmuck
- Uran: Kernreaktoren, Radioaktivität
- Vanadium: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl) für wärmfeste Stähle, Katalysator zur Synthetisierung von Schwefelsäure (Vanadium-V-Oxid)
- Wolfram: Glühlampen (höchster Schmelzpunkt aller Metalle), Spezialstähle, Wolframcarbid
- Zink: Legierungsbestandteil (Messing), Zinkdruckgussteile (Zamak-Legierung), Verzinkung von Stahlteile (Feuerverzinkung, Bandverzinken, ..)
- Zinn: Legierungsbestandteil (Bronze), Lote (Lötzinn), Weißblech, Zinnfiguren
- Zirkonium: Lamdasonde im Auto (Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas)

Metalle in der Astronomie

In der Astronomie bezeichnet Metall jedes chemische Element mit einer Ordnungszahl höher als Helium. Diese Unterscheidung ist sinnvoll, da Wasserstoff und Helium zusammen mit einigen Spuren von Lithium die einzigen Elemente sind, welche im Universum auftreten, ohne ein Produkt der Kernfusion innerhalb von Sternen zu sein. Die Metallizität von Objekten des Weltraums kann daher als Indikator für seine stellare Aktivität aufgefasst werden.

Metall in der Chinesischen Philosophie

Metall bezeichnet ein Element der traditionellen Fünf-Elemente-Lehre.

Siehe auch


- Metallurgie
- Metallgitter – Metallbindung
- Halbmetall – Nichtmetall
- Periodensystem
- Festkörper

Weblinks


- Animationen der Atome von Metallen und Nichtmetallen: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html ! Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Metallurgie ja:金属 ko:금속 simple:Metal th:โลหะ

Legierung

In der Metallurgie ist eine Legierung eine feste Lösung von zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist und die einen metallischen Charakter hat. Die Legierungselemente werden dem Basismetall im schmelzflüssigen Zustand mit der Absicht zugefügt, die Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosionsbeständigkeit) auf die gewünschte Weise zu ändern. Im Gegensatz dazu stehen die Fremdstoffe. Legierungselemente und Basismetall werden auch Komponenten einer Legierung genannt. Siehe auch Liste der Legierungselemente.

Wortherkunft

Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammen - binden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen.

Einteilung

Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen.
- Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen natürlich nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften.
- Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
- Nichteisen-Legierungen (NE-Legierungen; Beispiel Bronze, Messing, Amalgame) sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen ohne Eisen.
- Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können.
- Heuslersche Legierungen sind magnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Ni2MnGa, Cu2AlMn).
- Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zur ihrer Ursprungsform zurückkehren.
- Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver) entstandenen Werkstücke. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Geschichte

Wolfram Kupfer ist eines der ersten vom Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 - 10000 Jahren per Zufall in besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt, wo es in reiner Form aus kupferhaltigen Gesteinen austreten kann. Auch Zinn wurde früh entdeckt, vor ca. 5000 Jahren. Von der Entdeckung dieser beiden Metalle bis zur Herstellung erster Legierungen (CuSn = Bronze) daraus war es dann nur noch ein kurzer Weg, was einer ganzen Kulturepoche (Bronzezeit) ihren Namen gab. Waffen, Gebrauchsgegenstände und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt. Bronzezeit Zinkerz (Zinkcarbonat, ein Zinksalz) ist seit der Bronzezeit bekannt und wurde in der Antike mit Kupfer zu Messing (CuZn) legiert. Bereits etwa 3000 vor Christus wurde es in Babylon und Assyrien verwendet, in Palästina etwa 1400 - 1000 vor Christus. Messing fand vor allem als Münzlegierung Verwendung. Eisen-Legierungen wurden bereits in der Antike verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (Fe-Ni) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 vor Christus entstanden. Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet. Siehe auch Eisenzeit.

Legierungsformel

Um eine Legierung zu beschreiben, gibt man üblicherweise die prozentualen Massenanteile ihrer Komponenten an. Die Legierung CuZn 37 (frühere Bezeichnung Messing 63) besteht zum Beispiel aus 37% Zink und 63% Kupfer, d.h. in 100 kg CuZn 37 sind 37 kg Zink und 63 kg Kupfer enthalten. Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe geregelt.

Zustandsschaubild (Zustandsdiagramm, Phasendiagramm)

Wie sich Legierungselemente innerhalb einer Legierung verhalten, hängt von mehreren Faktoren ab:
- Kristallsystem von Basismetall und Legierungselement
- Menge und Massenanteil der Legierungselemente
- Temperatur. Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der Thermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht. Für Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben:

Mischkristalle mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand

Es gibt zwei Möglichkeiten der Bildung von Mischkristallen (MK), Einlagerungs- und Substitutionsmischkristall. Typische Substitutions-MK-Bildner sind Eisen-Chrom, Eisen-Nickel, Gold-Kupfer, Gold-Siber und Kupfer-Nickel. Ein wichtiger Vertreter von Einlagerungs-MK ist Austenit (γ-Eisen-Kohlenstoff). Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand bilden kann, sind folgende Voraussetzungen nötig: #Beide Metalle müssen das gleiche Kristallsystem aufweisen (beispielsweise kubisch). #Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal etwa 15% unterscheiden. #Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben. #Die Elektronegativitätsdifferenz darf „nicht zu groß“ sein. Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so großer Ähnlichkeit der Legierungselemente immer das Kristallgitter verzerrt, da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen. Dadurch entstehen Spannungen; die Gleitebenen der Kristallite werden dabei behindert, Verformungen nachzugeben. Die Gitterverzerrung erhöht also die Härte. Ein beliebtes Beispiel für eine Legierung mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand ist das Zweistoffsystem Cu-Ni. Die Legierungen (Kurven 2-5) erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen (Kurven 1,6) nicht bei einer festen Temperatur, sondern in einem Haltebereich. Die Temperatur bleibt also nicht konstant, sondern sinkt langsam. Die Haltebereiche verschiedener Zusammensetzungen einer Legierung liegen jedoch immer zwischen den jeweiligen Erstarrungstemperaturen ihrer reinen Komponenten. Ursache dafür ist die „Behinderung“ der Kristallisation in einer Legierung durch Komponente A (Kurve 1), die, wenn sie könnte, bei noch tieferer Temperatur erstarren würde. Komponente B dagegen „drängt“ auf Erstarrung, die eigentlich schon eher hätte beginnen müssen. Diese Tatsache ist auch der Grund dafür, dass die während der Erstarrung entstehenden Kristalle ihr Mischungsverhältnis ändern und erst bei genügend langsamer Abkühlung (thermisches Gleichgewicht) bis zum Ende der Erstarrung das gewünschte Mischungsverhältnis durch Diffusion erreicht wird. Ablesen lassen sich diese Zusammensetzungen am Zustandsschaubild, indem man durch jeden beliebigen Punkt an der ausgewählten Legierung (Bild WL) eine Waagerechte zur Soliduslinie zieht. Bei der Temperatur TLi (Beginn der Erstarrung) besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von WMLi. Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lässt sich auf diese Weise ermitteln, indem man zum Beispiel bei Tm die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht. Die Schmelze hätte also an diesem Punkt die Zusammensetzung WSm und die Mischkristalle die Zusammensetzung WMm. Mit Hilfe des Zustandsschaubildes lässt sich auch berechnen, wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw. der Anteil an Mischkristallen ist:

