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Metall

Metall

] Metalle sind die größte Gruppe der chemischen Elemente, etwa 80 % der Elemente sind Metalle. Sie sind im allgemeinen gute elektrische Leiter. Im Periodensystem der Elemente sind sie nicht bestimmten Reihen oder Perioden zugeordnet, vielmehr befinden sie sich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Polonium. Oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle.

Metalle in der Chemie

Grundsätzliches

Metallatome sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- Die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale ist gering und kleiner als die Koordinationszahl
- Die Ionisierungsenergie ist klein (< etwa 10 eV) Daraus ergibt sich, dass Metallatome sich nicht wie viele Nichtmetalle über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen solche Atombindungen vor, z. B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na₂-Molekülen. Metalle ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, in dem die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind, man spricht auch von einem Elektronengas. In dem Elektronengas ordnen sich die positiv geladenen Atomrümpfe. Eine exaktere Betrachtung unter Berücksichtigung des Orbitalmodells liefert das Energiebändermodell. In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz). In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten.

Eigenschaften

Aus der Bindungsart und dem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle:
- Undurchsichtigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen (dadurch, dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie viele Wellenlängen absorbieren und haben deshalb eine grau bis schwarze Farbe)
- Glanz, bedingt durch leicht verschiebbare Elektronen an der Oberfläche (dadurch dass die Elektronen nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden sind, sondern frei in Form eines Elektronengases vorkommen, können sie die ganze zuvor aufgenommene Energie wieder emittieren. So entsteht der Glanz)
- Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metallgitter befinden sich Versetzungen, die sich schon bei einer Spannung unterhalb der Trennspannung bewegen können; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall eher, als dass es bricht
- Hoher Schmelzpunkt durch die allseitig gerichteten Bindungskräfte
- Gute Elektrische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen
- Gute Thermische Leitfähigkeit durch leicht verschiebbare Elektronen ----

Schmelz- und Siedetemperaturen

Die folgende Tabelle zeigt die Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Metalle (in °C bei Normaldruck):

Wärmeleiteigenschaften

Die für die Wärmeleitung relevaten Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit variieren stark. So hat etwa Silber mit 427 W/(m K) eine ca. 20-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Mangan. Weitere Werte.

Einteilung

Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle, nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle. Daneben ist gerade für das chemische Verhalten die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend. Siehe auch: Refraktärmetalle

Für technisch verwendete Metalle

Die technisch verwendete Metalle werden entsprechend ihrem Basismetall und nach dem Verwendungszweck unterteilt:
- Metalle
- Eisenwerkstoffe
- Stahl (unlegiert, niedriglegiert, hochlegiert)
- Gusseisen (Grauguss, Stahlguss, Temperguss)
- Nichteisenmetalle
- Reinmetalle
- Edelmetalle
- Schwermetalle (ρ ≥ 4,5 g/cm³)
- Leichtmetalle (ρ < 4,5 g/cm³)
- Nichteisen-Legierungen
- Knetlegierungen
- Gusslegierungen ----

Vorkommen

Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen, da es das physikalisch stabilste Element ist. In der Erdkruste dagegen überwiegen die Nichtmetalle, relativ häufige Metalle sind Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium und Kalium. Viele seltene Metalle treten aber in ihren Abbaustätten stark angereichert auf, so dass sich ein Abbau lohnt. Gesteine, die klassische Werkmetalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werden Erze genannt. Zu den wichtigsten Erzen gehören:
- Oxide
- Sulfide
- Carbonate Andere Metallverbindungen wie Kochsalz oder Kalk werden dagegen nicht als Erze bezeichnet. Manche Edelmetalle, v. a. Gold, kommen auch gediegen, d. h. in reiner Form und nicht als Verbindung/Erz vor.

Verbindungen

Die Verbindungen oder auch Lösungen von verschiedenen Metallen heißen Legierungen. Diese haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem die Härte ist teilweise um Größenordnungen höher. Ebenso ist vielfach die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöht. Reine Metalle werden praktisch nicht verwendet, außer bei der Herstellung elektrischer Leitungen, da reine Metalle die größte Leitfähigkeit besitzen. Hier werden unlegierte Metalle verwendet, vor allem Kupfer und Aluminium. Mit vielen Nichtmetallen werden Ionenverbindungen eingegangen, wobei aber gerade bei Übergangsmetallen und bei größeren Anionen (wie dem Sulfid-Ion) alle Übergangsstufen zur Atombindung vorkommen. Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungen gebildet, wobei sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters befinden, ohne dieses wesentlich zu verändern. Diese Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften wie die Elektrische Leitfähigkeit. Metallkationen, v. a. die der Nebengruppenmetalle, bilden mit Basen (Wasser, Ammoniak, Halogeniden, Cyanid u. v. a.) Komplexverbindungen, deren Stabilität nicht allein durch die elektrostatische Anziehung erklärt werden kann. Metalle in höheren Oxidationsstufen bilden auch Komplexanionen, z. B. löst sich Chromtrioxid CrO₃ in Kalilauge unter Bildung des Chromat-Anions CrO₄^2-: CrO₃ + 2 KOH -> K₂CrO₄ + H₂O

Verwendung

Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe. Unsere moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet. Die folgende Tabelle enthält die wichtigsten Metalle und Legierungsbestandteile, keine Verbindungen.
- Aluminium: bedeutendstes Leichtmetall
- Beryllium
- Bismut: Legierungen
- Blei: Legierungen, Bleiakkumulator, Lote, Korrosionsschutz, Gewicht
- Cadmium: Bestandteil von Akkumulatoren
- Chrom: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl, Chrom-Nickel-Stahl), Überzugsmetall
- Eisen: wichtigstes Werkmetall (Gusseisen, Stahl), viele Legierungen
- Gold: Schmuckmetall, Blattgold, Elektrotechnik, Wertanlage, Währungsabsicherung
- Iridium
- Kalium: legiert mit Natrium als Kühlmittel in Kernreaktoren
- Kobalt: Magnete
- Kupfer: Elektrotechnik (zweithöchste Leitfähigkeit nach Silber), Bronze, Messing
- Magnesium: für besonders leichte Werkstücke mit nicht allzuhohen Ansprüchen an die Festigkeit; Einweg-Blitzbirnen bzw. Blitzlichtpulver
- Mangan: Legierungsbestandteil (Manganstahl)
- Molybdän: Legierungsbestandteil (Molybdän-Stahl) zur Erhöhung der Warmfestigkeit
- Natrium: legiert mit Kalium als Kühlmittel in Kernreaktoren
- Nickel: Legierungen (Nickel-Eisen, Nickel-Chrom, Nickel-Kupfer etc.), Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl, Chrom-Nickel-Stahl), Magnete
- Osmium: legiert mit Wolfram in Glühlampen
- Palladium: Katalyse, Wasserstoffspeicherung
- Platin: Schmuckmetall, Katalyse, Wertvollstes Metall
- Quecksilber: Thermometer
- Rhodium: Schmuckmetall
- Ruthenium
- Silber: Schmuckmetall, Fotografie
- Tantal: Kondensatoren
- Titan: für Leichtbauweise ohne Rücksicht auf die hohen Kosten, Schmuck
- Uran: Kernreaktoren, Radioaktivität
- Vanadium: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl) für wärmfeste Stähle, Katalysator zur Synthetisierung von Schwefelsäure (Vanadium-V-Oxid)
- Wolfram: Glühlampen (höchster Schmelzpunkt aller Metalle), Spezialstähle, Wolframcarbid
- Zink: Legierungsbestandteil (Messing), Zinkdruckgussteile (Zamak-Legierung), Verzinkung von Stahlteile (Feuerverzinkung, Bandverzinken, ..)
- Zinn: Legierungsbestandteil (Bronze), Lote (Lötzinn), Weißblech, Zinnfiguren
- Zirkonium: Lamdasonde im Auto (Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas)

