Bindungen (Lek.2+IV) Flashcards
Zwischen welchen Bindungstypen kann man im Festkörper unterscheiden?
—> Primärbindungen (stark)
—> Sekundärbindungen (schwach)
Nenne Primärbindungen und bei was sie meistens auftreten:
- Ionenbindungen (Metalle mit Nichtmetallen)
- kovalente Bindungen (Nichtmetall mit Nichtmetall)
- Metallbindungen(Metall mit Metall)
Nenne Sekundärbindungen:
- Van-der-Waals-Bindungen
- Wasserstoffbrückenbindungen
Im Allg. existieren fließende Übergänge zwischen den Bindungsarten, darum auch vers. ?? innerhalb eines ?? möglich
Darum auch Vers. Bindungstypen innerhalb eines Festkörpers möglich
Bsp. Stoffe: Kovalent: Ionisch: Metallbindungen: Wasserstoffbrückenbind.: Van-der-Waals-Bindungen:
Kovalent: C(Diamant) ,Si Ionisch: MgO, NaCl Metallbindungen: W, Fe, Al Wasserstoffbrückenb.: H2O Van-der-Waals-Bindungen: Cl2, Ar
Auf was beruhen Ionenbindungen?
Beruht auf elektrische Anziehung
Ionenbindung
2 Atome mit stark unters. ?? Können durch diese Bindung beide ?? erreichen
Was passiert dabei genau?
Triebkraft dieser Bindungsart?
2 Atome mit stark unters. Elekronegativitäten können durch diese Bindung beide Edelgaskonfiguration erreichen
Ein Atom gibt dabei ein Elektron ab, welches das andere dann aufnimmt
—> beide erreichen so abgeschlossene äußerste Kugelschale
—> beide dann unters. Geladen also ionisiert
Triebkraft: elektrostatische Anziehung der entgegengesetzt geladenen Ionen
Edelgaskonfiguration?
Edelgaszustand
—> energetisch günstigste Zustand der Elektronenhülle, den ein Atom durch eine chem. Reaktion erreichen kann
—> alle Atome bestreben diesen reaktionsträgen, stabilen Zustand
Elektronegativität?
Relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in einer chem. Bindung Elektronenpaare an sich zu ziehen.
Wie ist die räumliche Anordnung bei Ionenbindungen?
- Für eine Bindung mit einer Vielzahl von Atomen(Festkörper)
entstehen durch Ionenbindungen häufig Kristalle. - eine Ionische Bindung hat keine Vorzugsrichtung
Wie ist die Bindungsenergie Ionischer Bindungen?
—> auf diese Art gebundene Stoffe haben häufig einen ??
Welche Werkst. weisen bspw. einen sehr hohen Anteil an Ionenb. auf?
Eine Ionenbindung hat immer einen ?? Anteil, gilt dies auch umgekehrt?
Bindungsenergie ist relativ hoch
—> haben häufig einen hohen Schmelzpunkt
Keramische Werkstoffe
…immer einen kovalenten Anteil, umgekehrt gilt dies aber nicht
Kovalente Bindung
Wo sind kovalente Bindungen häufig anzutreffen ?
Kurze Beschreibung:
Vorzugsrichtung der Bindung?
- oft zws. 2 Nichtmetallen (bzw. änlichen Elektronegativitäten)
- häufig verbinden sich Gase so
- dominiert auch in polymeren Werkstoffen
Kurze Beschreibung:
Wechselwirkung der Valenzelektronen
Elektronenpaarbildung (häufig sind Doppel- oder Dreifachbindungen
Vorzusorientierung:
- Art der Bindung ist gerichtet
—> d.h. gibt Vorzugsrichtung, die die Form der Verbindung bestimmt
—> so entstehen auch spezifische Bindungswinkel
Worin liegt der grundlegende Unterschied zwischen polaren und unpolierten kovalenten Bindungen ?
Unpolare kovalente Bindung:
—> meist zws. Atomen gleicher Elektronegativität
—>Bsp.: unpolare kovalente Bindungen zws. Nichtmetallen
Polare kovalente Bindungen:
—> meist zws. Atomen unters. Elektronegativität(Ausnahmen)
—> polare kovalente Bindungen zws. ungleichen Bindungspartnern
Metallische Bindungen
Wo treten sie auf?
Vorzugsrichtung?
Ausschlaggebend für die Eigenschaften dieser Bindungen?
Tritt unter Metallen und deren Legierungen auf
—> i.d.R sind Festkörper aus Metallen kristallin(Bindungen ungerichtet)
—> die Valenzelektronen
Beschreibung metallischer Bindungen
- jedes einzelne Atom steuert Valenzelektronen zu Kollektiv freier
Elektronen bei
—> die freigesetzten Elektronen können Feststoff nicht verlassen, aber
können sich innerhalb des Körpers frei bewegen
—> bewegen sich in Leitungsbändern frei im Material
Metallische Bindungen
Was liegt zwischen den Leitungsbändern?