Mischkristalle mit vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art sind zwar in der Schmelze ineinander gelöst, entmischen sich jedoch während der Kristallisation vollständig. Es entsteht ein Kristallgemisch der reinen Komponenten. (siehe Gefügeschliffbilder-Eutektikum) Auch bei getrennter Kristallbildung erstarren die Legierungen 2, 4 und 5 zunächst in einem Haltebereich. Gegen Ende der Erstarrung beschreiben die Temperaturkurven allerdings einen Haltepunkt ähnlich dem eines reinen Metalls. Legierung 3 erstarrt sogar ausschließlich in einem Haltepunkt. Der Grund für dieses Verhalten liegt in der starken, gegenseitigen Behinderung der beiden Komponenten, die sich während der Kristallisation entmischen, um Kristalle der eigenen Art bilden zu können. Das Maximum an gegenseitiger Störung liegt demnach bei Legierung 3, bei der sich im Erstarrungspunkt gleichzeitig Kristalle der Komponenten A und B bilden. Bedingt durch die anhaltende, gegenseitige Behinderung beim Entmischen und der tiefen Temperatur sind die Wege der Atome allerdings sehr klein und das Kristallgemisch daher sehr feinkörnig. Dieser Besonderheit wegen erhält Legierung 3 den Namen Eutektische Legierung (= Das Feine ; Das Wohlgebaute). Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechend Eutektikale genannt und die dazu gehörige Temperatur eutektische Temperatur (TEu). Ein herausragendes Beispiel für eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist die Wood'sche Legierung, deren Schmelzpunkt bei 70 °C liegt. Bei Legierungen, die entweder links (= untereutektisch) oder rechts (= übereutektisch) vom Eutektikum liegen, erstarren zunächst Primärkristalle der Komponente A bzw. Primärkristalle der Komponente B. Der Anteil an Primärkristallen in einer Legierung lässt sich mithilfe des Zustandsschaubildes errechnen. Die Berechnung setzt dabei am Punkt TEu an, also an der Stelle, an der die Legierung gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht:

Mischkristalle mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art können, wie der Titel schon andeutet, zwar Mischkristalle bilden, jedoch nicht in jeder Zusammensetzung. Im Gegensatz zu Legierungen mit vollkommener Löslichkeit unterscheiden sich hier die Atomgrößen stärker, was bedeutet, dass die Gitterverzerrungen ab einer gewissen Zusammensetzung unerträglich werden. Auch das Kristallsystem kann ein Hindernis sein, wenn sich die Legierungselemente im Kristallsystem zwar ähnlich, aber nicht gleich sind. So kann zum Beispiel jede Komponente in der Legierung Blei (kubisch-flächenzentriert) - Zinn (tetragonal-raumzentriert) mit der anderen in begrenztem Maße Austausch-Mischkristalle bilden. Typische MK-Bildner begrenzter Löslichkeit: Aluminium-Magnesium, Blei-Zinn, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Zink-Aluminium Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand heißt aber nicht nur, dass die eine Komponente beim Kristallisieren bis zu einem gewissen Prozentsatz Atome der anderen Komponente aufnehmen kann, sondern auch, dass die Löslichkeit bei sinkender Temperatur abnimmt. Da die Bewegungsenergie der Atome geringer wird, schrumpft natürlich auch entsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems, und es bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur TÜ beginnen, sich zu entmischen. Genau diese Eigenschaft - teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen - wird beim Härten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von der Ausscheidungshärtung. Legierung 1 erstarrt somit von TLi 1 bis TSol 1 zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A, genannt α-Kristalle. Bis TÜ bleibt der homogene Zustand erhalten. Die Mischkristalle sind gesättigt, was bedeutet, dass Komponente A bis zur, für diese Legierung, maximalen Löslichkeit die Komponente B aufgenommen hat. Bei TÜ wandern die Atome von B entsprechend der maximalen Löslichkeit für diese Temperatur zu den Korngrenzen und bilden dort Sekundär-Mischkristalle mit dem Kristallsystem von B, genannt β-Mischkristalle. Zum Ausgleich diffundieren entsprechend A-Atome ins Korninnere. Der Anteil der Sekundär-Mischkristalle lässt sich nach folgender Formel berechnen: Legierung 2 kristallisiert zunächst genau wie Legierung 1. Bei Erreichen der Eutektikalen erstarrt die Restschmelze jedoch in einem Haltepunkt und es bildet sich ein feinkörniges Gemisch aus α- und β-Mischkristallen, welches, wie bei getrennter Kristallbildung, Eutektikum genannt wird. Die zuvor entstandenen α-Mischkristalle entsprechen den Primärkristallen. Unterhalb der Eutektikalen scheiden auch bei dieser Legierung aus den Primär-α-Mischkristallen B-Atome aus. Um hier den Anteil der Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primär-Kristallen berechnen zu können, muss zuerst der Anteil an Primärkristallen an der Gesamtlegierung berechnet werden. Die Berechnung entspricht derjenigen bei getrennter Kristallisation. Anschließend wird der Anteil Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primärkristallen berechnet und mit dem Anteil der Primärkristalle multipliziert : Die Anteile der Sekundär-Kristalle im Eutektikum zu berechnen macht keinen Sinn, da sie hier keine neue Phase bilden. Es werden lediglich Atome, unter Erhaltung des Kristallsystems, umgruppiert. Weder im Gefügeschliffbild noch in den technischen Eigenschaften lassen sich deshalb Unterschiede feststellen.

Intermediäre Kristalle

Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, dass im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut ist und zudem sehr hart und spröde ist. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mit intermediärer Kristallbildung, deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt man intermetallische Verbindung oder auch Intermetallische Phase. Beispiele für intermediäre Kristallisation sind Al2Cu, Mg2Si, Cu4Sn, Fe3C (Zementit) und WC (Wolframkarbid). Die Kristallisationsformel gleicht der Formel für chemische Verbindungen, welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine völlig andere Verbindungsart aufweisen.

Literatur


- Erwin Riedel, Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin, 2002, ISBN 3-11-017439-1
- A. F. Holleman, Egon Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, 1995, ISBN 3-11-012641-9
- Alfred Böge: Das Techniker Handbuch, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-14053-4
- Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Cornelsen Verlag, ISBN 3-590-81220-6
- Dieter Kohtz: Einführung in die Werkstoffkunde für Metallschweißer, der praktiker 83/84, DVS-Verlag [http://www.dvs-verlag.de/de/zeit/prak/]

Weblinks


- [http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/advanced/t4_1_1.html Uni Kiel - Geschichte des Stahls]
- [http://www-user.tu-chemnitz.de/~bfri/geschichte.htm Techn. Uni Chemnitz - Geschichte]
- [http://www.kupfer-institut.de/front_frame/frameset.php3?client=1&lang=1&idcat=27&parent=14 Kupfer-Institut - Kupfer]
- [http://www.rheinzink.de/127.aspx Rheinzink - Geschichte des Zink]
- [http://www.formteile.ch/eisen.htm Eisen - Geschichte] Kategorie:Legierung Kategorie:Stoffgemisch ja:合金 ko:합금 ms:Aloi simple:Alloy

Chemisches Element

Stoffe, die ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl) bestehen, bezeichnet man als chemische Elemente. Sie treten im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf. Im Gegensatz zu den Elementen stehen die Verbindungen und die Stoffgemische. Früher war die Definition dieses Begriffs intuitiver, aber unpräziser: Robert Boyle definierte ein chemisches Element als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Diese Definition hat den Nachteil, dass man nie sicher sein kann, ob man die chemischen Methoden völlig ausgeschöpft hat. Hätte man es z. B. im Labor nicht geschafft, Wasser zu zerlegen, so hätte man es als Element einordnen müssen. Der heutige Element-Begriff, der für die Stoffe eine Einteilung nach ihren Bestandteilen, den Atomen, vornimmt, ist abstrakter, dafür aber präzise. Seine praktische Bedeutung liegt darin, dass er Atome mit gleichem chemischen Verhalten (dem Verhalten bei chemischen Reaktionen) zusammenfasst. Das physikalische Verhalten von Atomen ein und desselben Elements kann dabei durchaus unterschiedlich sein, z. B. können die Atome eines Elements sich in der Masse unterscheiden (Isotope) und bei nuklearen Reaktionen unterschiedlich verhalten. Nach der Kernladungszahl (auch Ordnungszahl) ihrer Atome ordnet man die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Lothar Meyer 1869 begründet.

