AWK Flashcards
Atombau nach Bohr
Feste Kreisbahnen der Elektronen =Hauotquantenzahl #e (n)=2×n^2
Atombau nach Heisenbergs Unschärferelation
Atome in Kreisbahn stimmt nicht.
–>Orbitalmodell
Die schrödingergleichung definiert ein Orbital als ein Raum, in dem sich Elekteonen mit einer wkeit von 90%aufhalten
Quantentheorie-
Klassifizierung Elektronen anhand quantenzahl
n = Hauotquantenzahl
l = nebenquantenzahl
m=magnetquantenzahl
s=spinquantenzahl
n (hauptquantenzahl)
=Schale =energieniveau
l (nebenquantenzahl)
=Form und Energieniveau des Orbitals
m (magnetquantenzahl)
=Orientierung/Ausrichtung des Orbitals
s (spinquantenzahl)
Drehsinn (spin) elektron
Quantentheorie- Regel Elektronen
Elektronen eines Atoms müssen sich jeweils in mind. Einer quantenzahl unterscheiden
Anzahl Elektronen je Schale
K: max2
L : max 8
M : max8
Atom- und Ionenradien
Zunahme Leitfähigkeit
Nehmen von oben nacj unten zu
Und von links nach rechts ab
Elektronegativität
Bestreben eines Atoms, bei einer Atombindung das bindende Elektronenpaar an sich zu ziehen
–> fluor hat 4.0 –>höchste EN
Chemische Bindung
Ursache
Jedes Atom hst Bestreben die äußere Elektronenschale in einen stabilen Zustand (=edelgastustand) =edelgaskonfigurstion zu bringen
–> durch elektronenpaarbildung (abgabe/aufnahme)
–> mögkichst energiearmen Zustand
–> Anstreben einer gesättigten Außenschale
(Oktettregel)
Ionenbindung (Elektrovalenz)
Definition und Entstehung
=chem. Bindung, die auf der elektrostatischen Anziehung postitv und negativ geladener ionen basiert
Entstehung Durch Übergang von Elektronen Möglich zwischen +&- --> Elektroststische Anziehung (Keine paarbildung , ladung Ionen wirkt auf alle Nachbarn)
Ionenbindung -eigenschaften
- hohe schmelz und siedepunkte
- meist in Wasser (dipol) gut lösbsr
- als schmelze und in Lösung gute elektr. Leitfähigkeit
- hart und spröde
- isolatoren (weil festes Kristallgitter)
Atombindung -Entstehung
Elektronenpaare werden durch zwei Atome gleichzeitg benutzr
–>meist zwischen Atome mit überwiegend elektro- Charakter
(Nichtmetall mit nichtmetall)
Unpolare vs polare Atombindung
Polar: Nichtmetall (h2 und o, organische Verb, silikone, Keramik)
Unpolar: zwischen zwei gleichen Elementen
(H und H)
Metallbindung
Annahme:Metall liegt on reinform da
- Energieniveau der Molekülorbitale unterscheiden sich kaum (Metalle hsben wenig außenelektronen , edelgaskonfigurstion wird durch abstoßen von Außenelektronen ereicht)
- Außenelektronen können keinen einzelnen Orbital mehr zugeorndet werden
- Es enstrhen Energiebänder, in denen sich “freie” Elektronen bewgen =Elektronengas
=> intensive Kraftwirkung=> Entstehung metallgitter
(Dichteste packung liehen im atomorbital ünerlappend vor)
EnergieBändermodell
*Isolator
* elektrische Leiter (alle metalle)
*halbleiter(eleltronen müssen angeregr werden)
Valenzband ist nicht voll und muss erst Kontakt mkt leistungsband herstellen–> strom anschließen (valenz füllen –>phototeilchen –> Elektronen schießen)
Metallbindung Eigenschaften
- Formbarkeit
- metallischer Glanz (refleltionsfähigkeit für licht wg polymorphie (verschiedene gitterstrulturen))
- thermische Leitfähigkeit
- elektrische leitfähgkeit
Kraftwirkung zw. Atomen
Atome ordnen sich nach gegenseitiger Kraft einwirkung ein.