Metalle in der Astronomie

In der Astronomie bezeichnet Metall jedes chemische Element mit einer Ordnungszahl höher als Helium. Diese Unterscheidung ist sinnvoll, da Wasserstoff und Helium zusammen mit einigen Spuren von Lithium die einzigen Elemente sind, welche im Universum auftreten, ohne ein Produkt der Kernfusion innerhalb von Sternen zu sein. Die Metallizität von Objekten des Weltraums kann daher als Indikator für seine stellare Aktivität aufgefasst werden.

Metall in der Chinesischen Philosophie

Metall bezeichnet ein Element der traditionellen Fünf-Elemente-Lehre.

Siehe auch

- Metallurgie
- Metallgitter – Metallbindung
- Halbmetall – Nichtmetall
- Periodensystem
- Festkörper

Weblinks

- Animationen der Atome von Metallen und Nichtmetallen: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html ! Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Metallurgie ja:金属 ko:금속 simple:Metal th:โลหะ

Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem der Elemente, kurz Periodensystem oder PSE, bietet eine Übersicht der verschiedenen chemischen Elemente. Die Elemente werden mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen eingeteilt. Nachfolgend ist das Periodensystem der Elemente in seiner heute bekanntesten Form dargestellt. Die Elemente sind mit ihrer Ordnungszahl und ihrem Symbol aufgeführt. (Ein über die Ordnungszahl 118 erweitertes Periodensystem befindet sich unter Erweitertes Periodensystem).

Geschichte

Erweitertes Periodensystem Die Datierung der Entdeckung solcher Elemente, die bereits seit der Frühzeit oder Antike bekannt sind, ist nur ungenau und kann je nach Literaturquelle um mehrere Jahrhunderte schwanken. Sicherere Datierungen sind erst ab dem 18. Jahrhundert möglich. Bis dahin waren erst 15 Elemente als solche bekannt und beschrieben (Metalle wie Eisen, Kupfer, Blei, Bismut, Arsen, Zink, Zinn, Antimon, Platin, Silber, Quecksilber und Gold oder Nichtmetalle wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor). Die meisten Elemente wurden im 19. Jahrhundert entdeckt und wissenschaftlich beschrieben. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren nur noch zehn der natürlichen Elemente unbekannt. Seither wurden vor allem schwer zugängliche, oftmals radioaktive Elemente dargestellt. Viele dieser Elemente kommen nicht in der Natur vor und sind das Produkt von künstlichen Kernverschmelzungsprozessen. Erst im Dezember 1994 wurden die beiden künstlichen Elemente Darmstadtium (Eka-Platin) und Roentgenium (Eka-Gold) hergestellt. (siehe auch: [http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm www.seilnacht.com]) Anfang des 19. Jahrhunderts stellte Johann Wolfgang Döbereiner erstmals einen Zusammenhang zwischen der Atommasse und den chemischen Eigenschaften einzelner Elemente fest. 1863 stellte Newlands eine nach Atommassen geordnete Tabelle der Elemente in Achtergruppen (Gesetz der Oktaven) auf. Das Periodensystem selbst wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander von Dmitri Mendelejew (1834-1907) und Lothar Meyer (1830-1895) aufgestellt. Dabei ordneten sie ebenfalls die chemischen Elemente nach steigenden Atommassen, wobei sie Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (Anzahl der Valenzelektronen) untereinander anordneten. Im 20. Jahrhundert wurde der Aufbau der Atome entdeckt, die Periodizität wurde durch den Aufbau der Elektronenhülle erklärt. (siehe auch Entwicklung des Periodensystems der Elemente)

Aufbau

Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden nur durch die Eigenschaften der Elektronenhülle bestimmt, die Eigenschaften des Atomkerns spielen bis auf die Kernladung, die die Anzahl der Hüllenelektronen festlegt, keine Rolle. Das Periodensystem ist damit vollständig durch die Elektronenkonfiguration der Atome erklärbar. Die Elemente in einer Periode (Zeile des PSE) haben die gleiche Anzahl von Elektronenschalen, die Elemente einer Gruppe (Spalte des PSE) gleichen sich im Aufbau der äußeren Elektronenschale. Die Unterscheidung in Haupt- und Nebengruppen ergibt sich dadurch, dass bei letzteren nicht die äußerste, sondern die zweitäußerste Schale mit Elektronen aufgefüllt wird, bei den Lanthaniden/Lanthanoiden und Actiniden/Actinoiden die drittäußerste. Im Wesentlichen bestimmt die Anzahl der Elektronen auf der äußeren Elektronenschale das chemische Verhalten eines Atoms, deshalb haben die Elemente der einzelnen Gruppen, da sie die gleiche Anzahl an Elektronen auf der äußeren Bahn haben, vergleichbare chemische Eigenschaften.. Das Element 84 (Po Polonium) und alle nachfolgenden sind radioaktiv und somit instabil. Auch innerhalb der Elemente 1 bis 83 sind 2 Stoffe enthalten, die radioaktiv, also instabil sind: Nr. 43 Tc Technetium und Nr. 61 Pm Promethium (Name nach Prometheus). So bleiben tatsächlich nur 81 stabile Elemente übrig, die in der Natur vorkommen - alle anderen sind radioaktive Stoffe. Von den radioaktiven Elementen sind nur Thorium und Uran in größeren Mengen in der Natur vorhanden, da diese Elemente Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde haben. Alle anderen radioaktiven Elemente sind entweder intermediäre Zerfallsprodukte des Urans und Thoriums, wie das Radium oder entstehen bei seltenen natürlichen Kernreaktionen oder durch Spontanspaltung von Uran und Thorium. Letztere können in wägbaren Mengen nur künstlich hergestellt werden. Dies gilt grundsätzlich für alle Elemente mit Ordnungszahlen über 94, von denen bis heute noch keine Spuren in der Natur gefunden wurden, obwohl sie ebenfalls bei der Elementsynthese in einer Supernova entstehen.