Kernladungszahl und Masse

Die Erklärungen dafür, dass die Massezahl nicht genau dem Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entspricht, sind:
- Protonen und Neutronen, die den Hauptanteil der Masse bilden, sind fast, jedoch nicht genau, gleich schwer.
- Natürliche Elemente bestehen aus einer Mischung von Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Eine Atomart überwiegt meist bei weitem, diese bestimmt dann die Massenzahl (Ausnahme Chlor Cl mit der 35,5-fachen Masse)
- Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche durchschnittliche Atommassen zeigt, wenn man es aus verschiedenen Lagerstätten gewinnt)
- Bei sehr genauen Messungen zeigt sich die Bindungsenergie als Massendefekt, so dass die Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

Rein- und Mischelemente

Der Kern des Wasserstoffs besteht fast immer aus nur einem Proton. Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron im Kern (Deuterium) tritt in natürlichem Wasserstoff mit einem Anteil von 0,015 % auf. Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es existieren aber auch Helium-Atome, die zwei Protonen, aber nur ein Neutron, enthalten. Diese treten in natürlichem Helium jedoch nur mit einem Anteil von 0,000137 % auf. Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Atomen mit 18 Neutronen (75,8 %) und 20 Neutronen (24,2 %). Chemische Elemente, die nur aus einer Atomart bestehen, heißen Reinelemente, wenn sie dagegen aus zwei oder mehr Atomarten bestehen, heißen sie Mischelemente. Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Chemische Verbindungen

Chemische Elemente können, bis auf wenige Ausnahmen, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Stoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Gewöhnliches Wasser H2O ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül). Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente. Elemente können auch eine Verbindung mit sich selbst eingehen. Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements zu einem Molekül, also Cl2 bzw. F2.

Die Entstehung von Elementen

Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75%) und Helium (ca. 25%), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium. Schwerere Elemente entstehen im Universum durch Kernreaktionen in den Sternen (meist durch Kernfusion). Am Anfang steht der Wasserstoff mit einem Atomgewicht von ca. 1,0 (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie auch unserer Sonne, verschmilzt unter hoher Temperatur (mehrere Millionen C°) und hohem Druck Wasserstoff zu Helium. (Atomgewicht ca. 4,0) Dabei verschmelzen 4 Wasserstoffatomkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumatomkern. Dieser ist ein wenig leichter als die vier Protonen zusammen, die Massendifferenz wird als Energie in Form von (Gamma-)Strahlung frei. Die Fusion geht auf diese Art (Atome mit geringerer Protonenzahl und Atomgewicht verschmelzen zu höheren unter Abgabe von Energie) in den meisten Sternen bis zum Kohlenstoff, in massereichen bis zum Eisen weiter. Die Energieausbeute wird dabei immer geringer. Eisen ist der am dichtesten gepackte Atomkern, bei Fusionsreaktionen darüber hinaus wird Energie verbraucht anstatt freigesetzt. Sterne sind auf Energiegewinnung aus Kernfusion angewiesen, um ihren Gravitationskollaps aufzuhalten, daher können derartige Reaktionen nicht in nennenswertem Umfang stattfinden. Elemente schwerer als Eisen entstehen in Sternen am Ende ihrer Lebensdauer. Dabei fangen Atomkerne Neutronen ein und werden so in Elemente höherer Ordnungszahl umgewandelt. Dies geschieht im sogenannten s-Prozess (bei massearmen Sternen) oder im r-Prozess (bei massereichen Sternen während einer Supernova). Ein Stern verliert am Ende seiner Lebensdauer große Mengen Material (kontinuierlich durch Sonnenwind oder explosiv in einer Supernova), dadurch gelangen die entstandenen Elemente zurück in das interstellare Medium. Jüngere Sternensysteme enthalten daher bereits von Anfang an auch geringe Mengen schwererer Elemente, die z.B. Planeten wie in unserem Sonnensystem bilden können.

Liste chemischer Elemente

A Actinium - Aluminium - Americium - Antimon - Argon - Arsen - Astat B Barium - Berkelium - Beryllium - Bismut - Blei - Bohrium - Bor - Brom C Cadmium - Cäsium - Calcium - Californium - Cer - Chlor - Chrom - Curium D Darmstadtium - Dubnium - Dysprosium E Einsteinium - Eisen - Erbium - Europium F Fermium - Fluor - Francium G Gadolinium - Gallium - Germanium - Gold H Hafnium - Hassium - Helium - Holmium I Indium - Iod - Iridium J Jod siehe Iod K Kalium - Kobalt - Kohlenstoff - Krypton - Kupfer L Lanthan - Lawrencium - Lithium - Lutetium M Magnesium - Mangan - Meitnerium - Mendelevium - Molybdän N Natrium - Neodym - Neon - Neptunium - Nickel - Niob - Nobelium O Osmium P Palladium - Phosphor - Platin - Plutonium - Polonium - Praseodym - Promethium - Protactinium Q Quecksilber R Radium - Radon - Rhenium - Rhodium - Roentgenium - Rubidium - Ruthenium - Rutherfordium S Samarium - Sauerstoff - Scandium - Schwefel - Seaborgium - Selen - Silber - Silizium - Stickstoff - Strontium T Tantal - Technetium - Tellur - Terbium - Thallium - Thorium - Thulium - Titan U Unnilpentium (
- ) - Unnilquadium (
- ) - Ununoctium - Ununhexium - Ununquadium - Ununbium - Ununtrium - Ununpentium - Ununseptium - Ununnilium (
- ) - Uran V Vanadium W Wasserstoff - Wolfram X Xenon Y Ytterbium - Yttrium Z Zink - Zinn - Zirkonium
- veralteter Name

weitere Darstellungsformen


- Sortierung nach Symbol
- Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl
- Periodensystem
- Periodensystem mit Elektronenkonfiguration

Literatur


- Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente. Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8

Weblinks


- [http://www.chemieseite.de/ www.chemieseite.de] enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
- [http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html] Lied der chemischen Elemente Kategorie:Chemie

Siehe auch


- Elektronegativitäten der Elemente,
- Elementnamensgebungskontroverse,
- Systematische Elementnamen,
- Verdampfungswärme der chemischen Elemente
- Nebulium
- Kalzium ist ein Computerprogramm für das Betriebssystem Linux, das sehr viele Informationen zum Periodensystem und den Elementen bietet.
- Phlogiston
- Nukleosynthese ja:元素 ko:화학 원소 ms:Unsur kimia simple:Element th:ธาตุเคมี

