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André Otto
Legierungen (Expertenwissen)
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Legierungen (Expertenwissen)

Legierungen – Chemie

Der größte Teil des Periodensystems der Elemente besteht aus Metallen, die wir auf vielen Gebieten nutzen. Wegen der hohen technischen Ansprüche möchte man oft die Eigenschaften der Metalle verbessern. Manchmal wünscht man sich eine größere Härte. In anderen Fällen hätte man gerne, dass die Metalle korrosionsbeständiger sind. Daher stellt man Gemische aus Metallen her, sogenannte Legierungen. Was Legierungen sind schauen wir uns im folgenden Text genauer an.

Was ist eine Legierung? – Definition

Legierungen sind homogene, meist feste Gemische, die aus einem Metall und mindestens einem weiteren Metall, Halbmetall oder Nichtmetall bestehen. Für eine Legierung kann man praktisch jedes Metall verwenden. Die meisten Legierungen sind intermetallische Legierungen aus zwei und mehr Metallen.

Bedingungen für die Bildung einer Legierung

Damit sich Legierungen bilden, sollten die Komponenten möglichst ähnliche Eigenschaften haben:

  • Die Kristallgitter sollten gleich sein. Metalle habe beispielsweise meist ein kubisch-flächenzentriertes (kfz) oder ein kubisch-raumzentriertes Gitter (krz).
  • Die Gitterkonstanten (GK) sollten sich um nicht mehr als 15 Prozent unterscheiden. Bei kubischen Gittern gibt es nur eine Gitterkonstante, die Kubus-Kantenlänge in der Einheit $10^{-10}~m$.
  • Es sollte eine Ähnlichkeit in Eigenschaften wie der Dichte ($\rho$ in der Einheit $\frac{g}{cm^{3}}$) und der Härte auf der mohsschen Härteskala (1-10) vorhanden sein.
  • Die Elektronegativitäten (EN) sollten übereinstimmen, d.h., die Elektronegativitätsdifferenzen sollten möglichst gering sein.

Beurteilung der Legierbarkeit

Die nachfolgende Tabelle zeigt exemplarisch sieben Metalle, die so anhand ihrer Eigenschaften auf eine gemeinsame Legierbarkeit beurteilt werden können. In der zweiten Spalte steht der Gittertyp, hier $kfz$ oder $krz$, in der dritten die Gitterkonstanten in $10^{-10}~m$, in der vierten die Dichten $\rho$ in $\frac{g}{cm^{3}}$, in der fünften die Elektronegativitäten EN und in der sechsten Spalte die Härten nach Mohs.

Metall Gitter-
typ
Gitter-
konstante
Dichte
$\rho$
EN Härte n.
Mohs
$Blei$ $kfz$ $4,95$ $11,3$ $2,3$ $1,5$
$Kupfer$ $kfz$ $2,86$ $8,9$ $1,9$ $3,0$
$Nickel$ $kfz$ $3,25$ $8,9$ $1,9$ $3,8$
$Eisen$ $krz$ $2,86$ $7,9$ $1,8$ $4,0$
$Chrom$ $krz$ $2,89$ $7,1$ $1,7$ $8,5$
$Silber$ $kfz$ $4,08$ $10,5$ $1,9$ $2,5$
$Gold$ $kfz$ $4,08$ $19,3$ $2,5$ $2,5$

Einige Metalle zeigen auffällige Eigenschaften. So haben nur Eisen und Chrom ein kubisch‑raumzentriertes Gitter (krz), Gold hat die mit Abstand größte Dichte und Chrom ist ein außerordentlich hartes Metall.
Prüfen wir, welche Metalle miteinander gut legierbar sind:

  • Kupfer & Nickel: Beide Metalle haben ein kubisch‑flächenzentriertes Gitter und zeigen eine perfekte Übereinstimmung in den Werten für die Dichte und die Elektronegativität. Nur bei der Härte und bei der Gitterkonstante gibt es mäßige Abweichungen. Kupfer und Nickel sind unbegrenzt legierbar.
  • Gold & Silber: Beide Metalle haben das gleiche Kristallgitter. Die Übereinstimmung bei den Gitterkonstanten ist perfekt. Auch die Härten stimmen exakt überein. Bei den Elektronegativitäten finden wir nur eine ungefähre Übereinstimmung. Die Dichten hingegen unterscheiden sich fast um den Faktor zwei. Mit Ausnahme der Dichten gibt es exzellente Übereinstimmungen zwischen den einzelnen Parametern. Damit ergibt sich: Gold und Silber sind sehr gut legierbar.
  • Gold & Kupfer: Beide Metalle verfügen über ein kubisch‑flächenzentriertes Gitter. Bei der Härte finden wir eine gute Übereinstimmung. Die Elektronegativitäten sind ungefähr gleich. Aber die Dichte von Gold ist mehr als doppelt so groß wie die von Kupfer. Auch die Gitterkonstanten zeigen keine gute Übereinstimmung. Dennoch sprechen mehr gemeinsame Merkmale für eine mögliche Legierung. Gold und Kupfer sind legierbar.
  • Nickel & Eisen: Das Kristallgitter ist in beiden Fällen verschieden. Die Elektronegativitäten hingegen und die Härten stimmen gut überein. Auch bei den Dichten liegt noch eine Übereinstimmung vor. Die Gitterkonstanten hingegen differieren recht stark. Dennoch sprechen mehr gemeinsame Merkmale für eine mögliche Legierung. Nickel und Eisen sind legierbar.
  • Eisen & Chrom: Beide Metalle haben ein kubisch‑raumzentriertes Gitter. Auch bei den Gitterkonstanten und den Dichten gibt es große Übereinstimmungen. Genauso verhält es sich bei den Elektronegativitäten. Allein die Härten zeigen eine große Differenz. Dennoch sprechen mehr gemeinsame Merkmale für eine mögliche Legierung. Eisen und Chrom sind legierbar.
  • Blei & Eisen: Ihre Kristallgitter unterscheiden sich. Der Unterschied in den Gitterkonstanten ist groß, der Unterschied in den Dichten ist es ebenfalls. Allein die Elektronegativitäten zeigen eine ungefähre Übereinstimmung. Die Härten hingegen sind wieder verschieden. Es sprechen kaum gemeinsame Merkmale für eine mögliche Legierung. Blei und Eisen sind nicht legierbar!

Legierungen – Beispiele

  • Bronze stellt man seit der Bronzezeit her. Sie ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn.
  • Zur Herstellung von Messing werden Kupfer und Zink legiert.
  • Gusseisen ist Eisen mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt von mehr als zwei Prozent.
  • Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von weniger als zwei Prozent.
  • Tombak ist eigentlich Messing mit einem besonders hohen Kupferanteil.
  • Das Sterlingsilber enthält über 90 Prozent Silber. Der Rest ist Kupfer.
  • Im Neusilber gibt es kein Silber – nur Kupfer, Nickel und Zink.
  • Die US-amerikanische 5-Centmünze, der Nickel, erhielt seinen Namen von Kupfernickel. Dort ist Kupfer in größerer Menge als Nickel enthalten.

Verschiedene Legierungen von Gold

Hinweise zum Video

In diesem Video wird dir beschrieben, was man unter einer Legierung versteht. Legierungen sind meist ein Vertiefungsthema in der Oberstufe. Zum besseren Verständnis solltest du bereits Kenntnisse zum Periodensystem und insbesondere zu den Metallen haben.

Übungen und Arbeitsblätter
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Transkript Legierungen (Expertenwissen)

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

3 Kommentare
3 Kommentare
  1. Interessant

    Von Erwin S., vor etwa 3 Jahren
  2. Ich bin (freier) Produzent. Bitte direkt an sofatutor wenden.

    Von André Otto, vor mehr als 10 Jahren
  3. Das Video stoppt in der Mitte. Bei einer Kostenpflichtigen Seite, ist dies leider nicht hinnehmbar. Bitte erneuern sie diesen Aufall.

    Von Hasse Christian, vor mehr als 10 Jahren

Legierungen (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Legierungen (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften von Metallen, die sich gleichen sollten, um Legierungen zu ermöglichen.

    Tipps

    Die Struktur der Stoffe sollte sich nicht stark unterscheiden.

    Besonders wichtig ist die Fähigkeit von Atomen, in einer chemischen Bindung Elektronenpaare an sich zu ziehen.

    Lösung

    Für Legierungen ist es wichtig, dass Härte, Elektronegativität, das Kristallgitter und die Gitterkonstante sich ähneln, da es sonst zu keiner homogenen Mischung kommen kann.
    Bei Legierungen handelt es sich um Gemische aus mindestens zwei Komponenten, wobei mindestens eins ein Metall ist. Das Metall, was die Hauptmasse bildet, bezeichnet man als Grundmetall und alles andere sind Zusätze. Durch das Legieren werden vor allem die Eigenschaften des Grundmetalls verändert und den Ansprüchen angepasst.

  • Ermittle, aus welchen Metallen die Legierungen bestehen.

    Tipps

    In Bronze befindet sich $Sn$, in Messing befindet sich jedoch $Zn$.

    Ein hoher Kohlenstoffanteil in Eisen macht die Legierung hart und spröde.

    Lösung

    Legierungen sind homogene Gemische.
    Gusseisen gehört z.B. dazu. Es besteht aus 96-98% Eisen und nur knapp 2-4% Kohlenstoff. Es ist sehr spröde, gieß- aber nicht schmiedbar. Stahl hingegen ist relativ elastisch und schmiedbar.

