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Gediegenes Element

Gediegenes Element

Gediegene Elemente sind Mineralien, meist Metalle, die in der Natur in Reinform, also nicht in Verbindung mit anderen Elementen vorkommen. Es handelt sich um etwa 20 Elemente, von denen 10 geologisch relevant sind. Beispiele sind:
- Kupfer
- Silber
- Gold
- Platin
- Schwefel
- Kohlenstoff (als Diamant und Graphit)
- Osmium
- Antimon
- Blei
- Wismut (Bismut)
- Selen
- Tellur
- Eisen (nur in Meteoriten) Auch Edelgase kommen nur elementar vor, bei diesen ist jedoch der Ausdruck „gediegen“ ungebräuchlich. Als Gase zählen sie auch nicht zu den Mineralen. Gediegene Metalle, die einen niedrigen Schmelzpunkt haben, wie zum Beispiel Kupfer, standen am Anfang des Metallgebrauchs durch den Menschen. Kategorie:Mineralogie

Mineral

Als Mineral (Mehrzahl Minerale, auch Mineralien) definieren Mineralogen natürlich vorkommende Feststoffe mit einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung und einem auch auf mikroskopischer Ebene gleichförmigen Aufbau. Die meisten Minerale sind kristallin. Die Mehrzahl der heute bekannten ca. 4000 Minerale sind anorganisch, es sind aber auch wenige organische Minerale bekannt. Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie. Alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper sind aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Der spezifische Mineralinhalt eines Gesteins liefert Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei. Nach ihrer Entstehung lassen sich Primärminerale und Sekundärminerale unterscheiden: Erstere entstehen zur selben Zeit wie das Gestein, dessen Teil sie sind, letztere werden dagegen erst durch chemische Verwitterung oder Metamorphose aus den Primärmineralen gebildet.

Struktur und Form

Metamorphose Fast alle Minerale treten in der Natur als kristalline Feststoffe auf, sehr wenige dagegen als amorphe Stoffe, die dem Glas vergleichbar sind. Gediegenes, das heißt elementares, Quecksilber und Wasser, die flüssige Modifikation des Eises, stellen die einzigen Flüssigkeiten dar, die zu den Mineralen gezählt werden. Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Hexagonales und trigonales System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Durch ungleichmäßiges Kristallwachstum können so genannte Zwillinge entstehen, das sind zwei aus einem Urkristall hervorgegangene miteinander verwachsene Kristalle, die sich, bestimmten Gesetzen gemäß, symmetrisch zueinander verhalten.

Mineral-Erkennung und Eigenschaften

Die Erkennung eines Minerals kann in vielen Fällen auf Grund einiger weniger Eigenschaften wie Kristallform, Härte, Farbe, Bruchverhalten usw. erfolgen. In manchen Fällen sind jedoch weitergehende chemische Analysen, optische Tests oder Röntgenstrukturuntersuchungen zur Identifikation eines Minerals notwendig. Eine wichtige Analysemethode der Mineralogie ist die Durchleuchtung eines Mineral-Dünnschnitts im Polarisationsmikroskop, wo sich die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften des Minerals im optischen Verhalten zeigen. Wichtige Eigenschaften eines Minerals sind:
- die Farbe: Sie wird durch die chemische Zusammensetzung eines Minerals, insbesondere durch kleinere Verunreinigungen oder Fehlordnungen im Gitter, beeinflusst. So lässt sich beispielsweise Zinnober an seiner blutroten Färbung erkennen.
- die Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Hämatit lässt sich immer an seiner eisenroten Strichfarbe erkennen. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
- der Glanz: Durch die Art, wie Licht an der Oberfläche eines Kristalls reflektiert oder absorbiert wird, ergibt sich sein Glanz. Beim metallisch glänzenden Bleiglanz ist er sogar namensgebend.
- die Transparenz: Manche Minerale sind für Licht vollkommen durchlässig wie die Bergkristall genannte Quarz-Varietät. Viele metallische Erze wie z.B. der Kupferkies sind dagegen undurchsichtig, was auch als opak bezeichnet werden kann.
- die Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. So lässt sich Zinnober von Realgar durch seine durch den Gehalt an schwerem Quecksilber wesentlich höhere Dichte unterscheiden. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
- die Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
- die Spaltbarkeit: Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Kalzit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
- das Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Beispiele sind der muschelige Bruch von Dolomit und der faserige Bruch von Kyanit.
- die Lumineszenz: Sie ist ein Sammelbegriff für die verschiedenen Arten des Aufleuchtens einer Substanz unter Einwirkung irgendeiner Strahlung mit Ausnahme der reinen Wärmestrahlung (z. B. Fluoreszenz, Phosphoreszenz).
- der Magnetismus: Das magnetische Verhalten von Mineralen ist verschieden: Es gibt selbst anziehende Minerale (z. B. Magnetit), von Magneten angezogene Minerale (z. B. Magnetkies) und magnetisch neutrale Minerale. Bestimmt wird diese Eigenschaft mittels einer Kompassnadel.
- die Zähigkeit: Fachsprachlich auch Tenazität genannt versteht man darunter bei Mineralen die Sprödigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität. Für einzelne Minerale kann die Zähigkeit ein Bestimungsmerkmal sein, ist jedoch meist dem Spezialisten vorbehalten.
- die Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
- die Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich.
- der Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus bzw. Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
- die Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, d.h. die Schmelzreaktion.

Gesteinsbildende Minerale

Die meisten Gesteine setzen sich zum Großteil aus einer nur relativ kleinen Anzahl von Mineralen zusammen, den etwa dreißig Gesteinsbildnern, enthalten daneben aber noch kleinere Mengen an selteneren Bestandteilen. So werden mehr als neunzig Prozent der Erdoberfläche von Silikatmineralen wie Olivin, Pyroxen, Amphibol, Feldspat oder Quarz gebildet. Sie finden sich in magmatischen, metamorphen und auch in tonreichen Sedimentgesteinen. Weitere bedeutende Mineralgruppen sind die Karbonate, die ebenfalls in wichtigen Sedimentgesteinen wie beispielsweise Kalkstein enthalten sind und die Oxide, darunter z. B. Hämatit.