Gold

Gold (von indogermanisch ghel: glänzend, (gelb) ) ist ein chemisches Element und ein so genanntes Edelmetall, das chemische Kürzel Au für Gold ist auf die lateinische Bezeichnung Aurum zurückzuführen. Gold besteht aus nur einem stabilen Isotop. Das Schwermetall ist weich wie Zinn und von bemerkenswerter Farbigkeit. Es wird von Säuren im Allgemeinen nicht angegriffen; eine Ausnahme bildet das Säuregemisch „Königswasser“, eine Mischung aus Salzsäure und Salpetersäure. In wässrigen Cyanidlösungen ist Gold leicht unter Aufnahme von Sauerstoff als Komplexverbindung löslich. In sauren hydrothermalen Lösungen ist Gold relativ gut physikalisch löslich. Des Weiteren löst es sich leicht in vielen Metallen zu Legierungen. Einige der ungewöhnlichen Eigenschaften wie die goldgelbe Farbe und hohe Duktilität, lassen sich nach neueren Berechnungen am besten mit dem relativistischen Effekt erklären. Gold wird seit Jahrtausenden für Schmuck und in Form von Goldmünzen als Zahlungsmittel verwendet. Es gehört zu den Münzmetallen.

Goldsynthese

Gold entsteht bei Kernverschmelzungsprozessen in Supernovae. Die seit Mitte des 20. Jahrhunderts von Menschenhand initiierten Kernverschmelzungs- und -spaltungsprozesse bestätigen die Machbarkeit des langgehegten Traumes der Alchimisten. Die Ausführung der Goldsynthese ist jedoch in Anbetracht der Ausbeute und Kosten vollkommen unwirtschaftlich. So bezeichnet die Gewinnung von Gold eigentlich das Konzentrieren der natürlichen Vorkommen.

Gold als Mineral

Gold kommt in der Natur als gediegenes Mineral vor. Es kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine Härte von 2,5 bis 3, eine sattgelbe Farbe, die entsprechend als "goldgelb" bekannt ist, und ebensolche Strichfarbe. In feiner Verteilung ist es je nach Korngröße gelblich, ockerbraun bis purpurviolett und wird dann als Goldpurpur bezeichnet. Mit zunehmender Temperatur verliert Feingold an Farbintensität und ist hellgelb glühend, bevor es schmilzt. Das geschmolzene Metall ist zitronengelb, leicht grünlich und erhält seine intensive gelborange Farbe erst wieder, wenn es vollständig abgekühlt ist. Beimengungen von Kupfer lassen es rosa oder rötlich erscheinen, senken die Schmelztemperatur und steigern zugleich Härte, Festigkeit und Polierbarkeit beträchtlich. Steigende Silberanteile verändern die Farbe des reinen Goldes über hellgelb nach hellgrün und schließlich zu weiß; Schmelztemperatur und Härte verändern sich dabei nur sehr wenig. Die meisten Metalle, so auch die bekannten Platinmetalle, Quecksilber und die Eisenmetalle führen als Beimischungen dagegen in steigenden Anteilen zu einer Entfärbung in Form einer eher schmutziggelbgrauen bis grauweißen Legierung. Zugleich tragen sie aber auch zu einer erheblich größeren Härte und Festigkeit bei. Da Gold ein relativ reaktionsträges Element ist, behält es gewöhnlich seinen Glanz und Farbe und ist daher in der Natur leicht zu erkennen. Es wird manchmal mit Quarz vergesellschaftet in Hydrothermaladern gefunden, zuweilen auch zusammen mit Kupfererzen. Verwitterung und Erosion goldhaltiger Gesteine führen oft zur Ablagerung des relativ schweren Metalls am Boden fließender Gewässer. Dies kann zu relativ ausgedehnten Lagerstätten führen, die aus jedem geologischen Zeitalter stammen können. Der Bestandteil an der Erdkruste ist mit etwa 0,01 ppm (entsprechend 0,000001 Prozent) extrem gering. Aufgrund des hohen Preises, der für echtes Gold gezahlt wird, lohnt sich die Ausbeutung jedoch schon bei relativ niedrigem Goldgehalt.

Vorkommen

Die Vorkommen sind über die ganze Welt verstreut; circa 40 Prozent des heute bergmännisch geförderten Golderzes kommen aus den USA, Südafrika und Australien. Bisher wurden etwa 2/3 der bekannten Goldvorräte ausgebeutet. Die jährliche Förderung beträgt heute etwa 2300 Tonnen, etwa hundertmal mehr als im letzten Jahrhundert. Dies ist insbesondere auf die Verbesserung der Fördertechnik zurückzuführen, die wiederum durch die große Nachfrage nach Gold getrieben wurde. Inzwischen lohnt sich der Abbau von Gestein, das nur ein Gramm Gold pro Tonne Gestein enthält. So wurden auch alte Abraumhalden mittels neuer verfeinerter Goldgewinnungsmethoden nochmals ausgebeutet. Bedeutende Goldmengen fallen bei der Raffination anderer Metalle, wie Kupfer, Nickel oder der anderen Edelmetalle an, so dass unter Umständen erst diese "Verunreinigungen" ein Vorkommen interessant machen. In kleinen Mengen kommt Gold auch in Deutschland vor. So kann man zum Beispiel in Theuern im Thüringer Wald noch heute Gold waschen. Auch auf den Geröllbänken des Hoch- und Oberrheines wie beispielsweise bei Istein finden sich geringe Mengen, insbesondere Flitter. Deutschlands größte Goldlagerstätte mit historischem Goldbergwerk befindet sich im nordhessischen Korbach. Des weiteren sind in den Klärschlämmen der Städte bemerkenswerte Goldspuren enthalten, die von der Nutzung, Verarbeitung und Verschleiß von Goldlegierungen, (Abrieb von Zahnfüllungen, Schmuckkettenglieder, Verlust, etc.) stammen. Klärschlämmen In Europa sind die rumänischen Golderzvorkommen heute von wirtschaftlicher Bedeutung. Fast alle europäischen Flüsse führen Spuren von Gold mit sich. Die größte verfügbare Goldreserve ist jedoch das Salzwasser der Ozeane, worin es in geringsten Konzentrationen als Chlorid-Komplex gelöst ist. Dieses gigantische Volumen im Kubikkilometer-Maßstab stellt eine nicht uninteressante Größe dar und übertrifft das bisher bergmännisch geförderte Gold bei weitem. Nach dem ersten Weltkrieg versuchten einige deutsche Forscher, dieses Gold unter anderem durch elektrolytische Verfahren zu gewinnen. Wegen Unwirtschaftlichkeit wurden diese Versuche allerdings eingestellt. Nicht zu vergessen ist eine wichtige Quelle des Edelmetalls die Wiederverwendung aus alten edelmetallhaltigen Materialien, wie Elektronikschrott, Galvanikschlämmen, Pigmenten, Filterstäuben, Schlacken, Dental- und Schmuckverarbeitungsabfälle. Das Angebot an Gold unterliegt starken Schwankungen, zum Beispiel ist die Balance von Angebot und Nachfrage auch durch spekulative Erscheinungen ständig in Bewegung. Auf internationale Entwicklungen zum Beispiel die Öffnung des Ostblocks, kriegerische Spannungen, aktuell die wirtschaftliche Entwicklung Asiens oder Änderung der Währungsparitäten zueinander, reagiert das Goldangebot/Nachfrage-Verhältnis dynamisch, zum Teil mit erheblichen Preisveränderungen.

