Metalle

Metalle
Eisen
Elementsymbol: Fe (lat.: ferrum); Dichte: 7.87 g/cm3
Eisen ist als zweithäufigstes Metall in der Erdkruste weit verbreitet und kommt als Mineral
oxidisch oder sulfidisch vor, z.B. das goldartig glänzende FeS2 („Katzengold“). Im Erdinneren
ist Eisen mengenmäßig bei weitem am häufigsten vertreten.
Zwei- und dreiwertiges Eisen (Unterschied im Oxidationsgrad!) bildet leicht lösliche Chloride
und Sulfate, aber schwerlösliche Hydroxide, Carbonate und Phosphate.
Metallisches Eisen ist sehr korrosionsanfällig ("Rost"), denn es bildet keine feste Oxidschicht.
Vielmehr neigen die gebildeten Oxidschuppen dazu, sich vom Metall abzulösen, sodass immer
wieder eine neue Metalloberfläche freigelegt wird.
In sauerstoffreichen Gewässern beginnt ab ca. pH = 5 die Ausfällung dreiwertigen Eisens zum
schwerlöslichen Eisenhydroxid, sodass Eisen vielfach in Flusssedimenten gespeichert ist:
Fe3+ + 3 OH- "Fe(OH)3"
Eisen ist ein essentielles Element für den menschlichen Organismus, es bildet zweiwertig (Fe2+)
das Zentralatom des Hämoglobins (Blutfarbstoff). Der Eisenbestand des Menschen beträgt
durchschnittlich etwa 60 mg/kg Körpergewicht, die tägliche Aufnahme wird auf etwa 15-22 mg
geschätzt.
Toxizität
Metallisches Eisen besitzt nur äußerst geringe toxische Wirkungen, selbst wenn es in großen
Mengen inkorporiert wird. Die Toxizität zwei- und dreiwertiger Eisenverbindungen ist dagegen
erheblich und hängt von der Art des Eisensalzes ab. Die letalen Dosen schwanken im Bereich
von ca. 200-300 mg/kg Körpergewicht.
Technische Anwendungen
Die Eisenherstellung ist seit der Antike zur Herstellung von Werkzeugen und Waffen so wichtig,
dass die Zeit nach ihrer Einführung historisch als „Eisenzeit“ (in Mitteleuropa seit ca. 800
v.Chr.) bezeichnet wird. Sie löste die Bronzezeit (ca. 3000-1000 v. Chr.) ab, weil Eisenwaffen
viel härter sind als die bis dahin gebräuchlichen Bronzewaffen (Bronze: Legierung aus Kupfer
und 5-30% Zinn).
Heute gibt es vielerlei Stahlsorten (Spezial-Eisenlegierungen) mit bestimmten Werkstoffeigenschaften; Edelstahl ist nichtrostender Stahl (Nirosta).
Aluminum
Elementsymbol: Al; Dichte: 2.67 g/cm3 ("Leichtmetall"); Schmelzpunkt: 660 ºC
Aluminium ist das häufigste Metall in der Erdoberfläche und kommt u.a. als Bauxit (Aluminiumhydroxid) oder silikatisch vor. Aluminium ist sehr korrosionsbeständig, da es eine beständige
Oxidschutzschicht bildet:
2 Al + 3/2 O2 Al2O3
Aluminium ist aber deutlich unedler als Eisen. Es wird durch elektrolytische Reduktion aus Bauxit gewonnen, was sehr energieaufwändig ist. Daher ist Aluminium relativ teuer.
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Anwendungen und Toxizität
Einatmen von Aluminiumstaub oder -dampf kann nach Monaten bis Jahren zur Lungenfibrose
führen, die auf die eiweißdenaturierende Wirkung von Aluminium zurückgeführt wird. Die
durchschnittliche tägliche Aufnahme des Körpers beträgt etwa 5 mg, hiervon werden etwa 1 %
im Verdauungstrakt resorbiert. Der überwiegende Anteil wird über den Kot direkt wieder ausgeschieden. Der aufgenommene Anteil wird in der Regel innerhalb von Stunden vollständig über
den Urin aus dem Körper ausgeschieden. Hohe Aluminium-Werte im Trinkwasser sollen die
Arteriosklerose fördern und den Phosphatstoffwechsel des Körpers stören.
• metallischer Werkstoff (Flugzeugbau)
• Al(OH)3 zur Bindung überschüssiger Magensäure (Antazidum)
• Al2SO4, adstringierende Wirkung, auch als Reagenz für die Trinkwasseraufbereitung (*)
• KAl(SO4)2 (Alaun), Adstringens, Desodorans, Färberei- und Papierindustrie
(*) Trinkwasser wird aus natürlichem Wasser durch verschiedene Verfahren der Trinkwasseraufbereitung gewonnen. Es soll klar, farb- und geruchlos, sauerstoffreich sowie frei
von krankheitserregenden Bakterien sein. Alle natürlichen Wässer enthalten etwas Aluminium in Konzentrationen von weit unter 1 mg/L.
