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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Übergangsmetalle - Chemie

Übergangsmetalle stehen im mittleren Bereich des Periodensystems. Viele bekannte Metalle wie Eisen, Kupfer, Chrom, Nickel, Titan oder Gold gehören zu diesem Bereich. Sie prägen unseren Alltag: in Gebäuden, Stromleitungen, Fahrzeugen, Werkzeugen, Schmuck, Batterien und Katalysatoren.

Einleitung

Übergangsmetalle sind Metalle des d-Blocks im Periodensystem. Im Schulunterricht werden meist die Elemente der Gruppen 3 bis 12 so bezeichnet. Nach einer strengeren Definition ist ein Übergangselement ein Element, dessen Atom eine unvollständig besetzte d-Unterschale besitzt oder das Ionen mit einer unvollständig besetzten d-Unterschale bilden kann. Deshalb wird die Zinkgruppe mit Zink, Cadmium und Quecksilber nicht in jeder Darstellung zu den Übergangsmetallen gezählt.

Typisch sind eine gute elektrische Leitfähigkeit, metallischer Glanz, oft hohe Dichten und Schmelztemperaturen, mehrere Oxidationsstufen, farbige Verbindungen, Komplexbildung und katalytische Wirkung. Diese Merkmale hängen eng mit den d-Elektronen zusammen.

Lage im Periodensystem

Der d-Block liegt zwischen dem s-Block links und dem p-Block rechts. In einer Periode werden dabei schrittweise d-Orbitale aufgefüllt. Die erste Übergangsreihe reicht von Scandium bis Zink. Besonders häufig begegnen Dir im Chemieunterricht Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.

Reihe	Beispiele	Besonderheit
4. Periode	Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn	3d-Orbitale werden aufgefüllt
5. Periode	Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd	4d-Orbitale werden aufgefüllt
6. Periode	Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg	5d-Orbitale werden aufgefüllt

Elektronenkonfiguration

Die besonderen Eigenschaften der Übergangsmetalle entstehen durch die energetisch nahe beieinanderliegenden s- und d-Orbitale. Beim Eisen lautet eine vereinfachte Elektronenkonfiguration:

$F e : [A r] 3 d^{6} 4 s^{2}$

Bei der Bildung von Kationen werden meist zuerst die Elektronen des äußeren 4s-Orbitals abgegeben:

$F e \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$

$F e^{2 +} : [A r] 3 d^{6}$

Da s- und d-Elektronen an Reaktionen beteiligt sein können, treten häufig verschiedene Oxidationsstufen auf.

Typische Eigenschaften

Eigenschaft	Erklärung	Beispiel
Elektrische Leitfähigkeit	Bewegliche Elektronen transportieren elektrische Ladung.	Kupfer in Stromleitungen
Hohe Festigkeit	Die Metallbindung ist bei vielen Übergangsmetallen besonders wirksam.	Eisen in Stahl
Mehrere Oxidationsstufen	Unterschiedlich viele s- und d-Elektronen können abgegeben oder an Bindungen beteiligt werden.	Eisen als Fe(II) und Fe(III)
Farbige Verbindungen	Licht kann elektronische Übergänge auslösen; die nicht absorbierten Anteile bestimmen die beobachtete Farbe.	Kupfer(II)-Lösungen erscheinen häufig blau
Komplexbildung	Metall-Ionen können von Liganden umgeben werden.	Kupfer-Ammin-Komplex
Katalytische Wirkung	Metalloberflächen oder Metallkomplexe ermöglichen Reaktionswege mit geringerer Aktivierungsenergie.	Eisen beim Haber-Bosch-Verfahren
Magnetisches Verhalten	Ungepaarte d-Elektronen können magnetische Eigenschaften verursachen.	Eisen, Cobalt und Nickel

Oxidationsstufen

Die Oxidationszahl beschreibt formal, wie Elektronen in einer Verbindung zugeordnet werden. Übergangsmetalle können oft mehrere Oxidationsstufen bilden. Der Name eines Ions oder einer Verbindung wird dann mit einer römischen Zahl ergänzt.

Element	Häufige Oxidationsstufen	Beispiel
Eisen	+2, +3	Eisen(II)-chlorid und Eisen(III)-chlorid
Kupfer	+1, +2	Kupfer(I)-oxid und Kupfer(II)-oxid
Chrom	+2, +3, +6	Chrom(III)-oxid
Mangan	+2, +4, +7	Mangan(IV)-oxid und Permanganat
Titan	+2, +3, +4	Titan(IV)-oxid

Bei einer Redoxreaktion wird ein Metall oxidiert, wenn es Elektronen abgibt. Ein Metall-Ion wird reduziert, wenn es Elektronen aufnimmt:

$C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$

Farbige Verbindungen

Viele Ionen und Komplexe von Übergangsmetallen sind farbig. Trifft sichtbares Licht auf einen Komplex, können Elektronen Energie aufnehmen und zwischen Energieniveaus wechseln. Bestimmte Wellenlängen werden absorbiert; das verbleibende Licht sehen wir als Farbe. Nicht jede Farbe entsteht ausschließlich durch d-d-Übergänge: Auch Ladungsübertragungen zwischen Metall und Ligand können kräftige Farben erzeugen.

Die Farbe hängt vom Metall-Ion, seiner Oxidationsstufe und den umgebenden Liganden ab. Deshalb kann dasselbe Element in verschiedenen Verbindungen unterschiedliche Farben zeigen.

Komplexe und Liganden

Ein Komplex besitzt meist ein Metall-Ion als Zentralteilchen. Darum herum sind Liganden angeordnet. Liganden stellen freie Elektronenpaare für koordinative Bindungen zur Verfügung. Beispiele für Liganden sind Wasser, Ammoniak, Chlorid-Ionen oder Cyanid-Ionen.

Ein vereinfachtes Beispiel ist der tiefblaue Kupfer-Ammin-Komplex:

$C u^{2 +} + 4 N H_{3} ⇌ [C u (N H_{3})_{4}]^{2 +}$

Die räumliche Anordnung der Liganden beeinflusst Farbe, Reaktivität und magnetisches Verhalten eines Komplexes.

Katalyse

Ein Katalysator beschleunigt eine Reaktion, indem er einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglicht. Er wird im Gesamtprozess nicht verbraucht. Übergangsmetalle sind oft gute Katalysatoren, weil sie verschiedene Oxidationsstufen annehmen, Stoffe an Oberflächen binden und vorübergehend Komplexe bilden können.

Eisen: Katalysator bei der Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren
Nickel: Katalysator bei Hydrierungen
Platin, Palladium und Rhodium: Bestandteile von Fahrzeugkatalysatoren
Mangan(IV)-oxid: Katalysator bei verschiedenen Sauerstoffentwicklungen

Anwendungen im Alltag

Übergangsmetall	Wichtige Eigenschaft	Anwendung
Eisen	fest, preisgünstig, gut legierbar	Stahl für Gebäude, Fahrzeuge und Maschinen
Kupfer	sehr gute elektrische Leitfähigkeit	Kabel, Motoren und Leiterplatten
Chrom	hart und korrosionsbeständig	Edelstahl und Oberflächenbeschichtung
Nickel	korrosionsbeständig und gut legierbar	Edelstahl, Münzen und Akkumulatoren
Titan	hohe Festigkeit bei geringer Dichte	Flugzeuge, Sportgeräte und Implantate
Platinmetalle	katalytisch wirksam und korrosionsbeständig	Katalysatoren und Labortechnik

Legierungen und Korrosion

Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen. Stahl besteht überwiegend aus Eisen und Kohlenstoff. Edelstahl enthält zusätzlich häufig Chrom und Nickel. Chrom bildet an der Oberfläche eine dünne, schützende Oxidschicht und verbessert dadurch die Korrosionsbeständigkeit.

Korrosion ist die unerwünschte Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung. Beim Rosten wird Eisen in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff oxidiert. Stark vereinfacht beginnt der Vorgang mit:

$F e \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$

Die entstehenden Produkte reagieren weiter zu wasserhaltigen Eisenoxiden. Schutz bieten Lacke, Metallüberzüge, Legierungen oder elektrochemische Verfahren.

Umwelt, Gesundheit und Recycling

Der Abbau von Metallerzen benötigt Energie und greift in Landschaften ein. Recycling senkt häufig den Bedarf an neuen Rohstoffen und spart Energie. Kupfer, Stahl, Nickel und Platinmetalle werden deshalb möglichst zurückgewonnen.

Metall und Metallverbindung sind nicht dasselbe: Elementares Chrom ist ein Werkstoff, während manche Chrom(VI)-Verbindungen stark giftig und krebserzeugend sind. Auch Nickelverbindungen können gesundheitsschädlich sein. Im Experiment gelten Schutzbrille, geeignete Handschuhe, kleine Stoffmengen und die Anweisungen der Lehrkraft.

Schulversuch: Eisen und Kupfer(II)-Ionen

Ein Eisennagel kann in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung gegeben werden. Auf dem Eisen bildet sich elementares Kupfer, während Eisen-Atome als Eisen(II)-Ionen in Lösung gehen:

$F e + C u^{2 +} \to F e^{2 +} + C u$

Teilgleichungen:

$F e \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$

$C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$

Du kannst dabei Farbe, Metallabscheidung und Oberflächenveränderung beobachten. Der Versuch wird nur nach Gefährdungsbeurteilung und unter Aufsicht durchgeführt. Chemikalienreste gehören in die vorgesehenen Sammelbehälter.

Zusammenfassung

Übergangsmetalle liegen im d-Block des Periodensystems. Ihre d-Elektronen ermöglichen verschiedene Oxidationsstufen, farbige Verbindungen, Komplexbildung, Magnetismus und katalytische Wirkung. Eisen, Kupfer, Chrom, Nickel, Titan und Platinmetalle sind für Technik und Alltag besonders wichtig. Gleichzeitig müssen Gewinnung, Recycling, Korrosion und die mögliche Giftigkeit einzelner Metallverbindungen berücksichtigt werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wo liegen die Übergangsmetalle im Periodensystem? (Im d-Block) (!Im Edelgasblock) (!Nur in der ersten Gruppe) (!Nur unterhalb des Periodensystems)

Welche Elektronen prägen viele besondere Eigenschaften der Übergangsmetalle? (d-Elektronen) (!Nur Kernneutronen) (!Ausschließlich 1s-Elektronen) (!Gammaquanten)

Welche Eigenschaft ist für viele Übergangsmetalle typisch? (Mehrere Oxidationsstufen) (!Keine elektrische Leitfähigkeit) (!Immer gasförmiger Zustand) (!Vollständige Reaktionsträgheit)

Welches Metall wird häufig für elektrische Leitungen verwendet? (Kupfer) (!Helium) (!Schwefel) (!Neon)

Welche Metalle sind wichtige Bestandteile vieler Fahrzeugkatalysatoren? (Platinmetalle) (!Alkalimetalle) (!Edelgase) (!Halogene)

Was befindet sich im Zentrum vieler Komplexe? (Ein Metall-Ion) (!Ein Photon) (!Ein Neutronenstern) (!Ein Kunststoffmolekül)

Welche Oxidationsstufen sind bei Eisen besonders häufig? (Plus zwei und plus drei) (!Nur plus sieben) (!Nur minus zwei) (!Immer null)

Warum erscheinen viele Übergangsmetallverbindungen farbig? (Sie absorbieren bestimmte Anteile des sichtbaren Lichts) (!Sie erzeugen immer eigenes Sonnenlicht) (!Sie bestehen nur aus Farbstoffmolekülen) (!Sie reflektieren jede Wellenlänge vollständig)

Was bewirkt ein Katalysator? (Er ermöglicht einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie) (!Er erhöht immer die Gleichgewichtskonstante) (!Er wird vollständig verbraucht) (!Er stoppt jede chemische Reaktion)

Welche Maßnahme schont Metallrohstoffe? (Recycling) (!Einmalige Nutzung) (!Vermischung mit Restmüll) (!Verzicht auf Stofftrennung)

Memory

Eisen	Stahlherstellung
Kupfer	Stromleitung
Chrom	Korrosionsschutz
Titan	Leichtbau
Platin	Fahrzeugkatalysator
Ligand	Bindungspartner im Komplex
Oxidation	Elektronenabgabe
Reduktion	Elektronenaufnahme

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
d-Block	Lage der Übergangsmetalle
Kupfer	elektrische Leitungen
Chrom	Schutz in Edelstahl
Ligand	Partner am Zentralteilchen
Katalysator	geringere Aktivierungsenergie
Recycling	Rückgewinnung von Rohstoffen

Kreuzworträtsel

Kupfer	Welches Übergangsmetall wird oft für Stromkabel verwendet?
Ligand	Wie heißt ein Bindungspartner am Zentralteilchen eines Komplexes?
Chrom	Welches Metall verbessert häufig die Korrosionsbeständigkeit von Stahl?
Katalyse	Wie heißt die Beschleunigung einer Reaktion durch einen Katalysator?
Oxidation	Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenabgabe?
Recycling	Wie heißt die Rückgewinnung von Wertstoffen?

LearningApps

Lückentext

Übergangsmetalle liegen im

des Periodensystems. Ihre besonderen Eigenschaften hängen eng mit den

zusammen. Viele dieser Metalle können mehrere

bilden. Ein Metall-Ion mit Liganden bildet einen

. Farbige Verbindungen absorbieren bestimmte Anteile des sichtbaren

. Kupfer eignet sich wegen seiner hohen elektrischen

für Kabel. Chrom verbessert in vielen Legierungen die

. Ein Katalysator senkt die benötigte

. Bei einer Oxidation werden

abgegeben. Die Rückgewinnung von Metallen heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Metall-Steckbrief: Erstelle einen Steckbrief zu Eisen, Kupfer, Chrom oder Titan mit Symbol, Ordnungszahl, Eigenschaften und Anwendungen.
Alltagsforschung: Fotografiere fünf Gegenstände aus Metall und begründe, welche Übergangsmetalle oder Legierungen enthalten sein könnten.
Farben der Ionen: Gestalte eine Farbkarte mit typischen Farben ausgewählter Übergangsmetall-Ionen und kennzeichne Unsicherheiten.
Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe d-Block, Oxidationsstufe, Komplex, Ligand und Katalysator in einem beschrifteten Schaubild.

Standard

Korrosionsexperiment: Plane einen Vergleich, bei dem Eisennägel unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt werden, und formuliere eine begründete Erwartung.
Legierungsvergleich: Vergleiche Stahl, Edelstahl und eine Titanlegierung nach Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendung.
Katalysator-Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, das die Wirkung eines Katalysators mit einem Energieprofil erklärt.
Redoxprotokoll: Dokumentiere den Versuch mit Eisen und Kupfer(II)-Ionen durch Beobachtung, Deutung, Reaktionsgleichung und Entsorgungshinweis.

Schwer

Komplexmodell: Baue Modelle für zwei verschiedene Komplexgeometrien und erkläre den Einfluss der Ligandenanordnung.
Rohstoffanalyse: Untersuche die Lieferkette eines Übergangsmetalls und bewerte ökologische sowie soziale Folgen.
Recyclingkonzept: Entwickle für Deine Schule ein Sammel- und Informationskonzept für metallhaltige Elektrogeräte.
Fachdebatte: Diskutiere anhand der d-Unterschalen-Definition, ob Zink zu den Übergangsmetallen gezählt werden sollte.

Lernkontrolle

Struktur und Eigenschaft: Erkläre, wie die Elektronenkonfiguration eines Übergangsmetalls mit mehreren Oxidationsstufen zusammenhängt.
Farbe und Komplex: Begründe, warum ein Wechsel des Liganden die Farbe eines Metallkomplexes verändern kann.
Werkstoffwahl: Entscheide, ob Kupfer, Edelstahl oder Titan für ein leichtes, korrosionsbeständiges Bauteil geeignet ist, und begründe Deine Wahl.
Katalyse im Alltag: Erkläre, weshalb Platinmetalle im Fahrzeugkatalysator eingesetzt werden und warum Recycling dort besonders wichtig ist.
Redoxtransfer: Übertrage das Prinzip der Eisen-Kupfer-Reaktion auf ein anderes Metallpaar und formuliere eine prüfbare Vorhersage.
Nachhaltigkeitsurteil: Bewerte eine Maßnahme zur Verringerung des Metallverbrauchs unter ökologischen, technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

die Lage der Übergangsmetalle im Periodensystem erklärst,
die Rolle der d-Elektronen beschreibst,
Oxidationsstufen sicher deutest,
Redoxgleichungen mit Elektronenübertragung formulierst,
Farbigkeit, Komplexbildung und Katalyse auf Teilchenebene erklärst,
Anwendungen mit Stoffeigenschaften begründest,
Risiken ausgewählter Metallverbindungen unterscheidest,
Recycling und Rohstoffgewinnung sachlich bewertest.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Übergangsmetalle - Chemie

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Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
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Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.