Verwendung

Asien Gold dient in Form von Goldmünzen und Barrengold als internationales Zahlungsmittel und wird von vielen Zentralbanken der Welt eingelagert, auch wenn heute die Stabilität einer Währung nicht mehr auf der Deckung durch Goldreserven beruht. Eine natürliche Anwendung findet Gold darüberhinaus in der Schmuckindustrie, die es zu Ringen, Ketten, Armbändern und anderem Schmuck verarbeitet. Der Edelmetallgehalt wird durch die Repunze beglaubigt. Wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und ästhetischen Qualitäten wird es in der Zahnheilkunde als Füll- oder Ersatzmaterial für kariöse Zähne eingesetzt. Auch die Elektronikindustrie setzt Gold aufgrund der Zuverlässigkeit der Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und guten Verarbeitbarkeit ein: So werden Verbindungsdrähtchen zwischen Chips und ihren Gehäusebeinchen aus hochraffiniertem Feingold gefertigt, wobei sich beispielsweise ein Gramm des Edelmetalls problemlos zu einem Drähtchen von mehr als drei Kilometer Länge ausziehen lässt. Goldfolie, auch Blattgold genannt, wird seit der Antike verwendet. Hergestellt aus hochgoldhaltigen Legierungen, wird es dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes gewalzt und geschlagen. Im Auflicht glänzt es goldgelb, im Gegenlicht scheint grünlich-blau die Lichtquelle durch und bildet auch das Schlagmuster des Metalls ab, weshalb es auch meistens auf einer entsprechend präparierten Unterlage aufgetragen wird. Verwendet wird es, um nichtmetallischen Gegenständen, hier Bilderrahmen, Büchern (Goldschnitt), Mobiliar, Figuren, Architekturelementen, Stuck, Ikonen etc., das Aussehen von echtem Gold zu verpassen. Gold reflektiert infrarote, rote und gelbe Wellenlängen des Lichts bedeutend besser als die energiereicheren blauen blauvioletten und ultravioletten Lichtstrahlen; deshalb werden wärmereflektierende Beschichtungen, Gläser, Optiken und Spiegel damit bedampft. Im Speisenbereich dient es in Form von Blattgold und Blattgoldflocken als Lebensmittelfarbe E 175 zum Vergolden von Speisen, zum Beispiel für Überzüge von Süßwaren und zur Verzierung von Pralinen, und in Getränken, zum Beispiel Goldwasser. Metallisches Gold gilt als ungiftig. Goldwasser Goldverbindungen können zum Teil sehr giftig wirken. Die farblosen Goldcyanide und die zitronengelbe Tetrachlorogoldsäure zählen dazu. Einige Goldsalze werden heilend zur Rheumatherapie eingesetzt. Goldinjektionen wurden früher gegen Rheuma verabreicht; in neuerer Zeit jedoch verdrängen preigünstigere Medikamente eine Behandlung mit Gold. Allerdings hat med. Gold nebenwirkungen - es schädigt die Leber, das Blut und die Nieren, bei unsachgemäßer, bzw. nicht ärztlich-kontrollierter Einnahme. Dekorativ findet Gold vielfältige Anwendungen, zum Beispiel in galvanischen Beschichtungen von Metallen und Kunststoffen. Auf Porzellanglasuren, Zahnersatzkeramiken und Glas lassen sich Goldpigmente einbrennen. Historisch war die Feuervergoldung von Metallen mit Hilfe der Gold-Quecksilber-Legierungen, so genannter Amalgame, nachweislich schon in der Antike die einzig brauchbare Methode, um dauerhafte Vergoldungen auf Silber, Bronze, oder anderen Unedelmetallen herzustellen. Diese Methode scheidet heute aufgrund der starken Giftwirkung der Quecksilberdämpfe aus. Die Feuervergoldung ist mittlerweile auf Grund gesetzlicher Bestimmungen zum Umwelt- und Gesundheitsschutz auch zur Restaurierung verboten. Mit der Entwicklung galvanischer Vergoldungsbäder im späten 19. Jahrhundert und 20. Jahrhundert wurde dieser Bereich in den Möglichkeiten qualitativ erweitert und ersetzt. Goldpigmente wurden historisch in der Glasherstellung seit dem 16. Jahrhundert eingesetzt (Goldrubinglas), sind allerdings heute weitgehend durch preiswertere Verfahren ersetzt.

Geschichte

galvanischer galvanischer Gold zählt zu den ersten Metallen, die von Menschen verarbeitet wurden. Dies liegt einerseits daran, dass Gold die auffallende gelbe Farbe zeigt, sehr oft gediegen, also als Element in der Natur vorkommt und nicht erst aus Erzen chemisch isoliert werden muss. Außerdem lässt sich Gold sehr gut mechanisch bearbeiten. Die leichte Legierbarkeit mit vielen Metallen, die moderaten Schmelztemperaturen und die günstigen Eigenschaften der Legierungen machten Gold als Werkstoff sehr attraktiv. Aufgrund seiner Farbigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, der der Beständigkeit des Glanzes zugrunde liegt, und Seltenheit und auffallender Schwere, wurde es in vielen Kulturen vor allem für rituelle Gegenstände verwendet. Die Goldgewinnung begann vermutlich in der Kupferzeit. In Mitteleuropa lassen sich goldene Gegenstände seit dem Zweitem Jahrtausend vor Christus nachweisen. Es wurde etwa im Goldenen Hut von Schifferstadt oder der Himmelsscheibe von Nebra verarbeitet. Seit alters her war Gold in Europa, Asien und Afrika sehr begehrt. Die Fahrt der Argonauten zum Goldenen Vlies nach Kolchis stellt die wohl früheste dokumentierte weite Seefahrt der Griechen dar. Das Alte Testament spricht vom Goldenen Kalb, das sich die Israeliten als Götzenbild herstellten, während Moses die Zehn Gebote empfing, und vom Goldland Ophir. Die Gier nach Gold wurde zum Grund für Kriege und Eroberungszüge. Die Ägypter beuteten Vorkommen in Oberägypten und Nubien aus. Die Römer ihrerseits nutzten Fundstätten in Kleinasien, Spanien, Rumänien und Germanien. Der Traum der Alchemisten des Mittelalters war die Herstellung von Gold. Auch in Südamerika und Mesoamerika begannen die Menschen schon früh mit der Goldgewinnung und Goldverarbeitung. So verfügten beispielsweise die Mochica in Peru bereits Anfang des 1. Jahrtausends über eine hochentwickelte Kultur der Goldverarbeitung, die die Legierungsbildung (Tumbago und Vergoldung) einschloss. Für rituelle Zwecke wurden Gegenstände von mehreren Kilogramm Gold hergestellt. Die ersten Goldfunde in Mittel- und Südamerika lockten nach den Fahrten von Christoph Kolumbus europäische, insbesondere spanische Eroberer an, die die indigenen Kulturen zerstörten und das Gold in Galeonen nach Europa schafften. Spanien wurde so vorübergehend zur reichsten Nation Europas. Immer wieder lockten Goldfunde große Mengen an Abenteurern an. Im 19. Jahrhundert kam es auf verschiedenen Kontinenten zu Goldrausch genannten Massenbewegungen in die Fundgebiete großer Goldmengen. Beispiele sind der kalifornische Goldrausch im Jahre 1849 oder der Goldrausch 1897 am Klondike-River in Alaska. Auch in Australien und Südafrika kam es zum Goldrausch. Kaum einer der Goldsuchenden wurde jedoch durch bergmännischen Goldabbau oder Goldwäsche reich. In den 1920er Jahren versuchte der Chemiker Fritz Haber Gold aus Meerwasser zu gewinnen. Die durchschnittliche Ausbeute war mit 0,004 Milligramm Gold pro Tonne Meerwasser jedoch zu gering für eine wirtschaftliche Verwertung. Auch heute führt der schwankende Goldpreis oft zu sozialen Verwerfungen: So hat der fallende Goldpreis zu einer starken Verarmung der Bevölkerung in Afrika geführt, die von der Goldproduktion lebt. Im brasilianischen Amazonasraum ist der informelle Goldabbau durch Garimpeiros oft mit schwerwiegenden sozialen und ökologischen Folgen verbunden. Mit kerntechnischen Methoden kann man Gold in der Goldsynthese prinzipiell auch künstlich herstellen.