Erzlagerstätten

Mineralablagerungen, die zur Metallgewinnung wirtschaftlich abgebaut werden können, bezeichnet man als Erze. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebene Lagerstätte kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbaukosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab - während der Eisenanteil von Mineralablagerungen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Erzlagerstätten können auf sehr verschiedene Weise entstehen:
- Riesige Ablagerungen von Eisenerz, die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, wurden vor 3650 bis 1800 Millionen Jahren in der Zeit des Archaikums und frühen Proterozoikums vermutlich durch den Einfluss von Bakterien als Sedimente abgelagert.
- Durch Verwitterungsprozesse können Minerale aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet verbracht werden und sich konzentriert als Sedimente (Seifen) am Grund von Flüssen, Seen oder flacher Meere absetzen. Ein Beispiel sind Ablagerungen von so genanntem Seifengold, das traditionell durch Waschen aus Flusssand gewonnen wird.
- Wenn heißes Grundwasser, das sich in der Tiefe beim Kontakt mit magmatischer Schmelze mit Mineralen angereichert hat, durch Risse und Spalten zur Oberfläche vordringt, lagern sich mit sinkender Temperatur und sich veränderndem pH-Wert im umgebenden Gestein nacheinander verschiedene Mineralformationen ab, die auf diese Weise die so genannten Hydrothermaladern bilden.
- Auf ähnliche Weise, nur oberirdisch, entstehen Erze, wenn das mineralreiche Wasser an Thermalquellen zu Tage tritt.

Verwendung

Minerale als Schmuck

pH-Wert Seltene Minerale, die aufgrund ihrer Härte, Färbung oder ihres Glanzes als schön empfunden werden und deshalb als Schmuck dienen, sind als Schmucksteine, umgangssprachlich auch als Halbedelsteine bekannt. Mit ihnen befasst sich wissenschaftlich die Gemmologie. Die wertvollsten Schmucksteine wie zum Beispiel Diamant, Rubin, Smaragd oder Saphir heißen auch Edelsteine. (Unter diesen Begriff fallen allerdings auch Nicht-Minerale wie Bernstein.) Aufgrund ihres hohen Preises werden Edelsteine heute teilweise synthetisch hergestellt. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.

Minerale als Reinigungsmittel

Das gemahlene Tonmineral Lavaerde aus dem marokkanischen Atlasgebirge wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet.

Minerale als Reaktionspartner und Reaktionsprodukte

Die Mineralogie hat entscheidend zum besseren Verständnis von Reaktionsabläufen beigetragen. Dies gilt vor allem für die chemischen und mikrobiellen Reaktionen im Wasserkreislauf, bei der Trinkwasseraufbereitung und bei der Korrosion. Im Wasserkreislauf kommt das Wasser mit zahlreichen Mineralen in Kontakt. Als Reaktionspartner spielen vor allem Kalzit, Pyrit und Tonminerale eine größere Rolle: Ersteres ist Reaktionspartner bei der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, zweiteres wirkt als Reduktionsmittel bei der Elimination von Nitrat (Denitrifikation), während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukt bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO2, Kalzit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen WässernTroilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich dagegen Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.

Biomineralisation

Mineralbildungen spielen auch in der belebten Natur eine wichtige Rolle. Weil die entstehenden Produkte manchmal sehr gut, oft aber nur schlecht oder gar nicht kristallisiert sind, werden einige anorganische Komponenten mit ihrer chemischen Bezeichnung aufgeführt; der Mineralname ist gegebenenfalls in Klammern hinzugefügt.
- Calciumcarbonat ist in Form von Kalzit oder Aragonit in der belebten Natur ein Vielzweck-Werkstoff und dient als mineralische Komponente von Eier- oder Muschelschalen. Auch einige Mikroorganismen wie die Kammerlinge (Foraminifera) bilden kalkhaltige Schalen.
- Calciumfluorid (Fluorit) ist Hauptkomponente des Zahnschmelzes von Säugetieren.
- Calciumphosphat (Hydroxylapatit) ist die anorganische Komponente von Knochen.
- Magnetit dient Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt. Auch bei Insekten, Weichtieren, Vögeln und Fischen hat man jedoch inzwischen Magnetit nachgewiesen.
- Siliziumdioxid wird in amorpher Form als Gerüstsubstanz in Pflanzen eingebaut; Kieselalgen bauen aus dieser Substanz ihr Kieselskelett.

Minerale in der Esoterik

Vielen Mineralen wird in der Esoterik eine Bedeutung als Heilstein zugesprochen.