Tendenzen

Im PSE kann man feststellen, dass einige Eigenschaften der Elemente sich in bestimmten Positionen im PSE finden lassen.
So erscheint es logisch, dass die Anzahl der Protonen von links nach rechts in einer Zeile und von oben nach unten in einer Spalte zunimmt. So gibt es weitere Eigenschaften, die sich im Periodensystem darstellen lassen:
- Masse
- nimmt von oben nach unten und von links nach rechts zu (Ausnahmen: Ar vor K, Te vor I, Co vor Ni, Th vor Pa).
- Atomradius
- nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab (bei Hauptgruppenelementen)
- Elektronegativität
- Nimmt von oben nach unten ab, von links nach rechts zu (Ausnahme: Edelgase)
- Ionisierungsenergie
- nimmt von oben nach unten ab, von links nach rechts zu.
- Metallcharakter
- nimmt von oben nach unten zu und von links nach rechts ab.
- Basizität der Oxide
- nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab.
- Schrägbeziehung:
- Ähnlichkeiten zwischen:
- Lithium - Magnesium
- Beryllium - Aluminium
- Bor - Silizium
- Grimmscher Hydridverschiebungssatz
- Lanthanoidenkontraktion

Siehe auch

- Elektronenkonfiguration im Periodensystem.
- Liste der chemischen Elemente nach
- Namen
- Ordnungszahl
- Symbol
- Seltenheit

Das Lied der chemischen Elemente

1959 hat der Amerikaner Tom Lehrer ein Lied geschrieben, in dem die Namen aller bis dato bekannten 102 Elemente vorkommen. Dieses Lied heißt „The Elements“ (Lied der chemischen Elemente).
- http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html
- http://www.privatehand.com/flash/elements.html

Weblinks

Deutsche Seiten

- [http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Bebildertes Periodensystem]
- [http://mypse.sourceforge.net/ Interaktives Periodensystem - deutsch (GPL)]
- [http://www.pse-online.de/html/allgemein/pdf.htm/ Periodensystem als PDF]

Englische Seiten

- [http://www.webelements.com Informationen zu den Elementen]
- [http://www.iupac.org/reports/periodic_table/index.html offizielles Periodensystem der Elemente der] IUPAC Kategorie:Werkzeug der Chemie !Periodensystem als:Periodensystem ja:周期表 ko:주기율표 ms:Jadual berkala simple:Periodic table th:ตารางธาตุ

Polonium

Polonium ist ein radioaktives chemisches Element mit der Ordnungszahl 84 und dem Elementsymbol Po. Es wird der Elementgruppe der Chalkogene zugeordnet.

Geschichte

Polonium wurde 1898 entdeckt. Den Namen gab man dem Element zu Ehren seiner Entdeckerin Marie Curie in Erinnerung an ihr Heimatland Polen. Marie Curie verzichtete auf die Patentierung des Gewinnungsverfahrens, damit die Erforschung dieses Elements ungehindert weitergehen konnte.

Gewinnung und Darstellung

Polonium kann bei der Aufarbeitung von Pechblende gewonnen werden. Dabei reichert es sich zusammen mit Bismut an. Von diesem Element wird es anschließend mittels fraktionierter Fällung der Sulfide (Poloniumsulfid ist schwerer löslich als Bismutsulfid) getrennt. Die Darstellung von Polonium erfolgt heutzutage jedoch im Kernreaktor durch Neutronenbeschuss von Bismut: :

\mathrm

Die Halbwertszeit t_1/2 für den Betazerfall liegt bei 5,01 Tagen. Durch Destillation werden die beiden Elemente anschließend getrennt (Siedepunkt für Polonium: 962 °C; Siedepunkt für Bismut: 1564 °C).

Eigenschaften

Polonium ist ein silberweiß glänzendes Metall. Als einziges Metall weist die α-Modifikation eine kubisch-primitive Kristallstruktur auf. Dabei sind nur die Ecken eines Würfels mit Polonium-Atomen besetzt. Diese Kristallstruktur findet man sonst nur noch bei den Hochdruckmodifikationen von Phosphor und Antimon. Die chemischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen seines linken Perioden-Nachbarn Bismut. Es ist metallisch leitend und edler als Silber. Es lässt sich in hoher Reinheit auf elektrochemischem Wege leicht gewinnen. Polonium löst sich in Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure auf.

Isotope

Bekannt sind die Polonium-Isotope ¹⁹²Po bis ²¹⁸Po. Ausnahmslos alle sind radioaktiv. Die Halbwertszeiten sind recht unterschiedlich und reichen von etwa 3 · 10^-7 Sekunden für ²¹²Po bis zu 103 Jahren für ²⁰⁹Po. Das wichtigste, natürlich vorkommende Isotop ²¹⁰Po hat eine Halbwertzeit von 138 Tage und zerfällt unter Aussendung von Alpha-Strahlung in das Blei-Isotop ²⁰⁶₈₂Pb.

Verwendung

Polonium wird in Verbindung mit Beryllium in transportablen Neutronenquellen benutzt. Dabei wird die Kernreaktion ⁹Be(

\alpha

, n)¹²C zur Erzeugung freier Neutronen genutzt. Auch in Kernwaffen wurde Polonium als Neutronenquelle eingesetzt. So wurden z.B. in den amerikanischen Atombomben Little Boy und Fat Man, die auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfen wurden, Initiatoren aus Polonium und Beryllium zum Start der Kettenreaktion verwendet.

Verbindungen

Sauerstoffverbindungen

Poloniumdioxid, (PoO₂)_x, ist wie das Oxid des Gruppennachbarn Tellur (Tellurdioxid, (TeO₂)_x) eine ionische Verbindung, die in einer gelben und einer roten Modifikation auftritt. Weiterhin kennt man Poloniumtrioxid (PoO₃).

Sulfide

Schwarzes Poloniumsulfid (PoS) erhält man durch Fällung von in Säure gelöstem Polonium mit Schwefelwasserstoff.

Wasserstoffverbindungen

Poloniumwasserstoff (H₂Po) ist eine bei Raumtemperatur flüssige Wasserstoff-Verbindung, von der sich zahlreiche Polonide ableiten lassen.