Wert

Garimpeiro Die Reinheit von Gold wird historisch in Karat angegeben. 24 Karat entsprechen purem Gold (Feingold). Mit Einführung des metrischen Systems wurde die Umstellung auf Promille-Angaben vorgenommen. So bedeutet der Stempeleindruck "750" in Goldschmuck, dass das Metall 750 von 1000 Gewichtsanteilen reines Gold enthält. Die Reinheit kann aber auch mit einer Dezimalzahl angegeben werden, zum Beispiel als 0,995. Der Preis des Goldes wird auf dem offenen Markt bestimmt, aber ein bestimmtes, unter dem Namen Gold Fixing in London bekanntes Verfahren, das 1919 erstmals angewandt wurde, ermöglicht die Herausgabe eines Goldpreises zweimal täglich.

Gold als Währung oder Währungsdeckung

Historisch wurde Gold als Währung eingesetzt. Eine Geldeinheit entsprach einer bestimmten Menge Gold. In Deutschland war während des Deutschen Reichs von 1871 bis 1918 das gesetzliche Zahlungsmittel die Goldmark, wobei einem Gramm Gold genau 4,20 Goldmark entsprachen. Dieses System konnte im Zuge des verlorenen ersten Weltkrieges und der damit verbundenen Reparationen nicht aufrecht erhalten werden. Siehe auch Goldwährungssystem Als Relikt aus dieser Zeit wird noch heute die Versicherungssumme und der Beitrag in der Gebäudeversicherung in Mark 1914 ausgedrückt und per Indexzahlen auf aktuelle Werte hochgerechnet. Lange Zeit entsprach in den Vereinigten Staaten von Amerika eine Unze Gold 20,67 Dollar. Später, im Bretton-Woods-System wurde diese Äquivalenz auf 35 Dollar angehoben. Am 17. März 1968 wurde der Goldpreis gespalten und ein zweigliedriges System wurde eingeführt. Der eine Preis konnte sich frei dem Markt anpassen, der andere war fix. Am 21. Januar 1980 war der Preis auf einem Rekordhoch von 850 US-Dollar, am 21. Juni 1999 auf einem Tiefstand von 252,90 US-Dollar (London Fixing). Eine steigende Nachfrage ließ den Preis 2004 über die 420-Dollar-Marke ansteigen.Im Jahr 2005 stieg der Goldpreis weiter und erreichte im September mehr als 475 Dollar und im November mehr als 492 Dollar. Viele Experten erwarten, daß Inflationsängste in Euroland und den USA den Goldpreis weiter deutlich in die Höhe treiben werden. Wegen der Funktion von Gold als Währungsreserve war der Goldbesitz in den USA zeitweise verboten. Von 1933 bis 1975 waren nur Schmuck und Münzsammlungen erlaubt. Präsident Franklin D. Roosevelt konfiszierte Gold über Executive Order 6102 und Präsident Richard Nixon unterband, dass nichtamerikanische Nationalbanken Dollars zu einem fixen Preis gegen Gold wechseln konnten. Gold wird oft als langfristige Wertanlage angesehen. Dies gilt speziell in Zeiten von Hyperinflation. Jedoch kann der Goldpreis von Marktteilnehmern mit großen Goldreserven, etwa Zentralbanken und Goldminen-Gesellschaften, erheblich beeinflusst werden. Soll der Goldpreis sinken, so wird Gold verliehen, um Leerverkäufe zu provozieren, oder verkauft; die Goldproduktion wird hochgefahren. Soll der Goldpreis steigen, so kaufen die Zentralbanken Gold auf, die Goldproduktion wird heruntergefahren. Da Gold einen geringen Nutzwert hat und seine Produktion sich daher kaum dem Verbrauch anpassen muss, ist der Goldpreis sehr volatil, dass heißt, er schwankt auch innerhalb kurzer Zeiträume beträchtlich. Aus diesem Grund gilt Gold heute als ungeeignet zur Währungsdeckung, zumal mit wachsender Geldmenge als Gegenreaktion der Zentralbank auf die normalerweise sinkende Umlaufgeschwindigkeit auch die Goldmenge als Deckung ständig mitwachsen müsste. Dies funktioniert normalerweise nicht. Wenn das kompensierende Geldmengenwachstum durch Goldmangel gestoppt würde, wäre entweder eine Deflation wegen Mangel an Zahlungsmitteln die Folge oder das Abrücken von der Golddeckung. Letzteres ist wie oben beschrieben in der Geschichte mehrmals passiert.

Deflation durch Gold


- Die Deflation ab 1929 in Europa wurde vor allem dadurch ausgelöst, dass aufgrund zurückgegangener Goldreserven (es handelte sich nur um geliehenes Gold) dazugehörige Geldscheine eingezogen und nicht wieder ausgegeben wurden.
- Im Mittelalter wurde Gold als Währung direkt eingesetzt. Da es kaum Goldminen gab, wuchs die Goldmenge kaum an. Dies hatte zur Folge, dass Gold selbst immer mehr wert wurde, es entstand eine Dauerdeflation. Man vermutet, dass erst durch die Entdeckung Amerikas 1492 und durch das von dort nach Europa strömende Gold der Goldwert wieder sank und somit diese Dauerdeflation beendete.

Die Bezeichnung Gold

Mit Gold, welches für wertvoll und kostbar steht, bezeichnet man auch andere wertvolle Sachen. Meist wird ein Adjektiv davor gesetzt, wie zum Beispiel "Schwarzes Gold" für Öl. Beispiele:
- Schwarzes Gold - Öl, Kohle
- Weißes Gold - Marmor, Kochsalz, Kokain, Baumwolle, Porzellan, Elfenbein
- Blaues Gold - Trinkwasser (bes. in armen Gebieten)
- Rotes Gold - Wein
- Flüssiges Gold - Whisky
- Gold des Meeres (Meeresgold) - Korallen
- Gold des Nordens - Bernstein
- Ackergold - Kartoffel
- Katzengold - Pyrit

Siehe auch


- Gold/Tabellen und Grafiken
- Goldstandard
- Goldschmied
- Kupellation
- Kolloidales Gold

Weblinks

Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gold Kategorie:Gruppe-11-Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Mineral Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Schwermetall ja:金 ms:Emas simple:Gold th:ทองคำ

Kohlenstoff

Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle und lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element. Es kommt in der Natur sowohl in gediegener Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.

