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Metalle

[674] Metalle (griech.), die chemischen Elemente, die gute Leiter der Wärme und Elektrizität sind, eigentümlichen starken Glanz besitzen, in einigermaßen starker Schicht undurchsichtig sind und mit Sauerstoff und Wasserstoff meist basische Verbindungen bilden. Man teilte früher die Elemente in M. und Metalloide (Nichtmetalle), aber diese Einteilung stützt sich auf schwankende und ungewisse Unterschiede und läßt die chemischen Eigenschaften der Elemente unberücksichtigt. Zu den Metallen, die das gewöhnliche Leben als solche bezeichnet, rechnet man auch eine Anzahl ähnlicher, aber doch in vieler Hinsicht abweichender Körper, die ihres geringen spezifischen Gewichts halber (unter 5,0) als Leichtmetalle zusammengefaßt werden, nämlich: a) Alkalimetalle: Kalium, Natrium, Lithium, Cäsium, Rubidium; b) Erdalkalimetalle: Baryum, Strontium, Calcium, Magnesium; c) Erdmetalle: Beryllium, Aluminium, Zirkonium, Thorium, Yttrium, Erbium, Cerium, Lanthan etc. Diesen Leichtmetallen stehen gegenüber die Schwer- oder Erzmetalle, die man wieder in edle: Quecksilber, Silber, Gold, Platin, Palladium, Iridium, Ruthenium, Rhodium, Osmium, und unedle: Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Uran, Chrom, Zink, Kadmium, Gallium, Germanium, Skandium, Kupfer, Blei, Indium, Thallium, Zinn, Titan, Tantal, Niobium, Wolfram, Vanadin, Molybdän, Tellur, Wismut, Antimon, teilt. Diese Einteilung ist wenig exakt, und man ordnet deshalb die M. besser nach ihren chemischen Eigenschaften in Gruppen wie die übrigen Elemente (s. Elemente). Die Technik rechnet zu den Metallen auch die Legierungen, wie Kupfer-Zinklegierung oder Messing, Kupfer-Zinnlegierung oder Bronze, Kupfer-Zink-Nickellegierung oder Neusilber etc., und versteht oft unter Metall speziell diese und ähnliche Legierungen, auch alle M. im Gegensatz zum Eisen und Stahl.

Alle M. außer Quecksilber sind bei gewöhnlicher Temperatur starr und bilden auch fast nur starre Verbindungen. Sie besitzen bei ebener Oberfläche starken Glanz (Metallglanz) und reflektieren das Licht in hohem Grad (Metallspiegel); die Farbe ist meist ein ins Graue ziehendes Weiß (Gold ist im sein verteilten Zustand braungelb, Kupfer gelbrot). In sehr dünner Schicht sind die M. durchsichtig, Silber mit blauer, Gold mit grüner Farbe. Silber ist das durchsichtigste, Wismut das am wenigsten durchsichtige der untersuchten M. Die meisten M. zeigen unter gewöhnlichen Verhältnissen einen eigenartigen Geruch, der bei sorgfältiger Reinigung (bei Messing, Eisen, Stahl sehr schwer) verschwindet, wenn man vermeidet, das Metall beim Riechen anzuhauchen. Der Geruch tritt aber wieder hervor, wenn man die M. mit nicht zu trockner Hand berührt oder reibt. Man kann unterscheiden den Geruch von Zink, Zinn und Aluminium, den Kupfergeruch von Kupfer und Aluminium und den starken Eisengeruch von Eisen und Stahl. Offenbar entstehen diese Gerüche durch Einwirkung von Ausscheidungsprodukten der Haut auf die M. Alle M. sind kristallisierbar, einige kristallisieren sehr leicht (Wismut, Antimon, Zink), bei andern wird das kristallinische Gefüge erst durch Ätzen sichtbar. Die Härte beträgt, wenn man die des Bleies = 1 setzt, bei Zinn 1,7, Wismut 3,3, Kadmium 6,9, Gold 10,7, Zink 11,7, Silber 13,3, Aluminium 17,3, Kupfer 19,3, Platin 24,0, Schmiedeeisen 60,7, grauem Gußeisen 64,0. M., die stets vollkommen kristallinische Struktur zeigen, sind sehr spröde, oft pulverisierbar (Antimon, Wismut, Zink); andre sind äußerst geschmeidig, und im allgemeinen wächst die Geschmeidigkeit mit der Temperatur; doch ist z. B. Zink bei gewöhnlicher Temperatur brüchig, bei 100° geschmeidig, bei 200° sehr spröde. Die geschmeidigen M. sind hämmerbar und dehnbar; sie werden beim Hämmern, Walzen und Ausziehen dichter, härter, elastischer, zuletzt sehr spröde; doch erhalten sie dann durch Ausglühen ihre frühere Beschaffenheit wieder. Ziehbarkeit ist nicht immer der Hämmerbarkeit proportional. In folgender Tabelle stehen die M. in der Reihenfolge, in der sie abnehmend walzbar und ziehbar sind:

Girardin gibt folgende Tabelle, in der von der Walzbarkeit noch die Hämmerbarkeit unterschieden wird:

Die Festigkeit ist ziemlich proportional der Härte. Die geschmeidigen M. lassen sich schweißen, Kaliumstücke vereinigen sich unter dem Druck des Fingers; sein verteiltes Platin, Kupfer, Blei werden durch starken Druck in eine dichte Masse verwandelt; kompaktes Eisen, Kupfer, Platin sind in der Hitze schweißbar. Das spezifische Gewicht der M. wird durch Walzen, Hämmern, Ausziehen meist erhöht; es beträgt bei

Setzt man die Wärmeleitungsfähigkeit des Silbers = 100, so beträgt die der übrigen Metalle:

[674] Umstände, welche die Molekularstruktur ändern, modifizieren auch die Leitungsfähigkeit für Wärme, und der letztern ist wahrscheinlich auch die Leitungsfähigkeit für Elektrizität proportional. Die genannten Eigenschaften der M. sind in hohem Grad abhängig von einem wenn auch sehr geringen Gehalt der M. an fremden Stoffen. Manche chemisch reine M. sind für die Technik wenig brauchbar, Eisen erhält erst durch verschieden hohen Gehalt an Kohlenstoff Brauchbarkeit (Gußeisen, Stahl, Schmiedeeisen): ein Gußeisenstäbchen von 1 qmm Querschnitt zerreißt bei Belastung mit 10 kg, ein ebenso starker Draht mancher Stahlsorten trägt 200 kg. Geringe Beimengungen von Wolfram, Chrom, Nickel beeinflussen die Eigenschaften des Stahles in hohem Grade. Die Schmelzpunkte der M. schwanken zwischen -40° (Quecksilber) und einer mit unsern Hilfsmitteln kaum noch meßbaren Temperatur. Am schwersten schmelzbar sind Chrom, Platin, Iridium. Bei hinreichend hoher Temperatur sind die M. flüchtig; aber nur Quecksilber, Kalium, Natrium, Kadmium, Zink, Magnesium sind so flüchtig, daß sie destilliert werden können.

Die M. verbinden sich unter sich, und diese Verbindungen schmelzen mit überschüssigem Metall zusammen (Legierungen). Alle M. verbinden sich mit Sauerstoff und die meisten in mehreren Verhältnissen. Bei gewöhnlicher Temperatur oxydiert sich kein Metall in ganz trockner Luft, alle aber beim Erhitzen, bis auf Gold, Platin, Iridium, Rhodium, Palladium, Silber, die sich auch dann nur unter besondern Verhältnissen mit Sauerstoff verbinden. Auf kompaktem Metall schützt oft die gebildete Oxydschicht, indem sie die Luft abschließt, das darunter befindliche Metall vor weiterer Oxydation. Viele M. zersetzen das Wasser, um sich mit dessen Sauerstoff zu verbinden; bei einigen geschieht dies schon bei gewöhnlicher Temperatur (Kalium, Natrium etc.), bei andern erst in hoher Temperatur (Eisen, Zink etc.). Diejenigen M., die bei gewöhnlicher Temperatur Wasser nicht zersetzen, tun dies oft bei Gegenwart einer Säure, die mit dem Metall ein Salz bildet (Eisen, Mangan, Zink etc.), andre bei Gegenwart einer alkalischen Base (Aluminium, Antimon etc.). In feuchter Luft bleiben Quecksilber, Gold, Silber und die Platinmetalle unverändert (daher edle M.); Zink, Blei, Kupfer bedecken sich dabei mit einer fest haftenden und schützenden Oxydschicht, während Eisen allmählich ganz zerfressen wird. Kalium, Natrium und einige andre M. orydieren sich so schnell an feuchter Luft, daß sie in einer sauerstofffreien Flüssigkeit aufbewahrt werden müssen. Sehr sein verteilte M. oxydieren sich an der Luft bisweilen unter Feuererscheinung. Die Kohlensäure der feuchten Luft befördert die Oxydation ebenso wie die Dämpfe andrer Säuren und bei manchen Metallen das Ammoniak (Kupfer). Der Salpetersäure entziehen die meisten M. einen Teil ihres Sauerstoffs, um ein Oxyd zu bilden, das sich dann in der Regel mit einem andern Teil der Salpetersäure zu einem Salz verbindet. Konzentrierte Schwefelsäure bildet mit einigen Metallen Schwefelsäuresalze, indem ein Teil der Säure zu Schwefliger Säure reduziert wird. Fast alle M. bilden mit Sauerstoff und Wasserstoff basische Oxyde (Hydroxyde), die durch Austritt von Wasser in Basenanhydride (Oxyde) verwandelt werden und mit Säuren meist kristallisierbare Salze (Metallsalze) bilden. Die Oxyde der Leichtmetalle sind farblos, die der Erzmetalle meist charakteristisch gefärbt. Manche Hydroxyde verhalten sich gegen starke Säuren wie Vasen und gegen starke Basen wie Säuren (Aluminium, Zink). Einige Schwermetalle aber bilden mit Sauerstoff und Wasserstoff nur oder hauptsächlich Säuren (Titan, Molybdän etc.), bei andern sind die niedern Oxydationsstufen Basen, die höhern Säuren (Eisen, Chrom, Antimon, Zinn etc.). Die Oxyde der edlen M. werden schon durch Erhitzen, die übrigen durch Erhitzen mit Kohle, Kohlenoxyd, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff zu Metall reduziert. Aus Metallsalzlösungen werden manche M. durch andre M. oder durch gewisse reduzierend wirkende Substanzen gefällt, auch wird aus vielen Metallverbindungen durch den elektrischen Strom das Metall abgeschieden. Alle M. verbinden sich mit Schwefel und mit den Haloiden. Mehrere M. nehmen große Mengen Wasserstoff auf, ohne den metallischen Habitus zu verlieren, so daß die Verbindung wie eine Legierung mit metallischem Wasserstoff zu betrachten ist. Bei Rotglut sind Platin, Palladium, Eisen für Wasserstoff durchdringlich. Glühendes Eisen ist auch für Kohlenoxyd durchdringlich, und dies Gas sowie Kohlensäure und Sauerstoff werden auch von andern Metallen im geschmolzenen Zustand absorbiert.