Halogenide

Poloniumhalogenide kennt man mit den Summenformeln PoX₂, PoX₄ und PoX₆. Zu nennen wären da Poloniumdifluorid, Poloniumdichlorid (rubinrot), Poloniumdibromid (purpurbraun) und Poloniumtetrafluorid, hellgelbes Poloniumtetrachlorid, rotes Poloniumtetrabromid, schwarzes Poloniumtetraiodid sowie das weiße, leicht flüchtige Poloniumhexafluorid.

Weblinks

- [http://www.lenntech.com/deutsch/Data-PSE/Po.htm Gesundheits- und Umweltaspekte] von Polonium Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Chalkogen Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Metall ja:ポロニウム ko:폴로늄 th:พอโลเนียม

Nichtmetall

Ein Nichtmetall ist ein chemisches Element, das leicht Elektronen aufnimmt, der Betrag seiner ersten Elektronenaffinität ist hoch. Die Nichtmetalle sind rechts im Periodensystem zu finden. Meistens leiten sie den elektrischen Strom nicht. Einige Nichtmetalle existieren jedoch auch in leitenden Modifikationen. So leitet Graphit den Strom, Diamant jedoch nicht. Die Nichtmetalle sind:
- Edelgase
- Halogene
- Sauerstoff, Schwefel, Selen, Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff, Wasserstoff Siehe auch: Halbmetall, Metall, Chalkogene Kategorie:Nichtmetall ja:非金属元素 ko:비금속 th:อโลหะ

Atome

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Koordinationszahl

Eine Kristallstruktur wird durch die Angabe der Position ihrer Bausteine (Atome, Ionen, Moleküle), d. h. durch deren Koordination in der Elementarzelle, beschrieben. Als Koordinationszahl bezeichnet man die Anzahl der nächsten Nachbarn eines Ion in einem Ionenkristall. Die Angabe der Koordinationszahl erfolgt in eckigen Klammern. Beispiel Steinsalz: Na[6]Cl[6], was einer rechtwinkligen Gitterstruktur entspricht. Jedes Natriumion besitzt 6 Nachbar-Chlorionen - und ebenso jedes Chlorion 6 Nachbar-Natriumionen. In bestimmten Kristallstrukturen kann ein und dieselbe Ionenart auch auf Positionen mit unterschiedlichen Koordinationszahlen vorkommen. Handelt es sich um einen Komplex, entspricht die Koordinationszahl den an ein Zentralatom direkt gebundenen Atomen. Kategorie:Kristallographie

Elektronenvolt

Das Elektronenvolt oder Elektronvolt (Einheitenzeichen eV) ist eine Einheit der Energie (Formelzeichen E). Gesetzlich richtig und normgerecht ist in Deutschland nur die Bezeichnung "Elektronvolt", siehe Gesetz über Einheiten im Messwesen und DIN 1301.

Definition

1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J 1 Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit der Ladung 1 e (Elementarladung) erhält, wenn es die Spannung von 1 V frei im Vakuum durchläuft. Die Energie lässt sich einfach ins SI-System (zur Einheit Joule) überführen, indem man für den Buchstaben e die Elementarladung 1,602·10^-19 Coulomb einsetzt.

Verwendung

Das Elektronenvolt wird als praktische Einheit in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten verwendet. In der experimentellen Elementarteilchenphysik hat sich das Elektronenvolt als „handliche“ Einheit durchgesetzt. Sowohl die Ruhemasse von Elementarteilchen als auch die Energie, auf die sie in Elemantarteilchenbeschleunigern (Synchrotron) gebracht werden, werden in (Vielfachen von) Elektronenvolt angegeben. Die Umrechnung geschieht mit Hilfe der bekannten Gleichung aus der speziellen Relativitätstheorie :

E = m \cdot c^2

,wobei

E

für die Energie,

m

für die Masse und

c

für die Vakuumlichtgeschwindigkeit steht. Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronvolt sind
- keV (Kilo-Elektronvolt)
- MeV (Mega-Elektronvolt) (die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,5 MeV)
- GeV (Giga-Elektronvolt) (die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,9 GeV)
- TeV (Tera-Elektronvolt) Als Vergleich: Die Spaltprodukte einer Kernspaltung haben eine Bewegungsenergie von zusammen etwa 200 MeV. Ein typisches Molekül in der Atmosphäre hat eine Bewegungsenergie (thermische Energie) von etwa 0,03 eV. Die Photonen von sichtbarem Licht (rot) haben eine Energie von etwa 2 eV. Um die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines idealen Gases in die Temperatur des Gases umzurechnen, multipliziere man mit

\frac  \cdot 11.605

K/eV; siehe auch Maxwell-Boltzmann-Verteilung.

Siehe auch

Physikalische Konstanten, Beschleunigungsspannung.

Weblinks

- [http://www.ex.ac.uk/trol/scol/ccenrgy.htm Energie-Umrechnungsprogramm] Kategorie:Maßeinheit ja:電子ボルト ko:전자볼트

Natrium

Natrium (von ägypt. netjer = Natron aus arab. natrun = Natron, da Natrium den Hauptbestandteil von Natron bildet, veraltete und englisch-französische Bezeichnung Sodium), chem. Symbol Na, ist ein chemisches Element. Es gehört zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems und hat die Ordnungszahl 11. Natrium ist ein weiches, wachsartiges, silberglänzendes, hochreaktives Alkalimetall, das eine hohe Strom- und Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Geschichte

Natriumverbindungen sind seit langem bekannt. Die Herstellung des Elements gelang als erstem Sir Humphry Davy im Jahre 1807 durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid unter Verwendung von Voltaschen Säulen als Stromquelle.

Gewinnung und Darstellung

Die großtechnische Herstellung von Natrium erfolgt heute durch Schmelzflusselektrolyse von trockenem Natriumchlorid in einer Downs-Zelle. Zur Schmelzpunkterniedrigung wird ein Salzgemisch aus Calcium- (46 %), Natrium- (28 %) und Bariumchlorid (26 %) eingesetzt. Die zylindrische Elektrolysezelle besteht aus einer mittigen Graphitanode, über der das entstehende Chlorgas abgezogen wird. Oberhalb der kleeblattförmig um die Graphitanode angeordneten Stahlblechkathoden wird das flüssige Natrium abgezogen und nach einer Zwischenlagerung einem Reinigungsprozess zugeführt.
Anodenvorgang:

\mathrm

Kathodenvorgang:

\mathrm

Gesamtvorgang bei der Elektrolyse:

\mathrm

Seit Einführung der Chlor-Alkali-Schmelzfluss-Elektrolyse hat sich der Preis für Natrium drastisch verringert. Heute ist Natrium volumenbezogen das preiswerteste Metall überhaupt.

