Einführung in die Chemie

Begriffe

• BergbauDie Tätigkeit, feste Wertstoffe aus der Erde zu gewinnen.
• LegierungEin Metall, das eine Kombination von zwei oder mehr Elementen ist, von denen mindestens eines ein Metall ist.
• Einheimisches MetallJedes Metall, das in seiner metallischen Form, entweder rein oder als Legierung, in der Natur vorkommt.

Einheimische Metalle

Einheimisches Metall ist jedes Metall, das in seiner metallischen Form, entweder rein oder als Legierung, in der Natur vorkommt. Zu den Metallen, die einzeln und/oder in Legierungen in der Natur vorkommen, gehören Antimon, Arsen, Bismut, Kadmium, Chrom, Kobalt, Indium, Eisen, Nickel, Selen, Tantal, Tellur, Zinn, Titan und Zink.

Zwei Gruppen von Metallen sind ebenfalls in der Natur zu finden: die Goldgruppe und die Platingruppe.

• Die Goldgruppe besteht aus Gold, Kupfer, Blei, Aluminium, Quecksilber und Silber.
• Die Platingruppe besteht aus Platin, Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium und Ruthenium.

Nur Gold, Silber, Kupfer und die Platinmetalle kommen in der Natur in größeren Mengen vor. Über geologische Zeiträume hinweg können nur sehr wenige Metalle natürlichen Verwitterungsprozessen wie der Oxidation widerstehen. Aus diesem Grund kommen nur die weniger reaktiven Metalle wie Gold und Platin in der Natur vor. Die anderen kommen in der Regel als isolierte Einschlüsse vor, in denen ein natürlicher chemischer Prozess eine gemeinsame Verbindung oder ein Erz des Metalls reduziert. Dabei bleibt das reine Metall als kleine Flocken oder Einschlüsse zurück.

Native Metalle waren für den prähistorischen Menschen der einzige Zugang zu Metall. Es wird angenommen, dass das Verfahren zur Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen (das sogenannte Schmelzen) um 6500 v. Chr. entdeckt wurde. Diese Metalle kamen jedoch nur in relativ geringen Mengen vor, so dass sie nicht in großem Umfang verwendet werden konnten. Obwohl Kupfer und Eisen also schon lange vor der Kupfer- und Eisenzeit bekannt waren, hatten sie keinen großen Einfluss auf die Menschheit, bis die Technologie, sie aus ihren Erzen zu schmelzen und somit in Massen zu produzieren, aufkam.

Legierungen

Eine Legierung ist eine Mischung aus zwei oder mehr Elementen in fester Lösung, bei der der Hauptbestandteil ein Metall ist. Die meisten reinen Metalle sind entweder zu weich, spröde oder chemisch reaktiv für den praktischen Gebrauch. Durch die Kombination verschiedener Anteile von Metallen in Form von Legierungen werden die Eigenschaften von reinen Metallen so verändert, dass sie die gewünschten Merkmale aufweisen. Ziel der Herstellung von Legierungen ist es im Allgemeinen, die Metalle weniger spröde, härter oder korrosionsbeständiger zu machen oder ihre Farbe oder ihren Glanz zu verbessern.

Von allen heute verwendeten Metalllegierungen machen die Eisenlegierungen (Stahl, rostfreier Stahl, Gusseisen, Werkzeugstahl und legierter Stahl) sowohl mengenmäßig als auch vom Handelswert her den größten Anteil aus. Eisen, das mit verschiedenen Anteilen an Kohlenstoff legiert ist, ergibt Stähle mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt; der höhere Kohlenstoffgehalt verringert die Duktilität und Zähigkeit. Der Zusatz von Silizium ergibt Gusseisen, während der Zusatz von Chrom, Nickel und Molybdän zu Kohlenstoffstählen (mehr als 10 %) zu nichtrostenden Stählen führt.

Andere wichtige Metalllegierungen sind Aluminium, Titan, Kupfer und Magnesium. Kupferlegierungen sind seit der Vorgeschichte bekannt – Bronze gab der Bronzezeit ihren Namen – und finden heute zahlreiche Anwendungen, vor allem in der elektrischen Verkabelung. Die Legierungen der anderen drei Metalle wurden erst in jüngerer Zeit entwickelt; aufgrund ihrer chemischen Reaktivität erfordern sie elektrolytische Extraktionsverfahren. Die Legierungen aus Aluminium, Titan und Magnesium werden wegen ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht geschätzt, und Magnesium kann auch als elektromagnetische Abschirmung dienen. Diese Werkstoffe sind ideal für Situationen, in denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis wichtiger ist als die Materialkosten, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt und bei einigen Automobilanwendungen. Legierungen, die speziell für sehr anspruchsvolle Anwendungen wie Düsentriebwerke entwickelt wurden, können mehr als zehn Elemente enthalten.

Erze

Metalle werden häufig durch Bergbau aus der Erde gewonnen, wobei Erze entstehen, die relativ reich an den erforderlichen Elementen sind. Die Suche nach Erzen erfolgt durch Prospektionstechniken, gefolgt von der Erkundung und Untersuchung von Lagerstätten. Mineralvorkommen werden im Allgemeinen in übertägige Minen, die mit schwerem Gerät abgebaut werden, und in untertägige Minen unterteilt.

Nach dem Abbau des Erzes müssen die Metalle extrahiert werden, in der Regel durch chemische oder elektrolytische Reduktion. In der Pyrometallurgie wird das Erz bei hohen Temperaturen in Rohmetalle umgewandelt, während in der Hydrometallurgie zum gleichen Zweck wässrige Chemie eingesetzt wird. Die angewandten Methoden hängen vom Metall und seinen Verunreinigungen ab.

Wenn ein Metallerz eine ionische Verbindung aus diesem Metall und einem Nichtmetall ist, muss das Erz in der Regel verhüttet (oder mit einem Reduktionsmittel erhitzt) werden, um das reine Metall zu gewinnen. Viele gebräuchliche Metalle, wie z. B. Eisen, werden mit Kohlenstoff als Reduktionsmittel verhüttet. Für einige Metalle, wie Aluminium und Natrium, gibt es kein kommerziell nutzbares Reduktionsmittel, so dass sie stattdessen durch Elektrolyse gewonnen werden. Sulfiderze werden nicht direkt zum Metall reduziert, sondern an der Luft geröstet, um sie in Oxide umzuwandeln.