Was beeinflusst der Abstand zwischen den Leitungsbändern?
—> Was definiert er?
sog. verbotene Bänder (hier dürfen keine Elektronen aufhalten)
Die elektrische Leitfähigkeit
—> Abstand definiert ob es sich beim Material um einen Isolator,
Halbleiter oder Leiter handelt
Metallische Bindungen
—> aufgrund der frei beweglichen Valenzelektronen: ?
—> gute Verformbarkeit (Duktilität), da ??
- hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
- da Atome sich gegeneinander verschieben lassen ohne die
metallische Bindung aufzuheben
—> weil in absolut reinen Metall alle Atomrümpfe gleichwertig,
Platzwechsel einzel. Atomrümpfe bewirkt daher keine
einschneidende Veränderung der elektrostatischen Kräfte zws.
diesen und Elektronengas - ein metallischer Glanz
Sekundärbindungen sind besonders zws. ?? von Bedeutung.
Es handelt sich um Wechselwirkungen zws. ??
Dabei kann man unterscheiden:
Besonders zws. Molekülen von Bedeutung
Handelt sich um Wechselwirkungen zws. Dipolen
Van-der-Waals-Bindungen:
- permanente Dipole, die unterein. wechselwirk.(Dipol-Dipol-Wechselw.)
- induzierbare Dipole, die unterein. wechselwirk.(London-Dispersion)
- permanente Dipole, die mit induzierbaren Dipolen wechselwirken
(Debye-Wechselwirkung)
—> genau in Lektion beschrieben alle drei
- Wasserstoffbrückenbindung erhält Sonderstellung
Was ist ein Dipol?
Wie errechnet sich das Dipolmoment?
permanenter Dipol ?
Induzierter Dipol?
Wirkungsweise:
Bezeichnet räumliche Trennung pos. Und neg. Ladung
Dipolmoment errechnet sich aus der elektr. Ladung und dem Abstand der Ladungen zueinander
Permanenter Dipol existiert ohne äußeren Einfluss
—> behält Dipolmoment auch ohne äußeres elektr. Feld
Induzierter Dipol existiert nur solange er angeregt wird
Wirkungsweise: Ein einzelner Dipol wirkt in seiner Umgebung durch ein elektr. Feld
Wasserstoffbrückenbindungen
Bindung beruht auf?
Beschreibung: kurz!
Bsp.:
Beruht auf Wechselwirkung von Dipolen.
Polare konvergente Bindung eines Moleküls mit Wasserstoff(H)
Bsp.: Wasser, DNA
Kurz&Knapp
Welche Bindungen sind schwach, welche stark?
Nenne alle Primären und Sekundären Bindungen + Kennzeichen:
Primäre Bindungen(stark):
- kovalent
—> gerichtet
—> Bildung eines Elektronenpaars
- ionisch
—> ungerichtet - metallisch
—> ungerichtet
—> Valenzelektronen
Sekundäre Bindungen(schwach):
- Van-der-Waals-Bindung
—> temporäre und spontane Dipolbildung
- Wasserstoffbrückenbindung
—> polare kovalente Bindung eines Moleküls mit Wasserstoff(H)
Was versteht man unter der Bindungsenergie?
- wird freigesetzt, wenn 2 oder mehr Bestandteile durch
Anziehungskräfte zsm.gebracht werden und miteinander ein
gebundenes System (Himmelskörper, Molekül, Atom,Atomkern) bilden. - Freisetzung bed., dass gebundene System neg. potentielle Energie hat
- um Bestandteile wieder zu trennen,äquivalente Arbeit geleistet werden
—> um die bindenden Kräfte zu überwinden.
—> siehe auch Graphik Folie 2
Bindungsabhängige Eigenschaften im Kristallgitter
Welche grundlegenden Eigenschaften bestimmen Bindungskräfte?
- Elastizitätsmodul (äußere mechan. Eigens. zu widerstehen)
—> Steifigkeit der Bindungen —>Materialsteifigkeit
—> ist messbar im E-Modul - Schmelzpunkt
Kraft-Atomabstand-Kurven
—> siehe Folie 2 und folgende (sollte man zeichnen können!)
Woraus resultieren die anziehenden Kräfte ?
Woraus die abstoßenden Kräfte?
Wo besteht ein Gleichgewicht zwischen diesen Kräften?
—> wie überwindet man dieses GG
Ist der Widerstand einer Verschiebung aus der Ruhelage in Druckrichtung höher oder in Zugrichtung?