Die M. finden sich in der Natur selten gediegen, nur diejenigen, die geringe Verwandtschaft zum Sauerstoff haben, treten hauptsächlich oder nur gediegen auf (Gold, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium). Sonst kommen die M. meist vererzt in der Natur vor, d. h. verbunden mit Sauerstoff, Schwefel, seltener mit Tellur, Arsen, Chlor und Jod. Aus den Erzen gewinnt man die M. auf sehr verschiedene Weise: a) durch mechanische Prozesse, Verwaschen von Goldsand oder goldhaltigem Schwefelkies; b) durch Ausschmelzen oder Ausseigern, z. B. Wismut aus begleitenden Nickel- und Kobalterzen, oder durch Destillation, wie beim Quecksilber; c) durch Reduktion von Metalloxyden bei erhöhter Temperatur, z. B. Blei aus Glätte oder Weißbleierz, Zinn aus Zinnstein, Kupfer aus Malachit und Lasur, Eisen aus Eisenstein, Nickel aus Nickeloxyd, Zink aus Galmei etc.; d) durch Zersetzung von Schwefelungen mittels des Sauerstoffs der Luft, z. B. Quecksilber und Gold aus deren Schwefelungen, oder durch andre M., z. B. Zersetzung von Schwefelsilber, Schwefelblei, Schwefelquecksilber, Schwefelantimon, Schwefelzink durch Eisen; e) durch Ausziehen mit Blei und Abtreiben des silberhaltigen Bleies, wie Gold und Silber; f) durch Ausziehen mit Quecksilber und Erhitzen des Amalgams zur Verflüchtigung des Quecksilbers, wie Gold und Silber; g) durch Auflösen und Fällen mit andern Metallen, wie Silber aus Silbervitriollösung oder aus silberhaltiger Kochsalzlösung durch Kupfer, Kupferlösung durch Eisen, oder mit reduzierenden Körpern, wie Gold aus Chlorgold durch Eisenvitriol; h) durch Zersetzung fester Chlormetalle durch andre M., wie Chlorsilber durch Eisen oder Zink; i) durch den elektrischen Strom.

Gold, Kupfer, Eisen, Zinn waren sehr früh bekannt geworden, und auf ihrer Verarbeitung beruhte die Kultur der frühesten Perioden. Theophrast kannte auch das Quecksilber, und Basilius Valentinus im 15. Jahrh. kannte auch Zink, Wismut, Antimon. Die übrigen M. wurden später entdeckt, viele erst gegen das Ende des 18. und 19. Jahrh. Die bekannten M. aber erregten die Aufmerksamkeit der ältesten Chemiker in besonders hohem Grade, man glaubte an die Möglichkeit, sie ineinander zu verwandeln, und die Metallveredelung war Jahrhunderte hindurch die Hauptaufgabe der Chemie und gipfelte in der Alchimie (s. d.). Gegenwärtig spielen M. und Metallverbindungen[675] in der Technik die größte Rolle, und ohne sie wäre unsre Kultur gar nicht denkbar. Vgl. Rössing, Geschichte der M. (Berl. 1901); Neumann, Die M., Geschichte, Vorkommen, Gewinnung, Statistik (Halle 1904).