Chemie · Klasse 7–10 · aktualisiert
Legierungen: Aufbau, Eigenschaften und Beispiele
Was eine Legierung ist, warum Metalle legiert werden, wie sich homogene und heterogene Legierungen unterscheiden und wie du CuZn37 liest.
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Kurz gesagt
Eine Legierung ist ein Stoffgemisch mit Metalleigenschaften aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist, etwa Messing aus Kupfer und Zink oder Stahl aus Eisen und Kohlenstoff. Legieren verändert Eigenschaften gezielt, zum Beispiel die Härte; andere können dabei schlechter werden.
Eine Legierung ist ein Stoffgemisch mit Metalleigenschaften aus mindestens zwei chemischen Elementen. Mindestens eines davon ist ein Metall. Durch die Mischung entsteht ein Werkstoff mit eigenen Eigenschaften. Er kann zum Beispiel härter sein als ein Ausgangsstoff oder korrosionsbeständiger, also weniger anfällig für Rost und ähnliche Schäden. Dafür kann eine andere Eigenschaft, etwa die elektrische Leitfähigkeit, abnehmen.
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4 Abschnitte
Mindestens zwei Elemente werden miteinander kombiniert, mindestens eines davon ist ein Metall, und das Gemisch hat Metalleigenschaften. Das zweite Element muss kein Metall sein: Stahl verbindet zum Beispiel Eisen mit dem Nichtmetall Kohlenstoff.
Häufig werden die Bestandteile erhitzt, zusammengeschmolzen und erstarren dann gemeinsam zu einem Werkstoff. Legierungen können auch anders entstehen: durch Diffusion, bei der Teilchen der Bestandteile langsam ineinander wandern, oder durch Sintern. Beim Sintern werden fein gemischte Pulver gepresst und unterhalb ihrer Schmelztemperatur erhitzt, bis die Körnchen fest zusammenwachsen.
Typische Beispiele zeigt die Tabelle.
Definition
Legierung
Eine Legierung ist ein Stoffgemisch mit metallischem Charakter aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Metallischer Charakter heißt: Der Stoff verhält sich wie ein Metall, er glänzt und leitet Strom und Wärme. Das Metall mit dem größten oder bestimmenden Anteil heißt Basismetall; zugesetzte Stoffe heißen Legierungselemente.
| Legierung | Basismetall | Legierungselement |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer | Zinn |
| Messing | Kupfer | Zink |
| Stahl | Eisen | Kohlenstoff |
Merke: Eine Legierung ist kein einzelnes chemisches Element. Der Begriff beschreibt einen metallischen Werkstoff aus mehreren Elementen.
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Beim Legieren werden Eigenschaften gezielt verändert. Je nach Zusammensetzung und Herstellung können Härte, Festigkeit, Elastizität, Verformbarkeit oder Korrosionsbeständigkeit steigen. Korrosion ist die langsame Zerstörung eines Metalls durch Stoffe aus seiner Umgebung, zum Beispiel das Rosten von Eisen. Auch Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit können sich ändern.
Nicht jede Eigenschaft wird automatisch „besser“. Eine Legierung hat ihre eigene Kombination von Eigenschaften. Außerdem bestimmen nicht nur die enthaltenen Elemente das Ergebnis, sondern auch ihre Anteile, ihr innerer Aufbau und die Verarbeitung.
Beispiel: Kupfer oder Bronze?
- 1Reines Kupfer ist weich und sehr gut elektrisch leitfähig.
- 2Wird Kupfer mit Zinn zu Bronze legiert, kann der Werkstoff härter und stabiler werden.
- 3Gleichzeitig kann die elektrische Leitfähigkeit sinken.
- 4Die Wahl ist also eine Abwägung: Entscheidend ist, welche Eigenschaften ein Bauteil braucht.
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Eine Phase ist ein Bereich eines Werkstoffs mit einheitlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Innerhalb einer Phase ist der Werkstoff also überall gleich aufgebaut. Phasen können sehr klein sein; oft erkennt man sie erst unter dem Mikroskop.