Systematik der Minerale

Minerale können beispielsweise nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert werden: Gediegene Elemente: Gediegene Elemente sind Minerale, die nur aus einem einzigen chemischen Element gebildet werden. Hierzu zählen etwa zwanzig Minerale, davon zehn geologisch signifikant.
- Beispiele: Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Eisen (Fe), Schwefel (S), Graphit (C), Diamant (C) Sulfide: Sulfide bestehen aus einer Verbindung von Schwefel mit Metallen oder Halbmetallen. Zu den Sulfiden zählen etwa 600 Mineralien. Mineralogisch rechnet man auch die selenhaltigen Selenide und die tellurhaltigen Telluride zu dieser Gruppe.
- Beispiele: Bleiglanz (PbS), Pyrit (FeS2), Zinkblende (ZnS), Zinnober (HgS) Halogenide: Die etwa 140 Halogenide bestehen aus einer Verbindung von Fluor, Chlor, Brom oder Iod mit Kationen wie Natrium oder Kalzium.
- Beispiele: Fluorit (CaF2), Steinsalz (NaCl) Oxide und Hydroxide: Aus der Verbindung von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff oder Hydroxylgruppen (OH- -Gruppen) entstehen die etwa 400 Oxide bzw. Hydroxide (auch Oxyde genannt).
- Beispiele: Spinell (MgAl2O4), Hämatit (Fe2O3), Magnetit (Fe3O4), Korund (Al2O3), Pechblende (UO2), Goethit (FeO(OH)) Karbonate: Die mehr als 200 Karbonate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ CO3]2-.
- Beispiele: Dolomit (CaMg(CO3)2), Kalzit (CaCO3), Malachit (Cu2CO3(OH)2) Phosphate, Arsenate, Vanadate: Phosphate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ PO4]3-. Hier werden meist auch Arsenate und Vanadate [VO4]3- eingeordnet. Die Gruppe umfasst etwa 400 Mineralien.
- Beispiele: Apatit (Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)), Türkis (CuAl6(PO4)4(OH)8 · 5H2O), Carnotit (K2(UO2)2(VO4)2 · 3H2·) Nitrate: Nitrate sind leicht lösliche Salze mit dem Anionenkomplex [ NO3]-, der meist mit Natrium oder Kalium verbunden ist. Sulfate: Die etwa 300 Sulfate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ SO4]2-. Hierher sortiert man auch die Chromate.
- Beispiele: Anhydrit (CaSO4), Gips (CaSO4 · H2O) Molybdate und Wolframate: Die eng verwandten Molybdate und Wolframate sind Verbindungen eines Metalls mit dem Anionenkomplex [MoO4]2- bzw. [WO4]2-.
- Beispiele: Wulfenit (PbMoO4), Wolframit ((Fe,Mn)WO4) Borate: Zu den etwa 125 Boraten zählen jene Minerale, die den Boratkomplex [BO3]3- enthalten.
- Beispiel: Borax (Na2B4O5(OH)4 · 8 H2O), Sassolin (H3BO3) Silikate: Die Silikate sind etwa 500 Verbindungen, in denen der [ SiO4]4--Tetraeder einen wesentlichen Baustein darstellt.
- Beispiele: Olivin ((Mg, Fe)2SiO4), Zirkon (ZrSiO4), Andalusit (Al2SiO5), Topas (Al2SiO4(OH,F)2), Beryll (Be3Al2Si6O18), Quarz (SiO2) Organische Minerale: Hierzu zählen Salze der Mellithsäure und der Oxalsäure.
- Beispiele: Bernstein, Honigstein, Kleesalz Eine Übersicht über alle Mineralartikel findet sich in der Liste von Mineralen; die verwandte Liste der Gesteine deckt Artikel zu individuellen Gesteinen ab.

Literatur


- Deer, W.A., Howie, R.A., und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
- Rösler, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991 ISBN 3342002883
- Kleber, W.: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 18. bearb. Aufl. 1998, ISBN 3486273191
- Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie, Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de Deutscher Mineralienatlas]
- [http://www.petrefaktum.de/ PETREFAKTUM] - Erdgeschichte Fossilien Mineralien -
- [http://www.minlex.de Mineralienlexikon]
- [http://web2.donzampano.com MinMax Mineralien-Information-System]
- [http://home.arcor.de/geologie-mineralogie/mineralogie-einf.htm#spalt Mineralogie&Geologie]
- [http://www.mindat.org mindat.org - The Mineral Database] - nur englisch, riesige Datenbank mit viel Input der Benutzer
- [http://www.mineralien-sammeln.de/ Datenbank mit Kenndaten der 380 häufigsten Mineralien]
- [http://www.johnbetts-fineminerals.com/jhbnyc/bestgall.htm John Betts Fine Minerals (englisch) - Mineraliengalerie] Kategorie:Mineralogie Kategorie:Bergbau ja:鉱物 simple:Mineral th:แร่

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

Kupfer

Kupfer (von lat. cuprum: „Kupfer, Metall aus Zypern“) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein hervorragender Wärme- und Stromleiter. Kupfer gehört zu den Münzmetallen. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von lat. aes cyprium = Erz von der Insel Zypern.

Kupfer als Mineral

Zypern Kupfer kommt gediegen in der Natur vor. Das Schwermetall kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine zwischen 2,5 und 3 liegende Mohshärte und als blankes Metall eine helle, lachsrosa Farbe. Durch oberflächliche Patina-Bildung verändert sich das Metall auch rotbräunlich bis hin zu einem bläulichen Grün, wobei der Metallglanz verloren geht. Strichfarbe ist rosarot. Kupfer ist als sehr weiches Metall gut formbar und zäh. Der Schmelzpunkt liegt bei 1083,4 °C.

Verbindungen

Kupfer hat in Verbindungen meistens die Oxidationsstufen +1 oder +2. Es bildet an seiner Oberfläche zuerst ein rotbraunes und danach schwarzes, festes Oxid, das je nach Luftzusammensetzung auch grüne Carbonate, Sulfate und Chloride enthalten kann. Kupferverbindungen sind in der Regel rot (Kupfer(I)-oxid, Cuprit) oder auffallend grün, türkis bis hin zu dunkelblau gefärbt (Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat). Kupfer(II)-oxid und -sulfid sind schwarz. Auch in einigen Supraleitern wie YBCO (YBa2Cu3O7-x) ist Kupfer enthalten.