Vorkommen

Natrium ist ein auch im Weltall relativ häufig vorkommendes Element. Im ausgestrahlten Licht vieler Himmelskörper, auch dem der Sonne, können die gelben Spektrallinien der D-Serie gut nachgewiesen werden. In der Erdkruste ist Natrium das sechsthäufigste Element. Es kommt aber nicht elementar vor. Wichtige Natriumdepots sind die Ozeane mit 10 bis 11g Na⁺ pro l Meerwasser, sowie Salzlager und Mineralvorkommen. Wichtige natürlich vorkommende Minerale sind:
- Steinsalz (Halit) - NaCl
- Natronsalpeter (Chilesalpeter) - NaNO₃
- Kryolith (Eisstein) - Na₃[AlF₆]
- Natronfeldspat (Albit) - Na[AlSi₃O₈]

Eigenschaften

Natronfeldspat Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Natrium mit anderen Elementen und Verbindungen sehr heftig und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Natrium reagiert heftig mit Wasser und seinen Derivaten unter Bildung von Natriumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Da das Natriumstück unkontrolliert zerplatzen kann, ist Vorsicht bei einem Experiment ratsam. Als Alternative bietet sich der Versuch mit Lithium an. mit Wasser:

\mathrm

allgemein:

\mathrm

Durch die hohe Reaktionswärme schmilzt es auf. Bei feiner Verteilung des Natriums (große Reaktionsoberfläche) kann es sich entzünden. Wegen des frei gesetzten Wasserstoffs kann es bei Luftzutritt zu Verpuffungen oder Explosionen kommen. Kommt Natrium mit chlorierten Verbindungen wie Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlormethan in Kontakt, kommt es unter Bildung von NaCl zu einer schnellen und exothermen Reaktion. In Luft entzündet es sich in der Regel erst bei einer Temperatur oberhalb von 388 Kelvin (115 °C). Die dann einsetzende Verbrennung unter einer intensiv gelbgefärbten Flamme führt zum Natriumperoxid Na₂O₂ und nicht zum einfachen Oxid Na₂O. In getrocknetem Sauerstoff ist Natrium dagegen relativ beständig und kann sogar ohne Selbstentzündung geschmolzen werden. Sauerstoff Kleinere Mengen Natrium werden unter Petroleum aufbewahrt. Für größere Mengen gibt es integrierte Handhabungssysteme mit Schutzgasatmosphäre. Natriumbrände lassen sich mit Natriumcarbonat, Kochsalz oder trockenem Zement löschen.

Physiologie

Na⁺-Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Wasserhaushaltes von Lebewesen (Regulierung durch osmotischen Druck), sowie bei der Übertragung von Nervenimpulsen. Die Aufnahme von Na⁺ als Mineralstoff ist für Lebewesen daher essentiell. Mit Speisesalz (NaCl) nehmen Menschen täglich Natrium auf. Dabei entspechen 5 Gramm Kochsalz etwa 2 Gramm reinem Natrium. Dies entspricht auch der täglich benötigten Menge eines erwachsenen Menschen. Mit der heutigen Nahrung wird jedoch mehr Kochsalz, als erforderlich, aufgenommen. Gefäßverkalkung, Durchblutungsstörungen, Bluthochdruck, Wassersucht, Herzinfarkt und Schlaganfall sind mit die Ursache für übermäßigen Salzgenuss. Für den Abbau von überschüssigem Natrium entzieht der Organismus dem Körper die wichtigen Mineralien Magnesium und Calcium.

Verwendung

Metallisches Natrium ist eine essentielle Komponente bei der Herstellung von Estern und organischen Verbindungen. Anwendungen :
- Gefügeverbesserung von Werkstoffen, beispielsweise zur Desoxidation und Kornfeinung in Aluminium-Siliziumlegierungen
- Herstellung von Titan, Niob und Tantal: Reduzierung der Oxide und Halogenide.
- Trocknen von halogenfreien Lösemitteln
- NaK, ein Werkstoff aus Natrium und Kalium zur Wärmeübertragung
- zur "Kühlung" von Ventilen in Hochleistungsmotoren. Hier sorgt das in den Ventilen eingeschlossene flüssige Natrium aufgrund seiner hohen Wärmekapazität für eine schnelle Abführung der Wärme von den Ventilsitzen in den Ventilschaft.
- zur Kühlung im Primär- und Sekundärkreislauf von Kernkraftwerken mit Brutreaktoren
- Natrium-Dampf-Lampen zählen zu den effektivsten Lichtquellen. Natrium beziehungsweise Na⁺-Kationen werden in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt. Als Rohstoff werden dort aber Natriumverbindungen eingesetzt.

Technisch wichtige Verbindungen

Natrium-Dampf-Lampen
- Natriumamid
- Natriumazid
- Natriumborhydrid
- Natriumcarbonat
- Natriumchlorat
- Natriumchlorid
- Natriumcyanid
- Natriumfluorid
- Natriumfluorophosphat
- Natriumhydrid
- Natriumhydrogencarbonat
- Natriumhydrogenfluorid
- Natriumhydroxid
- Natriumhypochlorit
- Natriumnitrat
- Natriumperoxid
- Natriumpersulfat
- Natriumsulfat
- Natriumsulfid
- Natriumsulfit
- Natriumthiosulfat
- Trinatriumcitrat

Weblinks

- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Na/index.html WebElements.com - Sodium]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Na.html EnvironmentalChemistry.com - Sodium] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Alkalimetall Kategorie:Periode-3-Element ja:ナトリウム ko:나트륨 simple:Sodium th:โซเดียม

Metallgitter

Als Metallische Bindung oder Metallbindung bezeichnet man die chemische Bindung, wie sie bei Metallen und in Legierungen im Festkörper vorliegt. Diese ist gekennzeichnet durch das Auftreten von frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen im Metallgitter, die unter anderem für die makroskopischen Eigenschaften Stromleitfähigkeit, metallischer Glanz, Duktilität (Schmiedbarkeit, Verformbarkeit) verantwortlich sind. Sie wird durch Anziehungskräfte zwischen Metall-Ionen und freien Elektronen verursacht.

