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Chemie Basics b

Date post:03-Jan-2016
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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 1 von 178

    EinleitungEs gibt Millionen von Substanzen und chemische Reaktionen auf der Welt. Sie lassen sich

    beschreiben, klassifizieren und interpretieren, wenn man die Struktur der Stoffe und

    Strukturnderungen bei chemischen Reaktionen zugrunde legt. Der vorliegende Band 2 bietet

    eine Einfhrung in die Metalle und Legierungen an, indem Metall-Atome gedanklich zu

    Verbnden von vielen Metall-Atomen verknpft und die Strukturen dieser Verbnde studiert

    werden.

    In Kapitel 4 des Bandes 1 wurde ber wesentliche Eigenschaften der Metall-Atome und Ionen

    informiert: Atome verschiedener Metalle sind unterschiedlich gro und schwer, ihre Ionen sind

    positiv geladen, die Ladungszahlen knnen von +1 bis +4 variieren. Diese Informationen sind

    in der Darstellung des Periodensystems zusammengefasst worden, wie es die folgende

    Abbildung zeigt. Unter www.chemischdenken.de erhalten Sie stets die aktuellste Version.

    Abbildung aus Band 1: Atome und Ionen - Grundbausteine der Materie -

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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 2 von 178

    Eine sehr wichtige Eigenschaft aller Metall-Atome ist, dass sie sich rumlich ungerichtet

    binden. In der berwiegenden Zahl der Flle bindet das Metall-Atom so viele Nachbarn um

    sich herum, wie es vom Platzangebot her mglich ist, oftmals 12. Andere Atome, etwa die

    Nichtmetall-Atome, binden dagegen lediglich ein oder zwei oder eine andere bestimmte Zahl

    von Nachbarn: diesbezgliche Bindungen sind rumlich gerichtet.

    Die Verknpfung von Metall-Teilchen fhrt wegen der rumlich ungerichteten Bindekrfte zu

    groen Teilchenverbnden. Da die Teilchen unvorstellbar klein sind, erhlt man erst durch das

    Zusammensetzen einer entsprechend sehr groen Anzahl von Atomen oder Ionen eine sichtbare

    Stoffportion, etwa einen Kristall. Um ein handhabbar groes Stck Material zu besitzen, sind

    Teilchen in der Grenordnung von 1023 zu verknpfen. Diese Zahl ist so gro, dass eine

    Zhlmaschine, die 1 Million (106) Teilchen pro Sekunde zu zhlen vermag, mehrere Tausend

    Jahre lang zhlen msste. Es ist dabei gleichgltig, ob Metall-Atome einer Art oder mehrerer

    Arten kombiniert werden. Im ersten Fall erhlt man elementare Metalle wir Kupfer, Silber oder

    Gold; im zweiten Fall sind Legierungen wie beispielsweise Rotgold (Gold-Kupfer-Legierung)

    oder Messing (Kupfer-Zink-Legierung) das Ergebnis. Knnte man in eine 1-Reichsmark-Mnze

    aus der Zeit der Jahrhundertwende hineinsehen, so wrde man allein Silber-Atome erkennen,

    im 1-DM-Stck heutiger Zeit Kupfer- und Nickel-Atome.

    In der Abbildung Atome und Ionen - Grundbausteine der Materie ist nur eine Auswahl von

    Teilchensorten und -symbolen enthalten. Um eine bersicht ber alle Elemente von Nr. 1 bis

    103 zu erhalten, sei eine Tabelle aus dem Band 1 wiedergegeben, die Atomsymbole

    alphabetisch auffhrt, Elementnamen und Ordnungszahlen angibt.

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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 3 von 178

    Tab. 2.1: Atomsymbole in alphabetischer Reihenfolge, Elementnamen und Ordnungszahlen

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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 4 von 178

    5 Strukturen der Metalle und Legierungen Das Verknpfen von Metall-Atomen zu groen Teilchenverbnden soll nun anhand des

    Periodensystems beginnen. Da ungerichtete Bindefhigkeiten allen Metall-Atomen zugrunde

    liegen, ist es diesbezglich gleichgltig, mit welchen Atomen wir beginnen. Es knnen bei

    beliebigen Atomen nur Unterschiede in der Gre und in der Bindungsstrke zu Problemen

    fhren. Zwei Beispiele mgen das erlutern.

    Greifen wir gedanklich aus der linken Seite des Periodensystems (vgl. PSE im Einleitungstext)

    zwei unterschiedlich groe Atome heraus, etwa Csium- und Kupfer-Atome. Es ist zu

    erkennen, dass der Durchmesser des Csium-Atoms etwa doppelt so gro ist wie der des

    Kupfer-Atoms, ein Zusammenbau dieser Atome wrde zu welligen Schichten fhren und

    deshalb komplizierter zu beschreiben sein als die Verknpfung gleich groer Atome.

    Whlen wir also etwa gleichgroe Durchmesser: Silber- und Gold-Atome. Sie bettigen

    gleichermaen ungerichtete Bindungen und sind gleich gro - beste Voraussetzungen zum

    Verknpfen. Trotzdem wissen wir noch nichts ber die Bindungsstrken beider Atomarten:

    Binden sich etwa die Silber-Atome untereinander stark und die Gold-Atome untereinander

    schwach, dann knnte das beim Zusammenbau dieser Atome zu Komplikationen fhren.

    Infolgedessen suchen wir nach Teilchen, die alle gleich gro sind und genau gleiche

    Bindungskrfte besitzen: Sie sollen sich gleichen wie ein Ei dem anderen. Das ist immer der

    Fall, wenn wir eine einzige Teilchensorte auswhlen, etwa nur Kupfer-Atome oder

    ausschlielich Magnesium-Atome. Wir knnen dann einfachste und bersichtlichste

    Konstruktionen der Teilchenverbnde erwarten - und das ist auch tatschlich so. Spter

    kommen Metall-Atome verschiedener Art und deren Verknpfungen zu Legierungskristallen

    hinzu: In jedem Fall werden Metall-Atome "links und links" im Periodensystem zu Verbnden

    von Metall-Atomen kombiniert.

    5.1 Verknpfung von Metall-Atomen gleicher Art

    Wie bisher verabredet sollen im Modell den Metall-Atomen gleicher Sorte auch gleichgroe

    Kugeln desselben Materials entsprechen. Da jeder Kristall ein rumliches Gebilde ist und viele

    Metallkristalle modellhafte gut durch Kugelpackungen dargestellt werden knnen, erhalten wir

    die beste bersicht, wenn wir im Modell erst Kugeln in der Ebene verknpfen und die

    erhaltenen Kugelschichten dann zu einer rumlichen Kugelpackung bereinander schichten.

    Dichtest gepackte Kugelschichten. Die Verknpfung von gleich groen Kugeln in der Ebene

    ergibt bei zwei Kugeln eine Hantel, bei drei Kugeln dreieckige Anordnungen (vgl. (1) bis (3) in

    Abb. 5.1). Die Formation (3) wird durch Atome in einem Kristall aber bindungsmig

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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 5 von 178

    bevorzugt, da die Anziehungskrfte in diesem Fall vllig gleichmig verteilt sind. Jedes weitere

    Atom wird sich demnach so in Mulden zwischen den anderen Atomen anlagern, dass es

    mglichst viele Nachbarn dabei berhrt. Im Modell entstehen dabei Kugelschichten, wie sie in

    Abbildung 5.1 von (4) bis (7) gezeigt werden.

    Abb. 5.1: Anordnung gleich groer Kugeln in der Ebene

    Das Bauprinzip von (4) bis (7) der Abbildung 5.1 ist brigens immer das gleiche, nur die

    ueren Formen sind verschieden - in jeder dieser Formen lsst sich das Dreiecksmuster (3)

    wiederfinden. Am besten knnen wir das herausstellen, wenn wir die Mittelpunkte der Kugeln

    verbinden: Es entstehen dann Dreiecksnetze, die den Kugelschichten entsprechen (8). Es werden

    oftmals symbolisch auch nur die Mittelpunkte angegeben (9).

    Charakteristisch ist fr das Dreiecksmuster, dass eine Kugel jeweils von sechs Nachbarkugeln

    berhrt wird, sie ist von sechs Kugeln berhrend koordiniert. Daher sagt man auch, die

    Koordinationszahl ist 6. Der Begriff Koordinationszahl gibt also an, von wie viel Teilchen ein

    herausgestelltes Teilchen berhrt wird. Es ist aber immer anzugeben, ob sich die

    Koordinationszahlen auf eine Flche oder auf den Raum beziehen sollen. Weiterhin ist

    charakteristisch, dass Kugeln nicht dichter gepackt werden knnen als es in (4) bis (7) der

    Abbildung 1 gekennzeichnet ist: Auf der entsprechenden Flche sind sie nicht platzsparender,

    nicht dichter zusammen zu packen. Man spricht daher auch von einer dichtest gepackten

    Kugelschicht. Zusammenfassend lsst sich feststellen: Werden Kugeln gleicher Gre in einer

    Ebene mit der Koordinationszahl 6 zusammen gelagert, dann handelt es sich um eine dichtest

    gepackte Kugelschicht mit Dreiecksmuster.

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  • Chemie fr Quereinsteiger Band 2 Seite 6 von 178

    5.1.1 Dichteste Kugelpackungen im Raum

    Wir knnen nun solche dichtest gepackten Kugelschichten aufeinander stapeln und erhalten so

    eine raumfllende Kugelpackung. Die Art des Stapelns mssen wir uns aber genau ansehen,

    besser noch: wir sollten sie durch das Hantieren mit Kugeln nachvollziehen, um sie tatschlich

    zu "begreifen" (gleichgroe Kugeln aus Papier oder Holz und Kleber sind ntig, einen

    Baukasten speziell zum Bau von Kugelpackungen liefert Firma Geomix, Frankfurt: Baukasten

    "Strukturen der Metalle", Art-Nr. 2.6085).

    Legen wir eine dichtest gepackte Kugelschicht zugrunde, so lsst sich eine zweite solche Schicht

    dicht darauf packen, wie es (1) in Abbildung 5.2 zeigt. Es ist zu erkennen, dass jede Kugel der

    oberen Schicht drei Kugeln der unteren Schicht berhrt und umgekehrt. Jede Kugel besetzt

    somit eine Dreierlcke der anderen Kugelschicht.

    Verbindet man die Mittelpunkte aller vier Kugeln, so erhlt man einen hochsymmetrischen

    Raumkrper, den Tetraeder (vgl. (2) in Abb. 5.2). Er besitzt sechs gleichlange Kanten und vier

    gleiche gleichseitig

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