Vorkommen

YBCO] Als gediegenes Element findet sich Kupfer hauptsächlich in basaltischen Laven, wo es sich meist durch Reaktion mit Minerallösungen hydrothermalen Ursprungs aus Eisenoxiderzen bildet. Es tritt meist roh oder in Form verzweigter Strukturen, so genannter Dendrite auf, selten auch in kristalliner Form. Der Anteil gediegenen Kupfers in der Natur ist allerdings sehr niedrig. In Form von Kupfererzen ist Kupfer dagegen ein sehr häufiger Bestandteil der Erdkruste. Es wird dann aus Kupferkies (CuFeS2), Kupferglanz (Cu2S), seltener auch aus Bornit (Cu5FeS4), Atacamit [CuCl2 · Cu(OH)2], Malachit und anderen Erzen gewonnen. Besonders dekorativ sind Türkis, ein Kupferphosphat und Malachit, ein grünes, basisches Kupfercarbonat. Die weltweit größten Vorkommen gibt es in Chile, den USA, Russland, Sambia, Kanada und Peru. Die wichtigsten Exportländer sind in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehören u.a. Australien, Indonesien, Zaire sowie Papua-Neuguinea, auf dessen Insel Bougainville eine der weltgrößten Kupferminen 1988 zu einem Bürgerkrieg führte, dessen Folgen noch andauern.

Verwendung

1988 Wegen seiner guten Leitfähigkeit wird reines Kupfer sowohl in elektrischen Kabeln, Leiterbahnen, als auch in Wärmeleitern verwendet. Gelegentlich werden auch Dächer mit Kupferblech gedeckt, auf denen sich dann eine beständige grünliche Patina bildet. Diese Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können. Kupfer ist auch Bestandteil vieler Legierungen wie Messing, Bronze und Neusilber. Kupferlegierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit, Preis, Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Für Münzen, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Rohrleitungen, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente usw. Man unterscheidet Knetlegierungen, was bedeutet, dass diese gut bei Normaltemperatur mechanisch verformt werden können, und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen). Beispiel für Knetlegierungen sind das silberähnliche Neusilber, eine Kupfer-Zink-Nickellegierung, und das goldgelbe Messing, eine Kupfer-Zink-Legierung. Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so das „Nordisches Gold“ genannte Metall der goldfarbigen Euromünzen, eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn Legierung. Aber auch Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind in Wirklichkeit hoch kupferhaltige Legierungen worin die kupfereigene Farbe durch ausreichenden Nickelzusatz verschwunden ist. Das Münzmetall der alten 1-DM-Geldstücke, sowie die hellen Anteile der Euromünzen sind aus Kupfer-Nickel Legierungen gefertigt. Kupferverbindungen kommen in Farbenpigmenten, Medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz. Kupfersalze färben die Flamme grün/blau (Spektralanalyse). Siehe auch: Kupferrecycling

Biologische Wirkung

Kupfer ist Bestandteil des Hämocyanin, das bei vielen Weichtieren und Gliederfüßern als Blutfarbstoff dem Sauerstofftransport dient. Auch bei allen höheren Lebewesen ist Kupfer als Bestandteil vieler Enzyme ein lebensnotwendiges Spurenelement. Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 2 Milligramm. Kupfer ist vor allen in Leber, Getreide, Gemüse und Nüsse enthalten. In ionisierter, nicht an Proteine gebundener Form wirkt Kupfer antibakteriell, man spricht hier wie beim Silber vom oligodynamischen Effekt (Oligodynamie), weshalb z. B. auch Blumenwasser, das in Kupfergefäßen aufbewahrt wird, nicht so schnell faul wird. Die toxische Wirkung entsteht dadurch dass Kupfer-Ionen an SH-Gruppen von Proteinen binden, und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, die die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen ist dies z. B. der Fall bei Morbus Wilson, einer Krankheit bei der vor allem die Leber betroffen ist. Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel, und wird deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt (beispielsweise durch weißen Phosphor).

Geschichte

Phosphor]] Kupfer, Gold und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennen lernte. Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits von den ältesten bekannten Kulturen vor etwa 10.000 Jahren verwendet. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird manchmal auch Kupferzeit genannt. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus/Weiblichkeit ♀ assoziiert. Später wurde es mit Zinn (und Bleianteilen) zu Bronze legiert. Diese härtere und technisch widerstandsfähigere Legierung wurde zum Namensgeber der Bronzezeit. Die Unterscheidung von Blei gegen Zinn wurde erst mit wachsenden Metallkenntnissen eingeführt, so dass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist. Eine weitere goldgelbe Kupfer-Legierung, das Messing, war im antiken Griechenland bereits bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst von den Römern stärker verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet. Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in einer Affinerie.

Weblinks


- http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/29Kupfer.htm
- http://www.kupferinstitut.de
- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php/Kupfer Mineralienatlas – Kupfer]
- http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/chem/wasser/kupfer_2000.htm Thema Kupferrohre und Trinkwasser
- http://www.kupfer.de Initiative Kupfer – Informationsquelle zum Einsatz von Kupfer in der Hausinstallation Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-11-Element Kategorie:Periode-4-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Mineral Kategorie:Metall Kategorie:Schwermetall ja:銅 ko:구리 simple:Copper th:ทองแดง

Silber

Silber ist ein chemisches Element. Es gehört zu den Münzmetallen. Silber ist ein Edelmetall und chemisches Element aus der ersten Nebengruppe (Kupfergruppe) des Periodensystems. Das Elementsymbol Ag leitet sich von dem lateinischen Wort Argentum = Silber ab. Es ist neben Kupfer eines von nur zwei Elementen , welche Namensgeber für ein Land sind (Silber für Argentinien und Kupfer für Zypern), während der umgekehrte Fall häufiger vorkommt. Es ist ein sehr weiches und gut verformbares Schwermetall und besitzt die größte elektrische Leitfähigkeit aller Elemente.

