Physikalische Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen
Metalle glänzen meist, sind hart, verformbar (sie lassen sich zu Blechen hämmern), dehnbar (sie lassen sich zu Draht ziehen), klangvoll (sie klingen, wenn man sie anschlägt) und leiten Wärme und Strom gut. Silber und Kupfer leiten am besten; Blei und Quecksilber leiten eher schlecht.
Nichtmetalle sind meist matt, spröde, klingen nicht und leiten schlecht. Viele sind Gase (Sauerstoff, Stickstoff, Chlor) oder weiche Feststoffe (Schwefel, Phosphor); Brom ist flüssig.
Ausnahmen, nach denen oft gefragt wird
- Quecksilber ist ein Metall, aber bei Raumtemperatur flüssig.
- Natrium und Kalium sind so weich, dass man sie mit einem Messer schneiden kann, und haben niedrige Schmelzpunkte; Gallium und Caesium schmelzen auf einer warmen Handfläche.
- Iod ist ein Nichtmetall, glänzt aber.
- Kohlenstoff als Diamant ist der härteste natürliche Stoff; Kohlenstoff als Graphit leitet Strom.
Chemische Eigenschaften: Reaktion von Metallen mit Sauerstoff
Die meisten Metalle verbinden sich mit Sauerstoff zu Metalloxiden, die basisch sind: z. B. 2Mg + O2 → 2MgO. Lösliche basische Oxide (Na2O, K2O) lösen sich in Wasser und bilden Laugen.
Manche Oxide wie Al2O3 und ZnO reagieren sowohl mit Säuren als auch mit Basen; sie heißen amphotere Oxide. Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O und Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O.
Verschiedene Metalle reagieren verschieden: Natrium und Kalium fangen an offener Luft Feuer, deshalb bewahrt man sie unter Petroleum auf; Magnesium verbrennt beim Erhitzen hell; Eisen brennt nur als feine Späne; Kupfer bildet nur eine schwarze CuO-Schicht; Silber und Gold reagieren selbst heiß nicht. Nichtmetalle bilden saure oder neutrale Oxide (SO2 und CO2 sind sauer; CO und N2O sind neutral).
Reaktion von Metallen mit Wasser
Metall + Wasser → Metallhydroxid (oder Oxid) + Wasserstoff.
- Natrium und Kalium reagieren heftig mit kaltem Wasser; die Wärme kann den Wasserstoff entzünden. 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.
- Calcium reagiert weniger heftig; Bläschen haften daran, sodass es schwimmt.
- Magnesium reagiert mit heißem Wasser (und schwimmt ebenfalls).
- Aluminium, Zink und Eisen reagieren nur mit Wasserdampf und bilden das Oxid: 3Fe + 4H2O(Dampf) → Fe3O4 + 4H2.
- Blei, Kupfer, Silber und Gold reagieren überhaupt nicht mit Wasser.
Reaktion von Metallen mit verdünnten Säuren
Metall + verdünnte Säure → Salz + Wasserstoff, z. B. Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. Das Sprudeln ist bei Mg am stärksten, dann folgen Al, Zn, Fe. Kupfer liefert mit verdünnter HCl keinen Wasserstoff.
Mit Salpetersäure entsteht meist kein Wasserstoff, weil HNO3 ein starkes Oxidationsmittel ist und den Wasserstoff zu Wasser macht. Nur Magnesium und Mangan geben mit sehr verdünnter Salpetersäure H2. Königswasser (3 Teile konz. HCl : 1 Teil konz. HNO3) kann Gold und Platin auflösen.
Reaktion von Metallen mit Salzlösungen (Verdrängung)
Ein reaktiveres Metall verdrängt ein weniger reaktives aus dessen Salzlösung: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. Die blaue Lösung wird blassgrün und auf dem Nagel bildet sich ein brauner Kupferbelag. Kupfer kann Eisen nicht aus FeSO4 verdrängen, also passiert in umgekehrter Richtung nichts.
Die Reaktivitätsreihe
Ordnet man Metalle nach abnehmender Reaktivität, erhält man die Reaktivitätsreihe: K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > [H] > Cu > Hg > Ag > Au.
- Metalle oberhalb von Wasserstoff geben mit verdünnten Säuren H2; die darunter nicht.
- Ein Metall kann jedes Metall unter sich aus dessen Salzlösung verdrängen.
- Die Stellung entscheidet auch, wie das Metall gewonnen wird (siehe die Lektion zur Gewinnung).
In Prüfungen soll man oft eine Verdrängung vorhersagen, Metalle anhand von Beobachtungen ordnen oder erklären, warum Kupfer nicht mit verdünnter HCl reagiert (meist 2–3 Punkte).
Wichtige Formeln und Definitionen
- Metall + Sauerstoff → Metalloxid (basisch; Al₂O₃ und ZnO amphoter)
- Metall + Wasser → Metallhydroxid/-oxid + H₂
- Metall + verdünnte Säure → Salz + H₂ (nur Metalle über H)
- Metall A + Salz von Metall B → Salz von A + Metall B (wenn A über B steht)
- Reaktivitätsreihe: K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Au
Gelöste Beispiele
1. Warum bewahrt man Natrium unter Petroleum auf?
Natrium reagiert sehr schnell mit Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Luft und kann Feuer fangen. Petroleum reagiert nicht mit Natrium und hält Luft und Wasser fern.
2. Schreibe die ausgeglichene Gleichung für Zink mit verdünnter Schwefelsäure und nenne das Gas.
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Das Gas ist Wasserstoff; er verbrennt mit einem Knall (Knallgasprobe), wenn man einen brennenden Span nähert.
3. Zeige, dass Aluminiumoxid amphoter ist.
Mit Säure: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O (wirkt als Base). Mit Base: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (wirkt als Säure). Weil es mit beiden reagiert, ist es amphoter.
4. Metall X verdrängt Kupfer aus CuSO₄, aber nicht Zink aus ZnSO₄. Ordne X in die Reaktivitätsreihe ein.
X steht über Cu (es verdrängt Cu), aber unter Zn (es kann Zn nicht verdrängen). Also Zn > X > Cu; X könnte Eisen oder Blei sein.
5. Ein Kupferstreifen wird in Silbernitratlösung getaucht. Was siehst du und warum?
Kupfer steht über Silber, daher Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Auf dem Kupfer bilden sich glänzende graue Silberkristalle und die Lösung wird langsam blau.
Häufige Fehler
- Zu sagen, alle Metalle seien fest: Quecksilber ist ein flüssiges Metall.
- Zu glauben, jedes Metall gebe mit Säure Wasserstoff: Kupfer, Silber und Gold (unter H) tun das nicht.
- Zu schreiben, Metalle gäben mit Salpetersäure Wasserstoff: HNO₃ oxidiert H₂ zu Wasser (außer Mg und Mn mit sehr verdünnter Säure).
- Die Verdrängung umzukehren: Ein tieferes Metall kann nie ein höheres verdrängen, z. B. Cu + FeSO₄ → keine Reaktion.