Bei gleichen atomen enstehen gleiche Fres und folglich gleiche atomabstände
=> Struktur der verbundenen metallatome- > Kristalle
Kristalle
Anordnung von atomen, ionen, molekülen oder-gruppen, deren Abstand sich periodisch im Raum wdh
–> wg wirkenden kräften stellt skch jeweils best. Bindungslänge (atomabstand) ein
Echte vs unechte festköper
Echte: fernordnung - Metalle (Atome regelm. Im raum) –> kristallin
Unechte: nahordnung-fensterglas, Kunststoffe (atome unterschiedlich in Ordnung und Beweglichkeit) –> amorph (gestaltlos)
Elementarzelle
Kleinste räumliche Einheit, die alle Merkmale des gesamten Gitters aufweist
Elementarzelle- Eigenschaften
Packungsdichte= den von atomen besetzten raumanteil
=atomvolumen in zelle / volumen der Zelle
Metalle
Kubisch
Hexagonale
Orthoehomtisch
A=b=c Alpha =beta=gamma =90° würfel
A=b!=c Alpha =beta= 90 gamma = 120 sechskant
A!=b!=c Alpha =beta=gamma =120 quader
Elementarzelle
Kubisch-primitiv (kp)
N=8 *1/8=1 je Ezelle
PD=0,52
Elementarzelle
Kubisch -raumzentriert (krz)
N=81/8 + 11 =2
PD=0,68
Elementarzelle
Kubisch -flächenzentriert (kfz)
N=1/88 +60.5=4
PD=0,74
Elementarzelle
Hexagonal-primitiv (hp)
- Abstände der atome in ebene gering
- abstände atlme zwischen ebenen größer innerhalb der ebenen
N=pd=/
Elementarzelle
Hexagonal dichteste packung (hdp)
N=6
(3atome mittig rein)
121/6 +20,5 +3*1
PD=0.74
Trotz mehr atlme kann PD nicjt erweitert werden
Realkristall
=Fehlordnung in Gitterstruktur
- Kristallwachstum unregelemäßig
- Kistallsubstanz unrein
Punktdefekt (0dim)
Leerstellen = nicht besetzte Gitterstelle = Gitterlücke
- Einlagerungsatom e
- Substituionsatome
Punktdefekt - Auswirkung
führen zu Gitterengung oder - aufweitung
–> Mehr Gitterlücken durch plastische Verformung und hohe Temp
- Fremdatom setzt Wirtsgitter unter Spannung –> Größe Gitterspannung ist abh. von Größenunterschied Fremdatom zu Wirtsatom
Punktdefekt- Einlagerungsatom
signifikant kleinere Atome in Zwischengitterplätzen
Punktdefekt- Substitutionsatom
Fremdatom welches Wirtsatom substituiert (größer oder kleiner)
Liniendefekte (1dim)
arten und eigenschaft
- stufenversetzung
- Schraubenversetzung
Eigenschaften:
- haben Richtungssinn (+,-)
- können sich bewegen (Deforation = plastisches Verhalten)
Versetzungen sind Ursache für Eigenspannungen
Flächendefekte (2dim)
- Kleinwinkelkorngrenze
- Großwinkelkorngrenze
–> sind an Korngrenzen zu finden
(entlang einer Linie ist an jedem Punkt die Symmetrie versetzt)
Phasengrenzen
trennen Bereiche voneinander, die sich in chem. Zsmsetzung und /oder kristallinen Struktur unterscheide
kristallin
geordnet
amorph
nicht kristallin, strukturlos
ferngeordnet
endlos in Gitterstruktur geordnet
nahgeordnet
lokal in kleinen Gitterstrukur geordnet
Auswirkung von Metalleigenschaften
- Mechanik
- Temp verhalten
- elektr. Leitfähigkeit (Elektronengas; Kleinwinkel: wenig strom leiten da dichte kliner; Großwinkel: lokale schelchte Bindung)
- Transportvorgänge (Diffusion)
Mechanik bei Metall (verformbarkeit, festigkeit)
plastische Verformbarkeit durch Wandern von Versetzungen in bevorzugten Gleitebenen und in Gleitrichtungen
Auslöser: Mindestspannung (Fließgrenze) löst Versetzungsbew. aus
Gleitebene /-richtung
=ermöglichen das Fließen
Gitterdeformation durch Defekte behindern die Versetzungsbew. in Gleitebenen
Widerstand ist niedrig, wenn hohe Anzahl an Gleitebenen und Gleitrichtungen vorliegt.
–> Bei hoher PD und großer Symmetrie (va kfz gitter)
Richtungsabhängikeit der Metalleigenschaften
Steifigkeit: Faktor =2.5 kN/mm^2 in Steifebene höher als in Gleitebene
Anisotrop
Isotrop
Quasiisotrop
Anisotrop
Richtungsabh. infolge Ausrichtung/Typ/Strukturder EZelle, Kristallgittter
–> höchste Steifigkeit in bestimmte richtung
Isotrop
Richtungsunabh. (in alle Richtungen gleich aufgestellt)
Quasiisotrop
nahezu richtungsunab.
Gasförmig
- Fehlen von Gestalt und Raumgröße
- Auseinanderstreben Moleküle
- scheinbare Ungültigkeit der “Schwerkraft”
Flüssig
- freie verschiebbarkeit der Teilchen
- Fehlen fester Gestalt
- bestimmte Raumdichte
- geringe Zsmdrückbarkeit
Fest
-geringe Beweglichkeit der teilchen
- schwer verformbar
- Volumen durch Kompression nicth (!) veränderbar
(nur durch temp.)