Silber als Mineral

Zypern Silber wird gediegen in der Natur gefunden. Das strahlendweiße Metall kristallisiert im kubischen Kristallsystem und hat einen metallischen Glanz. Frisch abgeschiedenes Silber reflektiert weit über 99,5 % des sichtbaren Lichtes und stellt somit das "weißeste" aller Gebrauchsmetalle dar. Die Oberfläche des Silbers ist meist durch Oxide und Sulfide braun bis violettschwarz gefärbt, Strichfarbe ist ein gräuliches Weiß. Mit abnehmender Korngröße wird die Farbe immer dunkler und ist bei photographisch fein verteilten Silberkristallen schwarz. Das Feinmetall ist ein hervorragender Leiter für Elektrizität und Wärme. Mit einer Härte von 2,5 bis 3 ist Silber zudem ein sehr weiches Metall, nur wenig härter als Feingold und etwas weicher als Kupfer: Ein Gramm lässt sich zu einem zwei Kilometer langen Faden ziehen. Poliertes Silber zeigt die höchsten Licht - Reflexionseigenschaften aller Metalle und wird daher auch zur Herstellung von Spiegeln benutzt.

Vorkommen

Die größten Silberproduzenten sind (Stand 2004) Mexiko, Peru, Australien und China. Die Geschichte der bolivianischen Stadt Potosi ist ganz besonders durch den Silberabbau und die Folgen für die dortigen Minenarbeiter geprägt. Etwa 6500 Kinder und Jugendliche arbeiten dort auch heute noch im Silberbergbau. Gediegenes Silber tritt meist in Form von Körnern oder als drahtig verästeltes Geflecht in Hydrothermaladern auf. Das meiste Silber wird aber aus Silbererzen, die oft zusammen mit Blei-, Kupfer- und Zinkerzen als Sulfide oder Oxide vorkommen, gewonnen. Silbererze:
- Silberglanz (Silber-Schwefel)
- Silberhornerz (Silber-Chlor)
- Silberantimonglanz (Silber-Antimon) Bei der Gewinnung von Silber wird Natriumcyanid eingesetzt, das zur Bildung von silberhaltigen Komplexen führt, die in einer nachfolgenden Elektrolyse (Möbiusverfahren) zum reinen Silber führen. Beträchtliche Silbermengen fallen auch bei der Raffination der Massenmetalle Kupfer, Blei und Zink an, deren Gewinnung so auch Einfluss auf das Silberangebot der Weltmärkte hat. Silber fällt auch als Beimetall bei der Edelmetallgewinnung an. Wie bei den anderen Edelmetallen spielt die Wiederaufarbeitung silberhaltiger Materialien im Rahmen des Recyclings von beispielsweise Fotopapieren, Röntgenfilmen, Entwickler- und Fixierbädern, Elektronikmaterialien und Batterien eine wichtige Rolle.

Verwendung

Silber wird seit Jahrhunderten für erlesenes und wertbeständiges Essbesteck, Tafelsilber und Kirchengerät verwendet. Vor der Erfindung des Porzellans war es geschätzter als das Zinn- und Holzgeschirr der einfachen Leute. Silber eignet sich besonders für Schmuck, wurde aber auch in Form von Silbermünzen immer schon als Zahlungsmittel eingesetzt. In Form von Silberbarren ergänzt es als Hortmetall Gold und Platin. Bei Schmuck und Barren kann der Silbergehalt an der Repunze abgelesen werden. Silber besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgeprägte optische Reflexionsfähigkeit. Dadurch ist es für Anwendungen in Elektrik, Elektronik und Optik prädestiniert. Die Reflexionsfähigkeit von Glasspiegeln beruht auf der chemischen Versilberung von Glasscheiben, und dieses Prinzip wird etwa auch bei Christbaumschmuck, Optiken und Licht- bzw. Wärmereflektoren verwendet. Die Schwärzung der Silbersalze durch Licht wird beim Fotopapier genutzt und bildet seit etwa 1850 die Grundlage der klassischen Fotografie. Silberlegierungen (mit Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Indium, etc.) werden in der Technik als Lotlegierungen (sogenanntes Hartlöten, siehe Lot (Metall)), Kontaktmaterialien, Leitmaterial verwendet (siehe Elektrotechnik und Wärmetechnik). Silberlegierungen werden aber auch in der Dentaltechnik und im dekorativen Bereich verwendet. Silber wird als Lebensmittelfarbstoff E 174 auch im Speisenbereich verwendet, zum Beispiel für Überzüge von Süßwaren oder zur Verzierung von Pralinen und bei Getränken wie etwa Likören. Gold wird ebenfalls als Lebensmittelfarbstoff E 175 verwendet. Silbersalze färben Glas und Emaille gelb.

Silberlegierung

Die heute gebräuchlichsten Silberlegierungen haben einen Feingehalt von 800/1000, 835/1000 und 925/1000 Teilen Silber, legiert mit einem anderen Metall, meist Kupfer zur Festigkeitssteigerung. In Hinblick auf den Export werden heute Korpuswaren vorwiegend aus einer Silberlegierung mit einem Feingehalt von 935/1000 hergestellt, da die Waren mit Silberloten gelötet werden, deren Feingehalt niedriger ist, um letztendlich dem gesetzlich geforderten Gesamtfeingehalt von beispielsweise 925/1000 zu genügen. Auch bei stark beanspruchten Bestecken geht seit Jahren der Trend zum Sterlingsilber. Neusilber ist dagegen kein Silber, sondern eine silberähnliche, weiße Unedelmetalllegierung aus Kupfer-Nickel-Zink. Silberwaren werden in der Regel abschließend feinversilbert, Bestecke und Verschleißartikel hartversilbert. Durch die sehr reine Silberbeschichtung wird die verkaufsfördernde strahlendweiße Silberfarbe und ein stark vermindertes Anlaufen der Waren erreicht. Silber wird häufig auch vergoldet, man nennt es mit einem aus dem Französischen beziehungsweise Lateinischen stammenden Wort dann Vermeil.

