Legierung

Legierungen chemisch betrachtet

Eine Legierung ist aus einem Basismetall und einer oder mehreren Legierungskomponenten zusammengesetzt. In einer homogenen Legierung sind die Atome aller Komponenten gleichmäßig verteilt. In einer heterogenen Legierung sind die Komponenten nicht gleichmäßig verteilt, sodass unterschiedliche Bereiche oder Phasen vorliegen.

Atomarer Aufbau einer Legierung

In einer Legierung sind die Atome der verschiedenen Komponenten wie die Atome in einem reinen Metall angeordnet. Die positiv geladenen Atomkerne beziehungsweise Atomrümpfe sitzen auf festen Positionen und bilden das Metallgitter. In diesem Gitter sind die äußeren Elektronen frei beweglich und bilden das Elektronengas.

Es gibt zwei unterschiedliche Arten, wie die Atome der Legierungskomponenten im Metallgitter des Basismetalls untergebracht werden. Die grobe Anordnung der Atome kannst du in den Abbildungen erkennen.

Es ist nicht dem Zufall überlassen, welcher der beiden Typen sich bildet. Sind die Atome der Mischungspartner ungefähr gleich groß, so bildet sich eine Substitutionslegierung. Ab einem Größenunterschied der Atome von ca. 15 % können keine Substitutionslegierungen mehr aufgebaut werden.

Besonders kleine Atome werden ausschließlich in die Zwischenpositionen des Metallgitters eingelagert und man erhält eine Einlagerungslegierung. Neben der Atomgröße spielen auch die Elektronegativitäten der beteiligten Atome eine Rolle bei der Bildung von Legierungen.

Legierung – Herstellung

Für die Herstellung von Legierungen werden die Metalle im gewünschten Verhältnis bei hohen Temperaturen zusammengeschmolzen, vermischt und gegebenenfalls nichtmetallische oder halbmetallische Komponenten zugegeben. Anschließend kühlt die Mischung ab, die Atome bilden ein gemeinsames Metallgitter aus und die Legierung erstarrt.

Neben der Zusammensetzung hat auch die Abkühlungsgeschwindigkeit (etwa an der Luft oder in kaltem Wasser) einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Legierung. Die Bildung einer Legierung ist im klassischen Sinne keine chemische Reaktion sondern lediglich eine Art Mischungsvorgang, bei dem die Atome im Gitter neu angeordnet werden. Es werden keine Atombindungen gebrochen oder neu gebildet, sondern lediglich Metallbindungen.

Legierung – Eigenschaften

Durch das Legieren, also "Mischen" von Metallen lassen sich viele ihrer Eigenschaften verändern:

• Härte
• Elastizität
• Dichte
• Farbe
• Wärmeleitfähigkeit
• elektrische Leitfähigkeit
• Schmelzpunkt
• Magnetismus
• Korrosionsbeständigkeit (Stabilität gegen Chemikalien wie z.B. Säuren)

Im Allgemeinen sind Legierungen umso härter, desto mehr verschiedene Elemente sie beinhalten. Das heißt auch, dass Legierungen härter sind, als ihre reinen Ausgangsmetalle. Durch die unterschiedlichen Atomgrößen der Atome im Gitter einer Legierung können diese unter Druckauswirkung untereinander verzahnen und lassen sich nicht so leicht gegeneinander verschieben, wie die Atome eines reinen Metalls.

Verwendung von Legierungen

Die Möglichkeit, Eigenschaften von Metallen gezielt verändern zu können, gibt Legierungen vielfältige Einsatzgebiete.

Tatsächlich sind die Metalle, denen du in deinem Alltag begegnest, in den seltensten Fällen reine Metalle, sondern Legierungen. Geldmünzen aus reinem Kupfer wären etwa viel zu weich, um viele Jahre im Umlauf unbeschädigt zu überstehen. Neben den Eigenschaften des erhaltenen Materials, spielt bei der Auswahl der Legierungszusammensetzung auch der Preis der Rohmaterialien eine Rolle.

Legierungen – Beispiele

Hier siehst du ein paar interessante Legierungen. Die Tabelle ist nicht vollständig, da es unzählige Möglichkeiten gibt, Metalle untereinander zu mischen.

Du kannst verschiedene Legierungen in Deinem Alltag ganz einfach am Beispiel verschiedener Geldmünzen kennenlernen.

Abbildung 4: Geldmünzen verschiedener LegierungenQuelle: wiktionary.org