Modifikationen des Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor: Diamant, Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist die Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte Element und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt. Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant (sp3) Struktur

Schalenmodell Die s und p Niveaus können [Hybrid-Orbitale|hybridisieren] und 4 energetisch gleichwertige sp3-Orbitale bilden.Orbitale besitzen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p- Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen.
Die vier sp3-Orbitalesind symmetrisch zueinander im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten Tetraeders. Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur wiederspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit (sp2) Struktur

Diamant Sind nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die sog. sp2-Orbitale. Die sp2- Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p-Orbital aus. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp2- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden. sp2-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3-Orbitale.
Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifach (sp1) Bindung

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp3-Bindungen dreidimendionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H-C≡C-C≡C-H.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2: Diamant, Graphit und Fulleren. Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Diamant

Siehe auch: Diamant
Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5.45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen wärend mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluß bei hohen Temperaturen in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ca. 700-800 °C zu Kohlendioxid. Diamant gilt unter normal Bedinungen (1 bar/25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
1) die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
2) bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluß der Umgebung -geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben- nicht berücksichtigt wurde/wird (s.h. Carpenter, M.A: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach, in: Stability of Minerals, Chapman & Hall London, 1992 oder Salje, E.: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals, Cambridge University Press, Cambridge 1990)) und schließlich
3) Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, daß in einer hydrothermalen Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Graphit

Siehe auch: Graphit
Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung. Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [anisotrop]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen relativ schelcht.

Fullerene

Siehe auch: Fulleren
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, die Fullerene. Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem Fußball. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie beim Graphit die Basalebenen. Die aus 60 bzw. 70 Atomen bestehenden Formen lassen sich isolieren und kristallisieren und können daher als Modifikation(en) gelten.

weitere Formen von Kohlenstoff

Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff, die einer Basalebene entspricht. Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesättigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-én). Man versucht, Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen, um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene für die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen. Streng genommen kann man Graphen nicht als Modifikation bezeichnen, da es parktisch um einen zweidimensionalen Kristall handelt.

Kohlenstoffnanoröhren

Siehe auch: Kohlenstoffnanoröhre
Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe Kohlenstoffnanoröhren).

Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, ähnlich der von Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern. Technisch gesprochen ist Kohlenstoffnanoschaum ein Aerogel mit einer Dichte von 0.2-1.0 Gramm/Kubikzentimeter.

Kohlenstoff-Fasern

Siehe auch: Kohlenstofffaser
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die Graphitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst die Festigkeit.
Kohlenstofffasern sind serh zugfest und werden daher in Verbundwerkstoffen genutzt.

Ruß

Siehe auch: Ruß
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

Aktivkohle

Siehe auch Aktivkohle
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert Feststoffe aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprägter struktureller Fehlordnung und glasartigem Bruchbild. Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in ebenen Schichten mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Im Gegensatz zu Graphit sind diese Schichten bei glasartigem Kohlenstoff nicht regelmäßig über größere Bereiche hinweg geordnet. Bänder aus graphitisch geordneten, übereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerähnliche Knäuelstruktur. Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei, zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche Hohlräume vorhanden. Ähnlich wie bei Gläsern beträgt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm. Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte, die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit und die Isotropie des Werkstoffs. Trotz der aufgeweiteten Struktur beträgt die Helium-Permeabilität nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cm² s-1. Neben seiner isotropen Festigkeit verbindet glasartiger Kohlenstoff die guten Hochtemperatureigenschaften von Graphit. Er sublimiert im Vakuum oder Inertgas erst bei Temperaturen oberhalb 3000 °C und oxidiert an Luft bei etwa 600 °C. Er ist hitze - und kälteschockbeständig. Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen. Die Folge ist die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen. Lediglich Sauerstoff über 600 °C und oxidierende Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an. Die hohe Reinheit des Werkstoffs prädestiniert Ihn für Anwendungen in der Analytik, Halbleiter- und Reinststofftechnik. Da Gefäße aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen, ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar.

Amorpher Kohlenstoff

(Entwurf: Sehr selten, nicht zu verwechseln mit Ruß. Enthält neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.)

Kohlenstoff-Verbindungen

Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:
- Oxide des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffsuboxid (C3O2)
- Kohlensäure (H2CO3) sowie ihre Salze, die Carbonate.
- Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS2).
- Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, Stahl.
- Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie.

Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung

Die Inkohlung erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1900 °C) und Graphitierung bzw. Graphitisierung (oberhalb 2000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen. Kohlenstoffgehalt in Gew.-% einiger Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung:
- Anthrazit: >90%
- Holzkohle: 90%
- Steinkohle: 85-90%
  - Koks (durch Karbonisierung von Steinkohle): ?
- Braunkohle: 60-75%
- Erdöl: 85-90%
- Erdgas: 85-95%
- Torf: 56
- Holz: 45-50%
  - Holzkohle (durch Karbonisierung von Holz): 80-90%

Weblinks


- [http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes] (in Englisch)
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node35.php Kohlenstoff auf Chemieseite.de]
- [http://www.htw-germany.com/de/content/glaskohlenstoff.php?aw=1 Glaskohlenstoff] Siehe auch: organische Chemie, Radiokarbonmethode, Polymer, Kohlenstoff-Senke, Kohlendioxid Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-2-Element ja:炭素 ko:탄소 ms:Karbon simple:Carbon th:คาร์บอน

Graphit

Graphit bzw. Grafit ist neben Diamant und Fulleren eine Modifikation des Kohlenstoffs und ein (allerdings selten) natürlich vorkommendes Mineral. Es kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im rhomboedrischen Kristallsystem, ist mit einer Härte von 1 bis 2 sehr weich und hat eine schwarze Farbe, sowie eine grauschwarze Strichfarbe. Graphit sublimiert bei einer Temperatur von 3825 Grad Celsius.

Struktur

Graphit kristallisiert in parallel verlaufenden Schichten, den Basalebenen. Innerhalb dieser Ebenen beträgt die Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoff-Atomen 4,3 Elektronenvolt, zwischen ihnen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:
- leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Basalebenen, deutlich höhere Festigkeit entlang der Kristallschichten;
- thermische und elektrische Isolation orthogonal zu den Basalebenen, gegenüber einer fast metallischen Leitfähigkeit entlang der Ebenen. Weisen die Ebenen zueinander keine feste Korrelation zueinander auf, spricht man von turbostratischem Kohlenstoff. Die durchstrahlungs-elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt Basalebenenstapel in Graphit. Die Überlagerung verkippter Stapel erzeugt Moiré-Streifen; die Basalebenenabstände von 0,34 Nanometer werden hier nicht aufgelöst. Moiré Im so genannten Glaskohlenstoff liegen die Ebenen dagegen nicht planparallel wie die Seiten eines Buches, sondern wie geknülltes Papier. Dieser Kohlenstoff ist hart und isotrop wie Glas, daher sein Name. Durch besondere Behandlung (Streckung von Kunststofffasern und anschließendes Graphitieren) gelingt es, die Ebenen in Faserrichtung zu orientieren. Das Ergebnis sind hochfeste Kohlenstofffasern. Fulleren und Nanoröhren besitzen nur eine Basalebene, die im ersten Fall zu einer Kugel, im zweiten Fall zu Röhren gekrümmt sind. Auch hier sind die Übergänge zum Graphit fließend. Weitere Schichten können sich zwiebelartig anlagern und rußartiges Pulver bilden. rußartiges

Vorkommen

Er kommt in der Natur in Form vereinzelter Flocken und Körner in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein und als Adern in Pegmatit vor. Abgebaut wird Graphit vor allem in China, Korea, Madagaskar, Simbabwe, Brasilien und Indien sowohl im Tagebau als auch unter Tage. Pro Jahr handelt es sich dabei um ca. 600.000 Tonnen. In Europa gibt es zur Zeit nur noch wenige aktive Graphitbergwerke. In der Ukraine und in Tschechien wird makrokristalliner Naturgraphit in unterschiedlicher Qualität unter Tage abgebaut. Bei dem makrokristallinen Naturgraphit sind die einzelnen Graphitkristallitpakete (Flocken) gut erhalten und sichtbar. In Norwegen und in Österreich werden dagegen mikrokristalline Naturgraphite gewonnen, deren Kristalle nicht so deutlich ausgeprägt sind.