Chemische Eigenschaften

Silber ist als Edelmetall relativ reaktionsträge. An normaler Luft läuft seine Oberfläche allerdings mit der Zeit schwarz an, insbesondere durch Reaktion mit Schwefelwasserstoff H2S, der das elementare Silber zu Silbersulfid (Ag2S) oxidiert: :4 Ag + 2 H2S + O2 → 2 Ag2S + 2 H2O Licht, höhere Temperaturen, Feuchtigkeit, Schwefelspuren und Sauerstoff beschleunigen diesen Prozess. Silber ist mit den meisten Metallen legierbar. Gut legieren lässt es sich mit Gold oder Palladium (ein Palladiumgehalt von 20 bis 30 Prozent macht das Silber anlaufbeständig). In begrenztem Umfang lässt sich das Silber mit Chrom, Mangan oder Nickel legieren. Es lässt sich gar nicht legieren mit Kobalt oder Eisen. Silber ist in feinstverteilter Form bakterizid, also schwach toxisch, was aufgrund der großen reaktiven Oberfläche auf die hinreichende Entstehung von löslichen Silberionen zurückzuführen ist. Im lebenden Organismus werden Silberionen jedoch in der Regel schnell an Schwefel gebunden und scheiden aus dem Stoffkreislauf als dunkles, sehr schwerlösliches Silbersulfid aus. Silbergeschirr und Gerät geben beim Gebrauch immer etwas Silber mit an die Speisen und Getränke ab, was sich in dem unangenehmen Metallgeschmack bemerkbar macht. Um dies zu unterbinden und wohl auch deren Reinigung zu vereinfachen, werden silberne Trinkgefäße schon von alters her innen vergoldet. In den meisten Verbindungen liegt Silber in der Oxidationsstufe +1 vor, es gibt aber auch die Oxidationsstufen +2, wie beispielsweise im Tetrapyridinosilber(II)-persulfat - [Ag(C5H5N)4]S2O8 - oder im Silber(II)-fluorid, und +3, wie im Kaliumtetrafluoroargentat(III) - K[AgF4]. Silbersalze sind in der Regel farblos. Typische Verbindungen sind die Salze Silberchlorid (AgCl), Silberbromid (AgBr) und Silbernitrat (AgNO3). Von den Salzen des Silber(I) sind die Halogenide, mit Ausnahme des Silberfluorids (AgF), und das Sulfid (Ag2S) in Wasser und Säuren schwer bis unlöslich. Gut löslich hingegen sind Nitrat (AgNO3), Chlorat (AgClO3), Perchlorat (AgClO4) und Fluorid (AgF); mäßig löslich sind Sulfat (Ag2SO4), Acetat (CH3COOAg) und Nitrit (AgNO2). Als Edelmetall löst sich Silber nur in oxidierenden Säuren, wie beispielsweise konzentrierter Salpetersäure (HNO3) oder heißer konzentrierter Schwefelsäure (H2SO4): : \mathsf : \mathsf Die sehr giftigen Silbercyanide werden u. a. in galvanischen Bädern zur Versilberung und Farbvergoldung (hellgelb-grünlichgelb) eingesetzt. Sehr ausgeprägt bei Silber(I) ist die Neigung zur Bildung von Komplexionen, meist mit der Koordinationszahl 2. Diese Komplexionen sind mit Ausnahme des erst in starker salzsaurer Lösung entstehenden [AgCl2]- nur in alkalischer (basischer) oder neutraler Lösung beständig.

Physikalische Eigenschaften

Silber ist ein weiß glänzendes Edelmetall. Die Schmelztemperatur unter Normaldruck beträgt 961°C und die Siedetemperatur 2212 °C. Silber hat aber bereits oberhalb von 700°C, also noch im festen Zustand, einen beobachtbaren Dampfdruck. Es siedet unter Bildung von einatomigem, blauem Dampf. Das Edelmetall besitzt eine Dichte von 10,49 g/cm³ (bei 20 °C) und eine Härte nach Mohs von 2,5. Es leitet die Wärme und Elektrizität am besten von allen Metallen und lässt sich wegen seiner Dehnbarkeit und Weichheit zu feinsten, blaugrün durchschimmernden Folien von einer Dicke von nur 0,002 bis 0,003 Millimeter aushämmern oder zu sehr dünnen, bei 2 Kilometer Länge nur 0,1 bis 1 Gramm wiegenden Drähten (Filigrandraht) ausziehen.

Silber in der Medizin

Silberverbindungen finden als Desinfektionsmittel und als Therapeutikum in der Wundtherapie Verwendung. Silberionen können silberempfindliche Erreger nach relativ langer Einwirkzeit reversibel inhibieren, können darüberhinaus bakteriostatisch oder sogar bakterizid (also abtötend) wirken. Man spricht hier vom oligodynamischen Effekt (Oligodynamie). In manchen Fällen werden Chlorverbindungen zugesetzt um die zu geringe Wirksamkeit des Silbers alleine zu erhöhen. Dabei kommen verschiedene Wirkmechanismen zum Einsatz:
- Blockierung von Enzymen und Unterbindung deren lebensnotwendiger Transportfunktionen in der Zelle
- Beeinträchtigung der Zellstrukturfestigkeit
- Schädigung der Membranstruktur und Änderung des osmotischen Gleichgewichts in der Zelle durch Freisetzung von essentiellen Ionen wie Natrium und Kalium Die beschriebenen Effekte können zum Zelltod führen. Neben der Argyrie, einer irreversiblen schiefergrauen Verfärbung von Haut und Schleimhäuten, kann es bei erhöhter Silberakkumulation im Körper außerdem zu Geschmacksstörungen, Geruchsempflichkeit sowie zerebralen Krampfanfällen kommen. Stark umstritten ist die therapeutische Einnahme von kolloidalem Silber, das seit einigen Jahren wieder verstärkt ins Blickfeld der Öffentlichkeit rückt und im Internet von nicht seriösen Anbietern zum Teil hoch gelobt und als Allheilmittel und Universalantibiotikum bezeichnet wird. Leider sind neutrale und gesicherte Aussagen über eine Anwendung von kolloidalem Silber beim Menschen nicht vorhanden. Eine Indikation gibt es daher nicht.