Nickel
Elementsymbol: Ni; Dichte: 8,9 g/cm3
Nickel ist ein silberweißes Metall, dessen zweiwertiges Ion Ni2+ in wässrigen Lösungen grün
gefärbt ist. Nickel löst sich leicht in verdünnten, oxidierenden Mineralsäuren (z.B. HNO3), seine
Salze sind gut wasserlöslich.
Nickel kommt vor allem vergesellschaftet mit Eisensulfid vor, in dem NiS enthalten ist.
Anwendungen
Nickel ist Bestandteil von Legierungen (korrosionsbeständige Stähle) und dient als Überzugsmetall. Weiterhin wird es zur Herstellung von Münzen und Modeschmuck sowie in Ni-Cd-Akkumulatoren verwendet. (US-Münzen: Nickel – Dime)
Toxizität
Konzentrationsangaben schwanken bei natürlichen Böden im Bereich von 5 bis 500 mg/kg TS
(Trockensubstanz). Im häuslichen Abwasser wird ein Mittelwert von 30 bis 40 µg/L angeommen. Erhöhte Nickel-Werte stammen in der Regel aus der metallverarbeitenden Industrie. Im
fallenden Niederschlag der BRD finden sich im Mittel 3 µg/L Ni.
Als wichtige Nickel-Eintragsquelle in die Umwelt werden Deponiesickerwässer angegeben. Bei
pH-Werten oberhalb von 6,7 liegt Nickel immobil im Boden bzw. Sediment als Ni(OH)2 vor,
unterhalb pH = 6,7 wird das Ni wieder löslich. Saurer Regen trägt daher zur Ni-Mobilität bei.
Der Nickel-Eintrag in die Atmosphäre findet z.B. über Vulkanausbrüche, Winderosion von Nickelhaltigen Gesteinen und z.B. durch Verbrennungsvorgänge fossiler Rohstoffe statt. Luft enthält daher durchschnittlich 6 ng/m3 (auf dem Lande) bis 150 ng/m3 (Großstädte).
Zigaretten enthalten durchschnittlich 2,2 µg Nickel, das Rauchen einer Packung bedeutet
Inhalation von ca. 4 µg Nickel.
Metallisches Nickel und Nickelsalze wirken hochgradig sensibilisierend, vor allem durch Hautkontakt bis hin zu chronischen, allergischen Ekzemen und Nickeldermatitis. In Spuren wird
Nickel dagegen aufgrund tierexperimenteller Studien als essentiell betrachtet.
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Metallisches Nickel und Nickelsalze wirken als atembare Stäube karzinogen (Lungen-, Nasen-,
Nasennebenhöhlenkrebs). Nickel-tetracarbonyl (Ni(CO)4), eine wichtige Zwischenstufe bei der
Nickelreinstherstellung, gehört zu den sehr starken Inhalationsgiften.
Die tägliche Nickel-Aufnahme, vor allem durch die Nahrung, schwankt von 0,14 bis 0,6 mg pro
Tag. Hiervon werden ca. 5 % vom Körper resorbiert und über den Urin innerhalb von Tagen
weitgehend ausgeschieden (Normalwerte: 2 µg/L Ni im Urin). Für Niickelsalze schwankt die
humantödliche Dosis von wenigen Milligramm bis zu ca. 1 g.
Chrom
Elementsymbol: Cr; Dichte: 7,2 g/cm3
Chrom ist ein silber-weiß glänzendes, sehr hartes Metall, das bei Raumtemperatur gegen Luftsauerstoff und oxidierende Säure infolge Passivierung (Bildung einer Oxidschutzschicht) sehr
stabil ist.
Chrom kommt z.B. als Chromit (FeCr2O4) in der Natur vor. Es gehört mit einem Anteil von 0,02
% zu den häufigeren Elementen in der oberen Erdkruste.
In Lösung liegt meist 3- oder 6-wertiges Chrom vor; 6-wertiges Chrom wird im Organismus in
der Regel zu dreiwertigem reduziert.
Cr3+
6+
Cr
O
grün
8-
pro O: 2-
O
OO-
abzügl. 2- (Gesamtladung)
6-
Cr6+
gelb
Chrom wird vorwiegend zur Herstellung von Chromstahl oder nicht rostendem Chromnickelstahl verwendet. Chromate (CrO42-) finden Verwendung bei der kathodischen Verchromung
sowie als Beiz-, Ätz- und in der Färbeindustrie sowie im Laborbetrieb.