-regelm. Struktur (kristallin) die meisten
Phasenumwandlung (reine Stoffe)
=Umwandlung versch. Aggregatszustände
- Erreichen Schmelztemp. (Ts)
- Wämeeeergiezufuhr erhöht sich, doch kein Temp.anstieg
- -> Diese Energie wird benötigt, um die Bindungskräfte zu überwinden (dh. Kristallstruktur aufzulösen und atome in willkürliche Anordnung und Bewgung zu bringen)
- -> Diese verbrauchte Energie = Schmelzwärme (Ws)
Reines Metall
Schmelz und Erstarrungspunkt sind praktisch dieseleben
Voraus.: thermodyn. GG (sehr langsames Erwärmen/Abkühlen)
Kristallisation (Erstarrungsvorgang)
Schmelze (=Atoe frei in Bewegung)
–> durch Abkühlung–>
Atome ordnen sich zum Gitter = Keime
–> keime wachsen zu körnern in alle Richtungen
–> körner stoßen aneinander = Kongrenzen entstehen
Je schneller die Abkühlungsgeschwindigkeit…
… desto mehr Keime entstehen
… desto schenller nimmt die Beweglichkeit der Atome ab( Diffustion sinkt)
… desto höher die Kristallgeschwindigketi (desto schneller verläuft und endet Kristallisaiton)
Grobkorn vs Feinkorn
Grobkor (wenig): lansame Abkühlung–> eher spröde
Feinkorn (viele): rasche Abkühlung –> höhere Festigkeit
“Je feiner das Korn desto geringer die Weglänge,die Versetzung bei plastischer Verfomrung zurücklegen kann”
–> ferkörnig erschwert Versetzungsbewegung und erhöht Festigkeit
Dehnung
-Normaldehnung vs Querdehnung (v= Querdehnzahl)
v:
Kunststoff 0,4-0,5
Metalle 0,2-0,4
Keramik 0,2-0,3
Rheologie
Wissenschaft des Verformungs- und Fließverhaltns einer Materie
Rheologische Modelle
- newtonsches
- maxwellsches
- kelvin/voigt
- Hookesches
- Prandtl
- St. Venant
Hooke’sches Modell
= Elastitätsmodell –> Ideal.-plastisches
- zeitunabhängig
- verformung reversibel
- Hooke Feder
- Dehnung ist endlich und proportional zur Spannung
“je größer E desto kleiner die Verformung bei geg.spannung
zeitunabhängig
einwirkende spannung bewirkt sofortige dehnung ohne zeitliche verzögerung
verformung reversibel
bei wegall der spannung bewegt sich der Körper ohne Verzögerung in seine Ausgangslage zurück
St. Venant’sches Modell
= Fließgrenze= Plastitiztät –> ideal plastisch
- unterhalb grenzspannung keine verformungen
2 mit erreichen fließgrenze kommt zu zeitunabhängigen verformung (plasitsch inhomogenes Fließen) - Modellierung: Reibelement
- Verformung irreversibel
=> tritt bei realen Werkstoffen nicht auf –> nur in komi mit elastischen Deformationsverhalten oder viskosem Fließverhalten
Serielle verknüpfung von Modellkörpern
=reihenschaltung
spannung konstant
dehnung = summe aus einzelelementen
parallele verknüpfung von modellkörpern
=Parallelschaltung
spannung = stumme aus einzelelementen
dehnung kostant
Prandtl’sches Modell
Elasto- plastisch
- bis fließgrenze elastisch
- oberhalt fließgrenze setzt bleibende verformung ein
- modellierung: hooke feder+ vernant element
- plastischer teil= irreversibel (pl dehnung bleibt erhalten)
New’tonsches Modell
Viskoses Fließen
- Verforumung zeitabhängig
- verformung homogen über querschnitt
- verformung irreversibel
- modelllierung: dämpfer
- deformationsgeschw. proportional zur einwirkenden Spannung (newtoschnes gesetz)
zeitabhängig
verformung schreitet fort, solange eine spannung wirkt
Atomradius
je mehr Protonen desto stärker die anziehung der elektronen und desto kleiner der radius
inonenradius
abgabe elektron = nichtbesetzung –> rkation r anion > r atom
Inonencharakter
- atom- und ionenbindung stellen idealisiertes modell dar
- “idealle Atombindung” nur zwischen gleichartigen Atomen
- reale Bindungen sind überwiegend ionisch-kovalten “misch-bindungen”
Zsmhg EN und Inonencharakter
Mit zunehmender Differenz der EN nimmt der Ionencharakter der chem. Bindung zu
Werkstoffbrückenbindung
=stärkste Dipol-Dipol wechselwirkung
- ->stärker im Vergleich zu anderen Dipol-Dipol-WW