    Bronze, eine Legierung aus Kupfer und Zinn, ist korrosionsbeständig, gut dehn- und bearbeitbar. Messing verhält sich ähnlich. Auch diese Legierung ist gut verformbar und korrosionsbeständig.

    Amalgame bestehen aus Quecksilber und einem weiteren Metall, wie z.B. Gold, Silber, Zink oder Blei. Sie sind folglich eine Untergruppe der Legierungen. Amalgame werden für Zahnfüllungen und Elektroden verwendet.

  • Entscheide, welche Legierungen theoretisch möglich sind.

    Tipps

    Achte darauf, dass die Eigenschaften sich sehr ähnlich sein müssen.

    Am wichtigsten ist es, dass sich die Gitterstruktur nicht unterscheidet.

    Lösung

    Legierungen können dann zustande kommen, wenn sich die Eigenschaften der Metalle nicht allzu sehr unterscheiden. Besonders wichtig ist, dass die Gitterstruktur übereinstimmt.
    Wichtig sind auch die Gitterkonstante, die Dichte, die Elektronegativität und die Härte. Umso ähnlicher sich also die Metalle sind, umso besser sind sie legierbar.
    Kupfer und Nickel lassen sich besonders gut legieren, da sie dasselbe Gitter, die gleiche Dichte und dieselbe Elektronegativität aufweisen.
    Eisen und Blei hingegen, ergeben keine Legierung. Sie besitzen unterschiedliche Gitterstrukturen und unterscheiden sich auch in den anderen Eigenschaften sehr stark.

  • Bestimme die Anwendungsmöglichkeiten folgender Legierungen.

    Tipps

    Stahl-Legierungen können sehr hart und beständig sein.

    Aus Gusseisen werden maßgenaue Formstücke hergestellt.

    Messing wird gern für Alltagsgegenstände benutzt.

    Lösung

    Nicht jede Legierung kann überall angewendet werden, denn die unterschiedlichen Legierungen haben auch unterschiedliche Eigenschaften.
    Stahllegierungen sind meist sehr hart und beständig. Sie sind deshalb sehr gut für Werkzeuge geeignet, da diese meist viel aushalten müssen.

    Hast du dich schon mal gefragt, woraus Gullideckel bestehen? Sie werden meistens aus Gusseisen hergestellt, weil dieses gut gießbar ist. Gullideckel sind maßgenaue Formstücke. Diese zu schmieden wäre viel zu aufwendig, weshalb sie in eine Form gegossen werden.
    Bei Sportwettkämpfen bekommt der Drittplatzierte oft eine Bronzemedaille. Bronze ist gut dehn- und bearbeitbar. Auch Statuen wurden oft aus Bronze gefertigt.
    Messing findest du z.B. bei Türklinken. Es ist gut verformbar und besonders wichtig: es ist korrosionsbeständig, das heißt, dass auch Regenwasser einer Messingtürklinke nicht schaden kann.

  • Gib wichtige Aussagen über Legierungen wieder.

    Tipps

    Eisen ist als reines Metall recht weich. Stahl dagegen ist sehr hart und robust.

    Sind die Eigenschaften zweier Metalle zu unterschiedlich, kann keine Legierung entstehen.

    Man kann bereits von den Eigenschaften der Metalle absehen, ob eine Legierung entstehen könnte.

    Lösung

    Legierungen werden hergestellt, damit die Eigenschaften der reinen Metalle verbessert werden. Man schafft dadurch Stoffe, die korrosionsbeständiger, stabiler oder vielleicht leichter verarbeitbar sind.

    Weiterhin kann man bereits an den Eigenschaften der reinen Ausgangsmetalle absehen, ob beide Metalle eine Legierung bilden würden. Dies kann man aber nicht immer mit 100%-iger Wahrscheinlichkeit sagen, da es auch Ausnahmen gibt. Grundsätzlich sollten sich aber die meisten fundamentalen Eigenschaften ähnlich sein.

  • Beschreibe die Veredelung von Roheisen zu Stahl.

    Tipps

    Welcher Stoff wird benötigt um Kohlenstoff zu oxidieren? Es entsteht ein Oxid.

    Man kann danach z.B. noch Nickel oder Chrom hinzufügen.

    Lösung

    Bei der Stahlerzeugung wird Roheisen durch Oxidationsvorgänge von den enthaltenden Verunreinigungen befreit. Der enthaltende Kohlenstoff wird mit Sauerstoff oxidiert und andere Elemente reagieren mit Zuschlägen zu Schlacke. Durch Zugabe von Chrom zur Legierung wird der Stahl korrosionsbeständiger und rostet nicht.