1
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
4
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)
9
2 r
2 r2 r.√2
2 r
2 r.√2
2 r.√3 rrrrR 73,0132232
Maximale Größe des inneren Atoms
10
Oktaedrische Atomlage
2 r
2 r2 r.√2
rrrrR 414,0122222
Maximale Größe des inneren Atoms
11
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
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