Entstehung

Die meisten Metalle der Hauptgruppen besitzen nur wenige Außenelektronen, oft 1 bis 3. Diese Außenelektronen der Metalle können leicht vom Metallatom abgegeben werden, da die Atomkerne auf die Außenelektronen nur geringfügige Anziehungskräfte ausüben. Dadurch entstehen positiv geladene Metall-Ionen (Atomrümpfe) und nahezu frei bewegliche Elektronen. Diese frei beweglichen Elektronen ermöglichen daher die gute elektrische Leitfähigkeit und die hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle. Beide Eigenschaften lassen sich gut mit dem Bändermodell erklären. Die freien Elektronen, die sich 'zwischen' den Metallatomen im metallischen Festkörper frei und ungeordnet umher bewegen, bezeichnet man auch als Elektronengas oder Elektronengaswolke. Mitunter benennt man das Elektronengas auch nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi (1901-1954) Fermigas. Es handelt sich hierbei jedoch wie so oft nur um eine Modellvorstellung. Nicht alle Metallatome liegen gleichzeitig als Ionen vor: Die positiv geladenen Metall-Ionen ziehen frei bewegliche Außenelektronen stärker an, sodass sie kurzzeitig wieder zu einem neutral geladenen Atom werden. Die positiv geladenen Metall-Ionen (Atomrümpfe) und die Metallatome bilden ein sogenanntes Metallgitter / einen sogenannten Metallkristall, in dem sie analog zu einem Ionengitter - regelmäßig angeordnet sind.

Vorkommen

Die metallische Bindung tritt bei den metallischen Elementen (Metallen) auf, bei Legierungen (Mischungen von Metallen), aber auch in bestimmten Salzen, die dann meist eine Übergangsform dieser Bindung hin zur Ionenbindung zeigen, d.h. metallisch glänzen, aber farbig sind, bzw. den Strom nur in eine Richtung gut leiten (eindimensionale Metalle). Es ist aber auch gelungen, Kunststoffe (Polymere, die normalerweise durch kovalente Bindung gekennzeichnet sind) mit metallischen Eigenschaften herzustellen. Hier wurden delokalisierte Elektronen in die Substanz durch das gezielte Einfügen von Doppelbindungen „eingebaut“. Bei sehr hohen Drücken kann sogar der normalerweise gasförmige und elektrische Isolator Wasserstoff (H₂) metallische Eigenschaften annehmen. Man nimmt an, dass dies z.B. bei den „Gasriesenplaneten“ Jupiter und Saturn der Fall ist. Hierdurch wird deutlich, dass die Ausdrücke kovalente Bindung, ionische Bindung und metallische Bindung zwar leichter verständlich sind, aber für Zwischenbereiche die Molekülorbitaltheorie die besseren Beschreibungen und Vorhersagen treffen kann. Kategorie:Chemische Bindung ja:金属結合

Orbitalmodell

Orbitale sind Einelektronen-Wellenfunktionen (meist mit

\psi

abgekürzt) in der Quantenmechanik. Das Betragsquadrat einer Wellenfunktion

\left|\psi\right|^2

wird als Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons interpretiert, das sie beschreibt. Im Wellenmodell existieren keine Kreisbahnen, wie im Atommodell von Niels Bohr und auch keine anderen, definierten Bahnen (Trajektorien). Viel mehr brachten Entwicklungen der Quantenmechanik die Erkenntnis, dass der genaue Aufenthaltsort der Elektronen aufgrund der Unschärferelation Werner Heisenbergs nicht exakt, sondern nur ihre Verteilung stochastisch beschrieben werden kann. Da die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen asymptotisch gegen null geht und sich bis ins Unendliche erstreckt, wählt man als Orbital den Aufenthaltsraum, in dem sich das betrachtete Elektron mit ca. 90% Wahrscheinlichkeit aufhält. Man erhält damit Räume, die ungefähr der Größe der Atome entsprechen. Die Begrenzungsflächen sind Flächen gleicher Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Isoflächen).

Klassifikation

Orbitale werden anhand der vier Quantenzahlen n, l, m_l und s klassifiziert, manchmal auch durch n, l, j und m_j, wobei gilt:
- n (Hauptquantenzahl, Wertebereich: n = 1, 2, 3, ...) beschreibt das Hauptenergieniveau, welches ein Elektron besitzt. Es entspricht gewissermaßen der Schale n des bohrschen Atommodells. Die Hauptquantenzahl beschreibt einen Bereich, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr hoch ist. Je größer n wird, desto weiter entfernt vom Atomkern bewegt sich das Elektron, zudem erhöht sich dessen kinetische Energie. Die maximale Anzahl der Elektronen in einer Schale ist definiert als

2n^2

.
- l (Nebenquantenzahl, Bahndrehimpulsquantenzahl, Wertebereich: l = 0, 1, ..., (n-1)) beschreibt den Bahndrehimpuls des Elektrons :

|L|=\hbar \cdot \sqrt

und damit die "Form" des Orbitals. Häufig findet man in der Literatur die Buchstaben s,p,d,f,g als Bezeichnung für die Nebenquantenzahl, abgeleitet aus den englischen Adjektiven für die korrespondierenden Spektrallinien: sharp, principal, diffuse, fundamental (danach wird alphabetisch fortgesetzt). Die Anzahl der Unterschalen ist gleich der Hauptquantenzahl, für n = 3 sind also drei Unterschalen möglich l = 0, 1, 2. Die Anzahl der Orbitale pro Unterschale ist auf 2l + 1 begrenzt.
- m_l (Magnetquantenzahl, Wertebereich: m_l = -l, -(l-1), ...0,... +(l-1), +l) beschreibt die räumliche Ausrichtung, die das Orbital bezüglich eines äußeren Magnetfeldes einnimmt. Die resultierenden Orbitale sind energetisch gleich, nur wenn von Außen ein Magnetfeld angelegt wird, lassen sie sich unterscheiden. Für die Projektion des Drehimpulsvektors auf die Richtung des Magnetfeldes gilt: :

L_z=\hbar \cdot m

- s (Spin(magnet)quantenzahl, s = +1/2 oder s = -1/2) Ihre Existenz deutet man als Eigenrotation der Elektronen. So kann ein Orbital zwei Elektronen aufnehmen die einen gegenläufigen Spin besitzen (Pauli-Prinzip). Die Spinquantenzahl wird auch mit m_s bezeichnet. :Für jede Drehimpulsquantenzahl existiert eine magnetische Quantenzahl, so gibt es die Quantenzahlen m_l (Wertebereich -l, ..., +l) und m_s (mögliche Werte +1/2 und -1/2). Oft wird der Bahndrehimpuls und der Spin zum Gesamtdrehimpuls eines Elektrons mit der Quantenzahl j addiert (Wertebereich |l-s|, |l-s|+1, ..., l+s), die zugehörige magnetische Quantenzahl ist dann m_j.