Chromat kann zu Dichromat (Cr2O72-) kondensieren:
O
O
-
O
6+
Cr
O
O
6+
Cr
O
-
O
orange
Toxizität
Die tägliche Chromaufnahme beträgt etwa 280 µg aus der Nahrung, 4 µg aus dem Wasser und
0,28 µg aus der Luft (durch unlösliche Chromverbindungen). Üblicherweise ist in Oberflächenwässern mit 1 - 10 µg/L Chrom zu rechnen, die Konzentration im Trinkwasser der BRD beträgt
im Mittel 1,2 µg/L. Bodengehalte von 10 - 90 mg/kg Trockensubstanz (TS) sind üblich.
Chrom ist ein essentielles Element für den Menschen; Chrommangel führt im Tierversuch zu
Diabetes und zu Herzerkrankungen. Der tägliche Bedarf liegt bei etwa 0,05 mg Chrom. Inhalation unlöslicher Chromverbindungen kann die Lungenfunktion beeinträchtigen. Inhalation chromathaltiger Stäube kann zu Lungenkrebs führen. Chromkontamination durch Hautadsorption ist
möglich.
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Normalwerte im Urin liegen bei durchschnittlich 4 - 5 µg/L, im Harn von beruflich exponierten
Personen ohne Symptome wurden 30-200 µg/L gemessen. Bei einer Gruppe von Personen mit
leichten Vergiftungssymptomen wie Husten, Verdauungsbeschwerden und Juckreiz der Haut
wurden Urinkonzentrationen von 91-1116 µg/L Urin bestimmt.
Verbindungen des sechswertigen Chroms sind fast 100 mal so giftig wie die mit dreiwertigem
Chrom. Sechswertiges Chrom (Chromate) ist kanzerogen und im Tierversuch mutagen.
Chrom wird im menschlichen Körper in der Lunge durch Einatmen schwerlöslicher chromhaltiger Stäube angereichert. Die Hauptmenge des aufgenommenen Chroms wird über den Urin innerhalb weniger Tage wieder ausgeschieden.
Zink – Cadmium – Quecksilber
Elementsymbole: Zn, Cd, Hg (Hydrargyrum, „flüssiges Silber“)
Zink und Cadmium sind weiche, leicht verformbares Metalle, die von nichtoxidierenden Säuren
nicht angegriffen werden. Aus diesem Grunde finden Zink und Cadmium häufig Verwendung als
Rostschutzmittel auf Eisen. In den Verbindungen sind Zink und Cadmium immer zweiwertig.
Zinksulfat (ZnSO4) hat adstringierende, virustatische (Herpres labialis) und antiseptische Wirkung und wird in niedriger Konzentration bei Schleimhautentzündungen (Auge, Urogenitalbereich) verwendet. In hoher Konzentrationen wirkt es ätzend (Proteinkoagulation).
Zinkoxid (ZnO) ist ein gelblichweißes, amorphes, leichtes Pulver und wird als Zusatz zu Salben
und Pasten gegen diverse Hautkrankheiten und zur Therapie des Zinkmangelsyndroms (Akrodermatitis enteropathica) verwendet.
Cadmium ist in Erzen häufig vergesellschaftet mit Zink und fällt daher bei der Zinkgewinnung
als Nebenprodukt an. Es findet Verwendung als Legierungsbestandteil, in Battereien, als Farbpigment (CdS, intensiv gelb), in Batterien, als Korrosionsschutz und als Kunststoffstabilisator.
Cadmium ist im Meerwasser bis zu einer Konzentration von 0,1 µg/L, in anderen Oberflächenwässern bis zu 0,4 µg/L vertreten. In Sedimenten unbelasteter Flüsse sind 0,04 bis 0,8 mg/kg,
aber in anthropogen belasteten Sedimenten sind Werte von 30 bis 400 mg/kg zu finden. Unverseuchte Böden enthalten durchschnittlich Cd-Werte bis maximal 1 mg/kg Trockensubstanz (TS).
Erhöhte Werte im Trinkwasser (z.B. > 1 µg/L) können durch verzinkte Leitungsrohre oder Lötstellen an Rohren und Wasserhähnen hervorgerufen werden, vor allen in Wässern mit niedrigen
pH-Werten.
Die EG-Trinkwasserrichtlinie gibt als Grenzwert 5 µg Cd/L an. Die Cadmium-Konzentrationen
in der Luft liegen in europäischen Städten zwischen 0,002 und 0,05 µg/m3. Beim Rauchen einer
Zigarette, die gewöhnlich 1-2 µg Cadmium enthält, gelangen durch Inhalation ca. 0,1-0,2 µg in
den Körper des Rauchers.
Beim Umgang mit Cadmium muss deutlich auf die Gefahrstoffverordnung hingewiesen werden,
da Cadmiumverbindungen äußerst giftig sind. Darüber hinaus sind Cadmium und seine Verbindungen in Form atembarer Stäube bzw. Aerosole im Tierversuch als eindeutig krebserzeugend
nachgewiesen. Cadmium ist ein Umweltgift mit ausgeprägter Kumulationsneigung. Einmal vom
Körper resorbierte Mengen werden nur sehr langsam wieder ausgeschieden. Die Halbwertszeiten
betragen zwischen 10 und 30 Jahren. Cadmium akkumuliert vor allem in Leber und Niere. Bei
Calciummangel im Körper kann es zu vermehrtem Cadmium-Einbau in die Knochen kommen.
Die Folge (im Spätstadium) ist eine Schrumpfung des Knochenskeletts („Itai-Itai-Krankheit“).
Die orale Letaldosis liegt bei 30-50 mg Cd2+. Die toxischen Wirkungen des Cadmiums beruhen
z.B. auf der Blockierung von Enzymen mit SH-Gruppen.
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Quecksilber ist das einzige bei Raumtemperatur flüssige Metall; Schmelzpunkt: -39 °C, Siedepunkt von 357 °C und Dichte von 13,534 g/mL bei 25 °C. Die Quecksilberherstellung erfolgt
durch Abrösten von Quecksilbersulfid (HgS, Zinnober). Reines Quecksilber ist ziemlich beständig, an der Luft oxidiert es erst oberhalb 300°C zum Oxid (HgO) und verliert dabei seinen
Glanz. Der Sättigungsdampfdruck des Quecksilbers bei Raumtemperatur führt bereits zu einer
Quecksilberkonzentration von ca. 15 mg/m3 Luft; die toxische Konzentration beträgt 0.1 mg/m3.
Metallisches Quecksilber findet Verwendung in physikalischen Apparaten (Thermometern, Barometern, Quecksilberdampfpumpen und -lampen) und in der Elektrochemie (Polarographie,
Kalomelelektrode). Viele Metalle lösen sich in Quecksilber zu Legierungen, die Amalgame genannt werden. Silberamalgam wird für Zahnfüllungen verwendet. Alkalimetallamalgame dienen
als Reduktionsmittel.
Quecksilberchlorid (HgCl2) ist ein starkes Protoplasmagift; es hemmt noch in hoher Verdünnung
das Wachstum von Mikroorganismen durch Proteindenaturierung.
Blei
Elementsymbol: Pb (Plumbum)
Blei ist das von Menschen am längsten genutzte und in der Umwelt am weitesten verbreitete
Metall. Es hat eine hohe Dichte (11.34 g/cm3), aber einen niedrigen Schmelzpunkt (327 0C).
Deshalb ist es weich und lässt sich gut verarbeiten (Rohrleitungen). Es wird für die Herstellung
von Bleigläsern, Farbpigmenten (Mennige) und Autobatterien verwendet und wurde bis vor
wenigen Jahren als Bleitetraethyl, PbEt4, als Antiklopfmittel dem Benzin zugesetzt. Weil Bleitetraethyl leichtflüchtig ist, hat es sich in Jahrzehnten über die Atmosphäre sehr weit verbreitet.
Bleivergiftungen (Saturnismus) waren schon in der Antike bekannt. Sie traten im Bergbau und
im Druckgewerbe (Bleilettern) auf. Trotzdem wurde Blei noch bis ins 20. Jahrhundert wegen seines vergleichsweise geringen Preises, der Biegsamkeit und Korrosionsfestigkeit universell für
die Verlegung von Wasserrohren verwendet. Seine Toxizität zeigt sich in schweren Störungen
des Zentralnervensystems (Appetitlosigkeit, Lähmungen, Krämpfe, Koordinationsverlust). Auch
Anämien (Abmagerung, Mattigkeit) werden beobachtet.
Intoxikation kann durch Verzicht auf Nahrungsaufnahme am bleikontaminierten Arbeitsplatz
vermieden werden. Gegenmaßnahmen (Detoxifikation) sind Milch- und Butterverzehr und in
neuerer Zeit die Einnahme spezifischer bleibindender Liganden, wie Thiohydroxamate
C
O
N+ S
Pb
Gelbes Bleioxid (PbO) wird für die Herstellung von Bleigläsern verwendet, die sich durch besonders geschätzte Eigenschaften wie hohe Lichtbrechnung (Kristallglas) und hohes Gewicht
auszeichnen.
Das rote gemischte Oxid Menninge (Pb3O4) wird als Anstrichfarbe für Eisen und Bleicarbonat
(PbCO3) als weißer deckfähiger Farbanstrichzusatz verwendet.
Bleitetraethyl [(CH3CH2)4Pb], eine metallorganische Verbiondung mit kovalenten Pb-C-Bindungen, wurde früher als Antiklopfmittel in Benzin verwendet, ist aber vor einiger Zeit wegen seiner
hohen Toxizität aus dem verkehr gezogen worden.
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