Silber in antibakteriellen Anwendungen

In neuerer Zeit wurden Werkstoffe oder Beschichtungsverfahren entwickelt, die sich die antibakterielle Wirkung von Silber zunutze machen. Mit bestimmten Verfahren wird in der Regel nanoskaliges Silber in Werkstoffe eingebettet. Das eingebettete Silber gibt kontinuierlich Silberionen ab und wirkt dadurch Antibakteriell. Beispiele für solche Anwendungen sind:
- Silberfäden oder Silberionen hemmen in der antimikrobiellen Ausrüstung von Textilien das Wachstum von Bakterien auf der Haut und verhindern damit unangenehme Gerüche.
- zur Erzielung dermatologischer Effekte, z.B bei Neurodermitis
- Beschichtung von Oberflächen, z.B. in Kühlschränken, auf Küchenmöbeln und anderen Gegenständen
- Kunststoffe zur Anwendung in der Medizintechnik
- Antibakterielle Emaillierungen
- Antibakterielle Keramiken

Wirtschaft

Da nach 1870 vorwiegend Gold als Währungsmetall verwendet wurde, verlor das Silber seine wirtschaftliche Bedeutung immer mehr. Das Wertverhältnis sank von 1:14 einige Zeit lang auf 1:100, später stieg es wieder etwas an. Heute liegt es auf ungefähr 1:80 oder etwas mehr. Das Angebot an Silber ist sehr von der Verbrauchs- und Produktionsentwicklung anderer Metalle abhängig. Mitte des 19. Jahrhunderts hatte man endlich rostfreien Stahl entwickelt, der dann aufgrund seiner Gebrauchsfreundlichkeit und attraktiven Preises auch in Verband mit dem Wertewandel nach dem Ersten Weltkrieg die Einsatzbereiche des klassischen Silbers vordrang, man denke nur an Servierplatten, Bestecke, Leuchter, und Küchengerät. Gegenläufig dazu hat sich der Bereich Fotografie und Fotochemie unter Verwendung der Silbersalze während des ganzen 20. Jahrhunderts breit entwickelt und wird nun im Zuge der Umstellung auf die digitale Abbildungstechnik wieder an Bedeutung verlieren. Trotz dieser Entwicklung ist die weltweite Silbernachfrage steigend und wird aktuell noch dadurch gedeckt, dass Staaten wie die Volksrepublik China zurzeit ihre Silberreserven veräußern. Da der Bestand drastisch zur Neige geht, wird Silber zurzeit allgemein als stark unterbewertet angesehen, was Anleger wie Bill Gates und Warren Buffett bereits dazu bewegt hat, hohe Summen in Silber zu investieren.

Geschichte

Silber wird von Menschen etwa seit dem 5. Jahrtausend v. Chr. verarbeitet. Es wurde zum Beispiel von den Assyrern, den Goten, den Griechen, den Römern, den Ägyptern und den Germanen benutzt. Damals galt es als wertvoller als Gold. Das Silber stammte meistens aus den Minen in Lavrion, die etwa 50 Kilometer südlich von Athen lagen. Bei den alten Ägyptern war Silber als das Mondmetall bekannt. Im Mittelalter wurden Silbererzvorkommen im Harz (Goslar), in Sachsen (Freiberg und übriges Erzgebirge), Südschwarzwald (Schauinsland, Belchen, Feldberg), Böhmen (Kutna Hora) und der Slowakei entdeckt. Später brachten die Spanier große Mengen von Silber aus Amerika, unter anderem aus der sagenumwobenen Mine von Potosi, nach Europa. Durch diesen Import sank der Silberwert in der alten Welt. Der deutsche Name Silber stammt vom althochdeutschen Wort Silabar, das möglicherweise auf Homers Sagenland Salybe zurückgeht.

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Silber Mineralienatlas - Silber]
- [http://www.fraunhofer.de/fhg/archiv/presseinfos/pflege.zv.fhg.de/german/press/pi/pi2002/03/pi13_ifam.html Anwendung in der Medizintechnik]
- [http://www.silverinstitute.org/ Silver Institute - Verband von Silbeproduzenten]
- [http://www.taprofessional.de/charts/Silber-Unze-Line-Chart.htm Charts: Kurs-Entwicklung einer Unze Silber in Dollar] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-11-Element Kategorie:Periode-5-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Mineral Kategorie:Schwermetall ja:銀 simple:Silver th:เงิน

Platin

Platin ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Pt und der Ordnungszahl 78. Platin ist ein schweres, schmiedbares, dehnbares, edles, grau-weißes Übergangsmetall. Platin ist sehr korrosionsbeständig und wird zur Herstellung von Schmuckwaren, Laborgeräten, Zahnimplantaten, Kontaktwerkstoffen und Katalysatoren verwendet.

Geschichte

Platin wurde schon vor der Entdeckung Amerikas durch Kolumbus von den Indianern Südamerikas benutzt. Der Name leitet sich vom spanischen Wort platina, der Kleinerungsform von plata "Silber", ab. Die erste europäische Referenz stammt von dem italienischen Humanisten Julius Caesar Scaliger (1484-1558). Er beschreibt ein mysteriöses weißes Metall, das sich allen Schmelzversuchen entzog. Eine ausführlichere Beschreibung der Eigenschaften findet sich in einem 1748 veröffentlichten Bericht von Antonio da Ulloa. Das Problem der Platinschmelze wurde im 19. Jahrhundert von dem deutschen Chemiker Heraeus gelöst.

Vorkommen

Südafrika, Russland (vor allem nördlicher Ural), Kanada und Kolumbien.