Charakteristische Formen

Pauli-Prinzip Die Orbitale zu den verschiedenen l Zahlen haben charakteristische (grobe) Formen, die auch bei höheren n-Werten qualitativ erhalten bleiben. Jedem l wird aus historischen Gründen ein bestimmter Buchstabe zugeteilt: (Die Bezeichnungen s, p, d und f stammen aus der Spektroskopie und dienen nur der Bezeichnung. Ein g-Orbital mit l=4 tritt theoretisch für ein Atom mit der Ordnungsnummer 121 auf. Die Bezeichnung folgt wie auch beim nachfolgenden h-Orbital, l=5 dem Alphabet.) Die Orbitale charakterisieren streng genommen nur die möglichen Eigenzustände der Elektronen-Wellen, wie sie in Einelektronensystemen, wie z.B. Wasserstoffatom H oder Heliumionen He⁺, Lithiumionen Li²⁺ usw. vorkommen. Die zu den Orbitalen gehörigen Wellenfunktionen (siehe auch Kugelflächenfunktionen) ergeben sich aus der stationären Schrödingergleichung eines Einelektronensystems. Trotz dieser Einschränkung reicht allerdings die Kenntnis der groben Form der Orbitale, die auch in Mehrelektronensystemen erhalten bleibt, um viele qualitative Fragen zum Aufbau von Stoffen zu beantworten. Es ist dabei zu beachten, dass die in der Literatur dargestellten Orbitale oft nicht die Eigenzustände des Drehimpulsoperators sind. Zum Beispiel wird von den Eigenzuständen von

L_z

(Drehimpuls in z-Richtung) nur der eine Eigenzustand für den Eigenwert m=0 dargestellt und als p_z bezeichnet. Die mit p_x und p_y bezeichneten Orbitale sind nicht die entsprechenden Eigenzustände für m=-1 und m=1 sondern Superpositionen dieser Eigenzustände. (Sie sind Eigenzustände von L_x bzw. L_y, die aber nicht mit L_z kommutieren!) Für die Schlussfolgerungen ist das kein Problem, solange die entsprechenden Wellenfunktionen orthogonal sind.

Quantentheorie

Aus der nichtrelativistischen Quantentheorie ergeben sich die Orbitale nach folgender Rechnung. Die Wechselwirkung zwischen Elektron und Atomkern wird vereinfacht durch das Coulombpotential beschrieben, der Atomkern wird als fix angenommen. Der Hamiltonoperator für das Einelektronensystem ist

\hat = \frac + V(R)

Da der Hamiltonoperator mit dem Drehimpulsoperator kommutiert, bilden

H

L^2

und

L_z

ein vollständiges System kommutierender Operatoren. Es gibt also gemeinsame Eigenzustände dieser drei Operatoren. Die Zustände sind durch die drei zugehörigen Quantenzahlen n, l und m bestimmt. Die Schrödingergleichung lässt sich in einen Radiusabhängigen und einen Winkelabhängigen Teil teilen. Die Eigenfunktionen sind das Produkt der Kugelfunktionen (Eigenfunktionen des Drehimpulsoperators)

Y_(\vartheta,\varphi)

und einem radialen Anteil

\phi_(r)

Hybridisierung

Einige Symmetrien von chemischen Bindungen scheinen den charakteristischen Formen der Orbitale zu widersprechen. Diese Bindungssymmetrien werden erst durch die Bildung von Hybrid-Orbitalen verständlich.

Siehe auch

- Atommodell
- Molekülorbital

Weblinks

- [http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/orbital.html Erklärung des Orbitalmodells mit Abbildungen der Orbitale] ([http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/orbital_s.html s], [http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/orbital_p.html p], [http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/orbital_d.html d], [http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/orbital_f.html f])
- [http://n.ethz.ch/student/simonbr/physik_simulationen_hatom.html Java-Applet zur bildlichen Darstellung der Wasserstoff-Orbitale] (geht evtl. nur auf Windows-Systemen)
- [http://www.hydrogenlab.de 3d-Darstellung der Orbitale des Wasserstoffatoms]
- [http://netchemie.de/netchemie/index.php?c=peri Animierte p-Valenzorbitale im Netchemie PSE]
- [http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/AOs/1s/index.html 3d-Darstellungen von Orbitalen] Kategorie:Atomphysik Kategorie:Chemie Kategorie:Physikalische Chemie

Kation

Ein Kation (sprich: kat-ion) ist ein positiv geladenes Ion. Da positiv geladene Ionen bei einer Elektrolyse zur Kathode (dem Minuspol) wandern, wurde für sie der Name Kation gewählt. Kationen entstehen aus Atomen durch Abgabe von Elektronen bzw. bei Molekülen oder durch Abgabe von Elektronen oder Aufnahme von Wasserstoff-Ionen H⁺(Protonen). Salze sind immer aus Kationen und Anionen zusammengesetzt. Der Austausch zwischen verschiedenwertigen Kationen wird durch die Gapon-Gleichung beschrieben.

Beispiele für Kationen

- einfache Kationen:
- K⁺, Na⁺, Li⁺, H⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Al³⁺, Pb⁴⁺
- zusammengesetztes Kation:
- NH₄⁺ (Ammonium-Ion)
- H₃O⁺ (Oxonium-Ion)

Die Ladung von einfachen Kationen

- Na ---> Na⁺ + 1e^- :Aus dem Natrium-Atom entsteht durch Abgabe eines Elektrons ein einfach positiv geladenes Natriumion. Dadurch, dass eine negative Ladung im Atom weniger vorhanden ist, überwiegt die positive Ladung.
- Mg ---> Mg²⁺ + 2e^- :Durch Abgabe von zwei Elektronen entsteht aus einem Magnesium-Atom ein zweifach positiv geladenes Magnesiumion.
- Al ---> Al ³⁺+ 3e^- :Das Aluminiumatom wird nach Abgabe von 3 Elektronen zu einem dreifach positiv geladenen Aluminiumion. Die Ladung der Metall-Ionen ergibt sich aus der Elektronenkonfiguration (Verteilung der Elektronen in der Atomhülle). Die Abgabe von Elektronen hat das Ziel, gleich viele Elektronen wie ein Edelgas zu erreichen (Edelgaskonfiguration). Die Anzahl der abzugebenden Elektronen richtet sich nach der Anzahl der Außenelektronen, die sich im Periodensystem für die Hauptgruppenelemente aus deren Hauptgruppennummer ablesen lässt. siehe auch: Edelgasregel, Edelgaszustand, Oktettregel

Einige einfache chemische Reaktionen

- NaCl ---> Na⁺ + Cl^-
- MgCl₂ ---> Mg²⁺ + 2Cl^-
- FeCl₃ ---> Fe³⁺ + 3Cl^-
- Na₂CO₃ ---> 2Na⁺ + CO₃^2-
- Fe₂(SO₄)₃ ---> 2Fe³⁺ + 3SO₄ ^2-
Siehe auch: Anion, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle Kategorie:Atomphysik Kategorie:Chemie

Ionengitter

Unter einem Ionenkristall oder Ionengitter versteht man in der Chemie und der Festkörperphysik die regelmäßige räumliche Anordnung von Anionen und Kationen eines homogenen Stoffes im festen Zustand. Der Zusammenhalt des Gitterverbandes erfolgt durch die Ionenbindung. Die bekanntesten Beispiele für Kristalle mit kubischer Gitterstruktur sind Ionenkristalle: Cäsiumchlorid für die kubisch primitive und Natriumchlorid-Gitter (Kochsalz) für die kubisch-flächenzentrierte Struktur.