- -> schwach im Vergleich zu kovaltene
H mit F, O, Cl, N
=> elektrostat. Anziehung zwischen Protonendenator (abgabe elektron) und dem freien elektronenpaar des protonenakzeptators (aufahme elektron)
Van der Waals WW
nicht kovalente nicht ionische WW
–> durch kurzzeitig (bilden sich schnell zurück, aber immer wieder) gebildete Dipole (unsym. Ladeverteilung in unpolaren Bindungen)
–> je mehr WW desto strärker -_> höhere Siedepunkte (längerer Zsmhalt)
arten von van der waals WW
- Keesom WW (zw. 2 permanenten Dipolen –> polare
- Debye WW (zw. 1 perm dipol und 1 induzierten–> polarisisierbar
- london WW (zw. 2 induzierten )
London WW
Ursprung: Fluktation der Ladungsvertielung innerhalb der Elektronenwolke
- im zeitl. mittel = ladungsverteilung symetrisch
- infolge bewegung elektronen entstehe zeitl. begrenzte dipole
- kurzzeitige dipole beeinflussen elektronenwolke der angrenzenden atome
- elektronenbeweg. synchronisiere sich
–> anziehung zw. dipolen
WWenegerie- Abstoßung und Anziehung
Abstoßung:
- elektromagnetische Abstoßung der pos. Atomkerne
- Abstoßungsenergie zw Elektronenhülle
Anziehung:
- kovalente WW zw atomen
- coloumbsche Anziehung zw entgegengesetzt geladenen ionen
- h2-Brückenbindung –> van der waals anziehung –> molekülgitter
gassförmig
- sehr niedrige dichte
- gut komprimierbar
WW
- atome/moleküle frei beweglich
- geringe wW
- elektronen sind an atomkern gebunden
flüssig
- mäßige dichte
- schwer komprimierbar
- leicht verformbar
- formanpassung
- fließfähig
WW
- starke WW
- verschiebbare Atome/Moleküle
fest
- hohe dichte
- schwer komprimierbar
- schwer verformbar
WW
-enge nachbarschaft der teilchen
sehr starke WW
Ordnung Kristall bei Aggregatszuständen
regellose verteilung/unordnung: gasförmig, flüssig
amporph nahorndung: zwischen flüssig und fest
kristallin , streng geordnet: fest
Wechselwirkungsenergie & Werkstoffeigenschaften - Festkörper
- Schmelzpunkt
(der Natriumhalogenide: Ladung Kation=anion- Bindungslänge steigt von Fluorid zu Iodid
- bindungsenergie stinkt
- schmelztemp. sinkt
- Änderung EN sinkt von Fluorid zu Iodid-Ion
-Ionenharakter sinkt)
- Therm. Ausdehungskoeffizient alpha
Je größer die Bindungsenergie, desto kleiner das alpha
wenn ich gleichen Betrag an Energie hinzufüge, dann kann ich die Kugel trotzdem weniger bewegen:brauch mehr energie, da steiler– > alpha kleiner
- max. Bruchspannung und Bruchdehnung
Energie-(1.ableitung)-> Kraft -(2.Abl.)-> Elastizität
bei Linien und Flächendefekte- Eigenschaften
Defektunabhänige Eigentschaften:
- Schmelzpunkt
- Elastzitätsmodul
- therm. Ausdehungskoeffzizeint
defektabh. :
- Bruchfestigkeit
- mechanische Härte
- Plasitzität
- Kriechen
- Leitfähigkeit
amorphe Festkörper/glas - def und entstehung
=festkörper mit hoher Anzahl an Baufehlern –> grßtmögl. Unordnung
Enstehung:
- schnelles abkühlen Flüssigkeit
- verdampfen/Kondensation
- bestrahlung, elektrolyse
amorphe festkörper- werkstoffe
- grds. in allen gruppen existent
- bei Metall/Ionenbindung nur durch sehr schnell abkühlung und nur bei niedrigen Temp stabil
- hauptsächlich gei gerichteten kovalten Bindungen und asym. Mokeülen –> polymere/keramik
Zener Model
=visko-elastische Verformung
Eigenschaften:
- verformung tlw. zeitunabhängig tlw zeitabhängig
- spannung reversible
- -> bei wegfall spannung bewegt sich körper in seine ausgangslage zurück tlw ohne tlw mit zeitlichen verzögerung
Bingham Modell
=visko-plastische Verformung
Eigenschaften:
- unterhalb fließgrenze keine verformungen
- bei erreichen kommt zu viskosem fließen
- -> verformung zeitabh.
- -> verformung homogen über ges. Querscnitt
- -> verformung irreversible (verf. bleibt nach wegfall spannung)
Dehnung =0 für Spannung < Grenzspannung
Dehnung > 0 für Spannung >= Grenzspannung
