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Werkstoffe aus der Sicht der Strukturlehre

Amorphe Werkstoffe

Nur lokale atomare Anordnung

Gleiche Abstände zwischen den Nachbaratomen

Kristalline Werkstoffe

Lokale und globale atomare Anordnung

3D Periodizität

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Periodizität in kristallinen Werkstoffen

Eindimensional

t1 10 ntxx

Zweidimensional

t1

220110 tnyytnxx

t2

t1

t2

t3

Dreidimensional

3322110

330

220

110

tntntnPP

tnzz

tnyy

tnxx

3

Kristallchemische Bindungskräfte

Van der Waals: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Coulombische Kraft: Ionenkristalle – NaCl, LiF, NaI,

CsCl Metallische Bindung – positiv geladene „Atome“, die in

ein Elektronengas eingebettet sind; schwache Bindung. Kovalenzbindung: starke Bindung zwischen Elektronen

– Diamant, Si, Ge

Bestimmen die mechanischen, optischen, thermischen und magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe

Festkörperphysik und Festkörperchemie

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Van der Waals Bindung

Lennard-Jones Potential

612

4RR

RU

Repulsive (abstoßende) Kraft

Anziehungskraft

5

Ionenkristalle

Wechselwirkung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen

R

q

RRU

212

4

Repulsive (abstoßende) Kraft

Anziehungskraft (Coulomb Potential)

Starke Bindung Ionenkristalle sind hart und haben einen hohen Schmelzpunkt

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Metalle

Elektronen werden unter Atomen geteilt – gute elektrische Leitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit, Undurchsichtigkeit, hohe optische Reflektivität (Glanz)

Die Energie im kondensierten Zustand ist kleiner als die Summe der Energien einzelner Atome

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Kovalente Kristalle

Die Atome in der Kovalenzbindung tragen jeweils mit einem Elektron zu der Bindung bei

Als Folge der Kovalenzbindung beobachtet man tetraedrische Anordnung der Atome – jedes Atom ist in der Regel an 4 andere Atome gebunden

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Wie kann man die Kristallstruktur vorhersagen?

Aus der Affinität oder Elektronenkonfiguration der beteiligten Atome (Quantenmechanik)

Aus der Anzahl an Valenzelektronen Aus der Größe der Atome (aus den Atomradien)

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2 r

2 r2 r.√2

2 r

2 r.√2

2 r.√3 rrrrR 73,0132232

Maximale Größe des inneren Atoms

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Oktaedrische Atomlage

2 r

2 r2 r.√2

rrrrR 414,0122222

Maximale Größe des inneren Atoms

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Tetraedrische Atomlage

RRRdr

RR

RRd

ROBROA

OB

OAOBd

OAdOBd

22,01

4

3

22;

3

32

)(2

)()(

)()(

23

23

32

2342

38

22

222

Maximale Größe des inneren Atoms

12

Atom

zahl