Gewinnung und Darstellung

Metallisches Platin (Platinseifen) wird heute praktisch nicht mehr abgebaut. Platinbergwerke gibt es nur in Südafrika (Transvaal).
Platinquellen sind auch die Buntmetallerzeugung (Kupfer und Nickel) in Sudbury (Ontario) und Norilsk (Russland). Hier fallen die Platingruppenmetalle als Nebenprodukt an. Als Platinnebenmetall bezeichnet man fünf Metalle, die in ihrem chemischen Verhalten dem Platin so ähneln, dass die Trennung und Reindarstellung ursprünglich große Schwierigkeiten machte. 1803 wurden Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium, und 1844 wurde Ruthenium entdeckt.

Eigenschaften

Das sehr korrosionsbeständige, schmiedbare und weiche Schwermetall zeigt im reinen, polierten Zustand den sog. Dunkelglanz. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff und andere Gase werden von Platin im aktivierten Zustand gebunden. Es besitzt daher sehr bemerkenswerte katalytische Eigenschaften; Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in seiner Anwesenheit explosiv miteinander zu Wasser. Allerdings werden Platinkatalysatoren schnell durch Alterung und Verunreinigungen inaktiv (vergiftet).
Die hohe Haltbarkeit und Anlaufbeständigkeit und Seltenheit eignen Platin besonders zur Herstellung von hochwertigen Schmuckwaren.
Platin zeigt, wie auch die anderen Metalle der Platingruppe, ein widersprüchliches Verhalten. Einerseits ist es edelmetalltypisch chemisch träge, andererseits hochreaktiv, katalytisch-selektiv gegenüber bestimmten Substanzen und Reaktionsbedingungen. Auch bei hohen Temperaturen zeigt Platin ein stabiles Verhalten. Es ist daher für viele industrielle Anwendungen interessant.
In Salz- und Salpetersäure ist es unlöslich. Von Königswasser wird es unter Bildung von rotbrauner Hexachloroplatin(IV)-säure angegriffen. Auch von Alkali-, Peroxid-, Nitrat-, Cyanid- und anderen Salzschmelzen wird Platin angegriffen. Viele Metalle bilden mit Platin Legierungen, beispielsweise Eisen, Nickel, Kupfer, Kobalt, Gold, Wolfram, Gallium, Zinn, etc. Besonders hervorzuheben ist, dass Platin zum Teil unter Verbindungsbildung mit heißem Schwefel, Phosphor, Bor, Silicium, Kohlenstoff in jeder Form reagiert, das heißt auch in heißen Flammengasen. Auch viele Oxide reagieren mit Platin, weshalb auch nur bestimmte Werkstoffe als Tiegelmaterial eingesetzt werden können. Beim Schmelzen des Metalls mit beispielsweise Propan-Sauerstoff muss deshalb mit neutraler bis schwachoxidierender Flamme gearbeitet werden. Beste Möglichkeit ist das flammenfreie elektrisch-induktive Heizen des Schmelzgutes in Zirkonoxidkeramiken.

Verwendung

Aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der hervorragenden Eigenschaften eignen Platin und Platinlegierungen sich hervorragend für zahlreiche unterschiedliche Einsatzgebiete. So ist Platin ein favorisiertes Material zur Herstellung von Laborgeräten. Da Platin keine Flammenfärbung erzeugt, werden z.B. dünne Platindrähte verwendet, um Stoffproben in die Flamme eines Bunsenbrenners zu halten. Platin wird darüber hinaus in einer nahezu unüberschaubare Anzahl von Bereichen verwendet:
- Schmuckwaren
- Thermoelemente
- Heizleiter
- Kontaktwerkstoffe
- Katalysatoren
- Wasserstoffspeicher
- Magnetwerkstoffe
- Chemischer Apparatebau
- Schmelztiegel für die Glasherstellung
- Glaseinschmelzlegierungen
- Medizinische Implantate, Zahnersatz
- Herzschrittmacher
- Schubdüsen, Verkleidungen für Raketen
- Arzneimittel gegen Krebs (Cytostatika, beispielsweise Cisplatin)
- Schreibfedern
- Spinndüsen
- Platinspiegel (Spiegel und Glasfenster die nur auf der vom Glas abgewandten Seite reflektieren.)
- Döbereinersches Feuerzeug (hist.) Das Internationale Kilogrammprototyp, das in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird, besteht aus einer Legierung von 90% Platin und 10% Iridium.
Aus der selben Legierung besteht das Internationale Meterprototyp von 1889, das bis 1960 das Meter definierte.

Sicherheitshinweise

Platin ist normalerweise nicht gesundheitsschädigend. Seine Verbindungen sollten als hochtoxisch angesehen werden. Einige Platinverbindungen (z.B. Cisplatin, Carboplatin) werden zur Chemotherapie gegen Krebs eingesetzt.

Verbindungen


- Platin(VI)-oxid (PtO3)
- Platin(II)-chlorid (PtCl2)
- Tetrachloroplatin(II)-säure (H2PtCl4)
- Hexachloroplatin(IV)-säure (H2PtCl6)
- Platin(IV)-fluorid (PtF4)
- Platin(V)-fluorid (PtF5)
- Platin(VI)-fluorid (PtF6)
- Platin(II)-bromid (PtBr2)
- Platin(IV)-bromid (PtBr4)
- Platin(II)-iodid (PtI2)
- Platin(IV)-iodid (PtI4) Ein Beispiel für eine Verbindung mit Platin in der Oxidationstufe 0 ist
- Tetrakis(triphenylphosphin)platin (Pt(PPh3)4)

Weblinks


- [http://periodic.lanl.gov/elements/78.html Los Alamos National Laboratory - Platinum]
- [http://www.vanderkrogt.net/elements/elem/pt.html A balanced historical account of the sequence of discoveries of platinum; illustrated.]
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Pt/index.html WebElements.com - Platinum]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Pt.html EnvironmentalChemistry.com - Platinum]
- [http://www.taprofessional.de/charts/Platin-Unze-Line-Chart.htm Charts: Kurs/Preis-Entwicklung Platin in Dollar] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-10-Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Katalysator Kategorie:Edles Material ja:プラチナ simple:Platinum

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