In einem Metall sitzen die Atome regelmäßig in Reihen und Schichten, im Metallgitter. In vielen homogenen Legierungen bilden die Bestandteile einen gemeinsamen Kristall, einen Mischkristall: Atome des zugesetzten Elements, die Fremdatome, nehmen Plätze von Metallatomen im Gitter ein. Kleinere Atome können auch die Lücken zwischen den Metallatomen besetzen. Bei mehreren Phasen entstehen dagegen Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder Struktur.
Ähnlich große Atome und ähnlich aufgebaute Gitter können eine gleichmäßige Mischung begünstigen. Ob wirklich eine oder mehrere Phasen vorliegen, hängt jedoch auch von Zusammensetzung und Temperatur ab. Darum reicht die bloße Zutatenliste nicht immer für eine sichere Einordnung.
Definition
Homogene und heterogene Legierung
Eine homogene Legierung besteht im betrachteten Zustand aus einer einheitlichen Phase. Bei einer heterogenen Legierung liegen mehrere Phasen nebeneinander vor.
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Legierungsbezeichnungen können Bestandteile und ihre Massenanteile angeben. Bei CuZn37 steht Cu für Kupfer und Zn für Zink. Die Zahl 37 bedeutet: 37 % der Masse sind Zink. Der Rest, also 63 %, ist Kupfer. In den Rechnungen steht m für die Masse, m(Zn) also für die Masse des Zinks.
Gehe beim Rechnen in drei Schritten vor: Lies zuerst den angegebenen Massenanteil ab. Berechne dann die Teilmasse mit Gesamtmasse · Prozentanteil : 100. Prüfe zum Schluss die Einheit und ob die Teilmassen zusammen die Gesamtmasse ergeben.
Beispiel: Eine Probe aus 200 g CuZn37
- 1m(\mathrm{Zn}) = 200\,\mathrm{g} \cdot \frac{37}{100} = 74\,\mathrm{g}
- 2m(\mathrm{Cu}) = 200\,\mathrm{g} \cdot \frac{63}{100} = 126\,\mathrm{g}
- 3Kontrolle: 74\,\mathrm{g} + 126\,\mathrm{g} = 200\,\mathrm{g}. Die Teilmassen ergeben wieder die Gesamtmasse.
Merke: Die Zahl in der Bezeichnung gehört zum Element direkt davor. Besteht die Legierung nur aus zwei Elementen wie CuZn37, macht das Basismetall am Anfang den Rest bis 100 % aus.
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Alles auf einen Blick
Legierung
Zusammensetzung
mindestens zwei Elemente, mindestens eines davon ein Metall
Beispiele
Bronze aus Kupfer und Zinn, Messing aus Kupfer und Zink, Stahl aus Eisen und Kohlenstoff
Eigenschaften
gezielt veränderbar; eine andere Eigenschaft kann dabei schlechter werden
Struktur
homogen mit einer Phase, heterogen mit mehreren Phasen
Bezeichnung
CuZn37 heißt 37 % der Masse Zink, der Rest Kupfer
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Massen in 250 g Zinnbronze CuSn8
- 1Gegeben: 250 g der Legierung CuSn8. Sn steht für Zinn. Die Zahl 8 bedeutet: 8 % der Masse sind Zinn, der Rest ist Kupfer.
- 2Kupferanteil: 100 % − 8 % = 92 %
- 3m(\mathrm{Sn}) = 250\,\mathrm{g} \cdot \frac{8}{100} = 20\,\mathrm{g}
- 4m(\mathrm{Cu}) = 250\,\mathrm{g} \cdot \frac{92}{100} = 230\,\mathrm{g}
- 5Kontrolle: 20\,\mathrm{g} + 230\,\mathrm{g} = 250\,\mathrm{g}
Fehler finden
Massen in 150 g Messing CuZn40 In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4Kupfer macht den Rest aus: 100 % − 40 % = 60 %. Also ist m(\mathrm{Cu}) = 150\,\mathrm{g} \cdot \frac{60}{100} = 90\,\mathrm{g}; Kontrolle: 60 g + 90 g = 150 g.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
\mathrm{CuZn37} besteht zu aus Zink und zu aus Kupfer. In 200\,\mathrm{g} der Legierung sind daher Zink enthalten.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback