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Werkstoffkunde 1 (Fach) / Atomarer Aufbau, Bindungen (Lektion)

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• Ionen Positiv geladene Atome: Kationen Negativ geladene Atome: Anionen
• Primäre (starke) Bindungen Ionenbindungen kovalente (Atom-)Bindung metallische Bindung
• Sekundäre (schwache) Bindungen van-der-Waals Bindungen Wasserstoffbrückenbindungen Dipol-Bindungen
• Wechselwirkungspotential Das Wechselwirkungspotential setzt sich dabei aus einem attraktiven (anziehenden) und einem repulsiven (abstoßenden) Teil (Wges = Wa + Wr) zusammen Wa ∼ 1/rn n=1:ionisch, n=6:metallisch, n=8-10:kovalent Wr ∼ 1/rm m=10-12
• Bindungsenergie, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul mit Hilfe des Wechselwirkungspotentials erklären Je tiefer der Potentialtopf, desto höher ist die Bindungsenergie und die Schmelztemperatur und das E-Modul. Je tiefer der Potentialtopf, desto geringer ist die thermische Ausdehnung.
• Elastizitätsmodul ist proportional zur Krümmung des Potentialtopfes E ∼ d'' W(r0)/ (dr2)
• Ionische Bindung anziehende Wechselwirkung zweier ungleichnamig geladener "harter" Kugeln anziehende elektrostatische Kräfte sind ungerichtet
• Kovalente Bindung beruht stark vereinfacht auf der Bildung gemeinsamer Elektronenbahnen durch das Überlappen von Schalen Kovalente Bindungen in Reinkultur liegen vor, wenn zwei Atome, die beide zuwenig Elektronen habem, sich verbinden. Beispiele: Halogenide (F2, Cl2), typische Gase (O2, N2), Festkörper (Si, Ge) Grundprinzip: Atome teilen sich die Elektronen
• Metallische Bindung Bei der Metallbindung geben Atome ihre Außenelektronen an den entstehenden Festkörper ab; es entsteht eine Art Elektronengas innerhalb des Körpers. In diesem negativ geladenen Elektronengas sitzen die positiv geladenen Ionen - ungerichtete Kräfte
• Metalle frei-bewegliche Valenzelektronen gute elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, hohes Reflexionsvermögen gute Duktilität, plastische Verformbarkeit auch bei tiefen Temperaturen streben möglichst dichte Packung an Beispiele: Na, Au, Cu
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• Keramiken nichtmetallische, anorganische Festkörper kovalente oder ionische Bindung (große Bindungsenergie) hohe Schmelztemperatur, hohe Festigkeit, aber spröde hoher elektrischer Widerstand, schlechte thermische Leitfähigkeit gute Korrosionsbeständigkeit Beispiele: Si3N4, Al2O3, SiO2
• Polymere Kettenmoleküle aus C mit Elementen wie H, Cl, F, O, N van-der-Waal'sche Bindung zwischen den Molekülketten geringe Dichte, je nach Orientierung großer/kleiner E-Modul bei tiefen Temperaturen spröde, bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar Beispiele: Polyethylen, Polytetrafluorethylen
• Amorphe Struktur auch glasig genannt; ungeordnet, nur Nahordnung
• kristalline Struktur Nah- und Fernordnung ist bei tiefen Temperaturen der thermodynamisch stabilste Zustand
• Voraussetzungen amorpher Festkörper 1) hohe Kühlrate 2) Legierungselemente

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