Herstellung

Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierte Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Peche, aber auch Kunststoffe. Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt.

Verwendung

Acheson-Graphit Graphit wird vielfältig genutzt:
- im Bleistift,
- in schwarzen Druckfarben (als Ruß),
- als Füllmittel in Reifen (als Ruß),
- als Schmierstoff,
- als Werkstoff für Lager und Dichtungen,
- zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit,
- als Kohlebürste in elektrischen Motoren,
- gepresst als Elektrode zur Stromeinspeisung,
- als Elektroden bei Lichtbogenlampen,
- als Schmelztiegel,
- als thermisch hochbelastbare Ofenauskleidung (jedoch nur bei reduzierender Atmosphäre),
- zur Regelung von Atomreaktoren,
- als Aktivkohle zur Adsorption von Gasen, Flüssigkeiten und Schwebteilchen (schaumartiger Kohlenstoff),
- als Monochromator im Röntgendiffraktometer und
- als Waffe in Form von Graphitfäden zum Kurzschließen der feindlichen Stromversorgung (Streubombe).

Geschichte

Der Name leitet sich aus dem Griechischen γραφειν (graphein) ab, was schreiben bedeutet. Er spielt damit auf die Tatsache an, dass Graphit auf Papier durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift zum Schreiben genutzt werden kann. In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (La-Tène-Zeit) wurde Graphit gerne verwendet, um die Oberfläche keramischer Gefäße zu schwärzen. Hier waren besonders die Vorkommen bei Passau bedeutsam.

Weblinks

[http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Graphit Graphit im Mineralienatlas WiKi] Siehe auch: Liste von Mineralen Kategorie:Schmierstoff Kategorie:Mineral ja:グラファイト th:แกรไฟต์

Sauerstoff

Sauerstoff (auch Oxygenium; von griech. oxýs „scharf, spitz, sauer“ und genese „erzeugen“) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt in der Natur nicht vor. Elementar tritt Sauerstoff überwiegend in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen, auf (molekularer Sauerstoff, auch Dioxygen, Disauerstoff, Summenformel O2). Die wenig stabile allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O3) wird Ozon genannt. Flüssiger Sauerstoff wird in der Raketentechnik als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX (liquid oxigen) abgekürzt.

Geschichte

Sauerstoff wurde 1774 unabhängig voneinander durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele entdeckt. Von der Urzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sog. Alchimisten, fingen an, sich über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoff. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen „leichten geheimnisvollen Stoff“, der aus dem brennenden Stoff entweicht. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch, als der schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele 1772 den Sauerstoff entdeckte. Er nannte ihn lange Zeit Feuerluft. Neben dem Sauerstoff erforschte der Deutsch-Schwede mit einfachsten Hilfsmitteln aus seiner Apotheke Ammoniak, Stickstoff und andere chemische Stoffe. Er konnte sich aber nicht erklären, wie Verbrennung mit Sauerstoff zusammenhängt. Völlig unabhängig von Scheeles Entdeckungen kam der Engländer Joseph Priestley zu gleichen Forschungsergebnissen, allerdings 2 Jahre später.
Obwohl Scheele zeitlich früher als Priestley den Sauerstoff entdeckte, kamen seine Ergebnisse später an die Öffentlichkeit. Die Ursache dafür war die schleppende Veröffentlichung durch die Presse. Der Sauerstoff war erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Dafür sorgte der Franzose Antoine Lavoisier. Beim Experimentieren kam er zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoff beim Brennen nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoffs, der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis langen Forschens.

Etymologie

Früher machte man den Sauerstoff für die Bildung von Säuren verantwortlich. Tatsächlich entstehen die meisten anorganischen Säuren bei der Lösung von Nichtmetalloxiden in Wasser, welches aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Dass aber nicht der Sauerstoff, sondern der Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war, erkannte man erst später; ein Beweis ist die Salzsäure, sie ist auch als Gas eine Säure und besteht aus der Verbindung von Chlor mit Wasserstoff und enthält keinen Sauerstoff. So müsste eigentlich der Sauerstoff Wasserstoff und der Wasserstoff Sauerstoff heißen. Der Begriff Sauerstoff (Oxygenium) wurde 1779 von Lavoisier vorgeschlagen.

Vorkommen

Das Element Sauerstoff stellt in der Erdhülle mit 49,4 Masse-% das häufigste, im Weltall das dritthäufigste Element dar. Eine bedeutende Form des Sauerstoffs ist O2, unter Normalbedingungen ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es ist ein Bestandteil der Luft (etwa 21 Volumenprozent) und in Gewässern gelöst. In der Luft hält sich der relativ reaktionsfreudige Sauerstoff auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde Lebewesen beherbergt, die Sauerstoff produzieren - ansonsten würde er nur in Verbindungen vorkommen. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentrationen in der Erdatmosphäre wird im Artikel Entwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Häufig kommt Sauerstoff in Verbindungen mit anderen Elementen als Oxid vor. (z.B.: als SiO2 - Sand oder H2O - Wasser)

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Molekülorbital-Verfahren

Oxid Das Sauerstoff-Atom hat 6 Valenzelektronen auf dem 2. Hauptenergieniveau. Die 12 Valenzelektronen eines Sauerstoffmoleküls werden auf vier bindende (ss, sx, py, und pz) aber nur drei antibindende Molekülorbitale (ss
- , py
- , pz
- ) verteilt. Die bindenden x-, y- und z-Molekülorbitale ergeben eine Dreifachbindung. Dieses Modell entspricht eher dem Bindungsabstand von 121 pm und der Bindungsenergie von 626 kJ/mol als das Doppelbindungsmodell. Außerdem erklärt dieses Modell den Paramagnetismus und den radikalischen Charakter des Sauerstoffs, der durch die beiden ungepaarten Elektronen der antibindendem p-Molekülorbitale hervorgerufen wird.

Singulett- und Triplet-Sauerstoff

Gegenüber der langläufigen Meinung handelt es sich beim Sauerstoff-Molekül um zwei ungepaarte Elektronen. Die Sauerstoffatome sind durch eine Einfachbindung verbunden, jedes Sauerstoffatom besitzt zwei Elektronenpaare sowie ein ungepaartes Elektron, deren Spin entweder gleich (Triplett-Sauerstoff) oder entgegengesetzt (Singulett-Sauerstoff) gerichtet ist. Dabei ist der Triplett-Zustand energieärmer. Die Änderung des elektronischen Zustands kann nur über photochemischen Weg oder durch Kollision erfolgen.

Sauerstoff-Ionen

Von Sauerstoff sind folgende Radikalionen bekannt: Dioxygenyl O2+, Hyperoxid (veraltet: Superoxid) O2- und Ozonid O3-. Closed-shell-Ionen sind das Oxid O2- sowie das Peroxid O22-.

Chemische Eigenschaften

Die bekannteste chemische Reaktion ist die