- anziehende Kräfte resultieren aus der gem. Anziehung der Atomrümpfe zu den freien Elektronen
- abstoßende Kräfte resultieren aus der gegenseitigen Abstoßung der Atomrümpfe untereinander
GG besteht bei r0, GG zws. Anziehungskraft und Abstoßungskraft
—> vers. Bindungsarten, Atome haben r0 an vers. Stelle
—> sobald äußere Kräfte wirken, muss Abstand zws. Atomen von der
Ruhelage r0 abweichen
- in Druckrichtung größerer Widerstand als in Zugrichtung
Wie berechnet man das E-Modul aus der Bindungsenergie?
E = S0/a0
—> a0 = lineare Näherung (Anstieg der F(a)-Kurve um a0
a0 = Abl. Kraft(F) / Abl. Atomabstand (a)
—> S0 = Maß für elastische Steifigkeit S der Bindung, da bei äußerer
Kraftwirkung Verschiebung der Atome
S0 = (d^2U /da^2)
a=a0
Hierarchie der Bindungssteifigkeit
—> E-Modul Berechnungen aus Bindungsenergie
Bindungstypen von oben nach unten: ??
Kovalent Metallisch Ionisch Wasserstoffbrücken Van-der-Waals
Vergleich Bindungskraft starker Bindungen und Schwacher Bindungen:
—> siehe Folie 6
Folie 6
Vergleich von Werkstoffen mit gemessenen E-Modulbereich
Was erreicht das höchste E-Modul, was das niedrigste?
siehe Folie 7
Diamant (Keramik) höchste.
Styropor(Polymere) niedrigste
Ein Bauteil aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul (z. B. Stahl) ist ?? als ein Bauteil gleicher Konstruktion (gleichen geometrischen Abmessungen), welches aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul (z. B. Gummi) besteht.
steifer
Der Elastizitätsmodul weist keinen klar definierbaren Bezug zur ???(3) auf
- Materialhärte
- Streckgrenze Re des Materials
- Zugfestigkeit Rm des Materials
Beispiel:
Der Elastizitätsmodul von einfachem Baustahl entspricht nahezu dem von Edelstahl, der hochlegiert, hochfest und korrosionsbeständig ist. Jedoch lässt sich der Edelstahl deutlich höher belasten und kann stärker verformt werden als der einfache Baustahl
Wie verhält sich E-Modul eines Metalls im Verhältnis zur Schmelztemperatur ?
Der Elastizitätsmodul eines Metalls verhält sich proportional zu dessen Schmelztemperatur
—> daher E-Modul von z.B. Wolfram höher als der von anderen Metallen wie Eisen oder Kupfer.
—>E-Modul von kubisch raumzentrierter(krz)Metalle ist bei einer vergleichbaren Schmelztemperatur höher als bei kubisch flächenzentrierten(kfz) Metallen
Temperaturabhängigkeit von E-Modul
—> Begründung nach Kraft-Atomabstand-Kurve
Aufgrund der ?? nimmt die Krümmung des interatomaren Potentialminimums mit ?? Temperatur ab.
—> daraus folgt: ??
—> daraus folgt wiederum: ??
Aufgrund der Wärmeschwingung nimmt die Krümmung des interatomaren Potentialminimums mit steigender Temperatur ab.
—> daraus folgt: Abnahme der Steigung der Kraft-Abstand-Kurve
—> daraus folgt: Abnahme der E-Modul mit steigender T
Bindungsenergie
Energieminimum E0 bei ??
—> ?? Lage
—> E0 = ??
Berechnung des Elastizitätsmoduls wo?
Energieminimum bei r0
—> stabile Lage
—> E0 = Bindungsenergie
Im Gleichgewicht(Steigung)
Mit steigender Temperatur nimmt Länge(Volumen) ??
Mit sinkender Temperatur ??
- Bei steigender T nimmt Länge zu
- bei sinkender T nimmt Länge ab
Weitere bindungsabhängige Eigenschaften:
Eigenschaften von schwächer gebundenen Feststoffen vs.
Eigenschaften von stärker gebundenen Feststoffen
- stärker gebundene haben höheren Schmelzp. als schwach geb.
- stärker gebundene haben höheren Elastizitätsmodul als …
- stärker geb. haben niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
—> schwächer gebundene haben hohen therm. Ausdehnungkoeff.
—> siehe Folie 12 (mittlerer Atomabstand mit steigender Temperatur bei
schwach gebundenen größer)
Ist eine plastische Verformbarkeit bei einer Ionenbindung zu erwarten und warum?
Warum auch nicht leitend?
Nein
—> weil Verschiebung eines Teils der Ionen um
einen Atomabstand hätte zur Folge, dass sich
die Kationen bzw. die Anionen gegenüberstän-
den.
—> dann gleichnamige Ladungen, dadurch abstoßende Kräfte, welche
den Kristall zerstören.
- Kristall auch nicht leitend, da von den Kationen abgegebene Elektronen
werden von den Anionen gebunden und sind nicht beweglich