Struktur

Die Struktur der Ionengitter hängt zum einen vom Größenverhältnis der Ionen, zum anderen vom Ladungsverhältnis ab. Die Koordination gibt an, wie viel Anionen ein Kation umgeben und wie viel Kationen ein Anion umgeben. Die Elementarzelle beschreibt die kleinste geometrische Einheit eines Gitters und legt das Kristallsystem fest. Die Elementarzelle reicht aus, um die gesamte Geometrie und Symmetrie der Kristallstruktur zu beschreiben.

Sonderformen

- Bei der so genannten Antifluorit-Struktur sind die Position der Anionen und Kationen miteinander vertauscht.
- Ionengitter können auch stöchiometrischen Mengen kleiner Moleküle in den Gitterlücken enthalten (zum Beispiel Kristallwasser).
- Schichtengitter: :Orthoborsäure H₃BO₃ ist ein planares Molekül. Im festen Zustand bilden diese Moleküle untereinander Wasserstoffbrücken aus, so dass ein zweidimensionales Blatt entsteht. Diese Blätter sind übereinander gestapelt. Der Zusammenhalt zwischen den Schichten erfolgt durch Van-der-Waals-Wechselwirkung.
- Sandwich-Gitter: :Bei Cadmiumiodid CdI₂ und Cadmiumchlorid CdCl₂ liegt eine Kationenschicht zwischen zwei Anionenschichten. Die Anziehungskräfte zwischen den Schichten sind relativ schwach. Diese Dreierlagen können auf zwei Arten übereinander gestapelt sein: ABAB... wie CdI₂, Mg(OH)₂ und PbI₂ oder ABCABC… wie CdCl₂, FeCl₂ und MgCl₂.

Siehe auch

Atomgitter, Molekülgitter, Proteingitter, Metallgitter, Kristallgitter, amorpher Zustand, Gitterstruktur, Gittersymmetrie, Gitterkonstante, Gitterstörung, Gitterenthalpie, Kubisches Gitter Kategorie:Kristallographie Kategorie:Chemie Kategorie:Festkörperphysik

Duktilität

Duktilität - aus dem Lateinischen von ducere (ziehen, führen, leiten) abgeleitet - ist die Fähigkeit oder auch das Verhalten eines Werkstoffes, unter Einwirkung äußerer Kräfte zur plastischen und damit dauerhaften Verformung zu neigen, ohne dass dabei Werkstofftrennungen auftreten. Solch ein Stoff ist gut kalt formbar: z.B. durch Tiefziehen, Biegen oder Recken.
- In der Geologie wird der Begriff für Gesteine insbesondere der unteren kontinentalen Erdkruste verwendet, die sich unter tektonischem Stress nicht spröde, sondern plastisch deformieren.
- Bei der Prüfung von Bitumen wird eine Probe in ein sogenanntes Duktilometer eingespannt und auseinandergezogen, bis der dabei entstehende Bitumenfaden reißt. Die Länge des Fadens zum Zeitpunkt des Zerreißens wird als Duktilität des Bitumens bezeichnet.

Siehe auch

Bruch, Zähigkeit, Metallische Bindung, Themenliste Straßenbau Kategorie:Werkstoffeigenschaft

Schmelzpunkt

Als Schmelzpunkt oder Schmelztemperatur bezeichnet man die Temperatur, bei der ein Stoff schmilzt, das heißt vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Der Schmelzpunkt ist abhängig vom Stoff, im Gegensatz zum Siedepunkt aber nur sehr wenig vom Druck. Für reine Stoffe ist er identisch mit dem Gefrierpunkt und bleibt während des gesamten Schmelzvorganges konstant. Durch Unreinheiten, Lösungsmittelreste etc. wird der Schmelzpunkt in der Regel erniedrigt. Amorphe Werkstoffe besitzen keinen Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich oder eine Übergangstemperatur wie z. B. Gläser und einige Kunststoffe. Auch die Bestimmung eines Erweichungspunktes ist möglich.

Druckabhängigkeit

Der Schmelzpunkt hängt zwar vom Druck ab, allerdings nur geringfügig: Um den Schmelzpunkt um lediglich 1 K zu ändern, muss der Druck durchschnittlich um etwa 100 atm erhöht werden. Daraus folgt, dass sich Änderungen des Atmosphärendrucks - die merkliche Änderungen des Siedepunkts bewirken können - praktisch nicht auf den Schmelzpunkt auswirken. Für das Schmelzen gilt wie für andere Phasenumwandlungen die Clausius-Clapeyronsche Gleichung, die in guter Näherung für das Schmelzen bei verschiedenen Drücken folgende Temperaturänderung ΔT ergibt:

\Delta T = \frac

Dabei ist T_M der Schmelzpunkt, ΔV die Volumenänderung beim Schmelzen, Δp die Differenz der betrachteten Drücke, und H_M die Schmelzenthalpie. Da aber die Volumenänderungen ΔV beim Schmelzen relativ klein sind, ist auch die Druckabhängigkeit des Schmelzpunktes relativ klein. Beispielsweise ändert sich bei einer Erhöhung des Drucks um 100 Atm der Schmelzpunkt von Eis um -0.76 K - Eis schmilzt also unter Druck leichter - , während sich der Schmelzpunkt von Tetrachlorkohlenstoff um +3.7 K erhöht. Die Tatsache, dass sich der Schmelzpunkt von Eis oder beispielsweise auch von Bismut bei Druckerhöhung erniedrigt, folgt daraus, dass ihr Volumen beim Schmelzen verringert wird: Dann ist in der obigen Gleichung ΔV und ΔT negativ.

Bedeutung

Der Schmelzpunkt von Wasser hat große Bedeutung in der Biologie und für das Wetter. Die Bestimmung des Schmelzpunkts einer Substanz ist auch von großer Bedeutung in der qualitativen Analytik, einschließlich der Identitätsprüfung, da viele Substanzen über ihren Schmelzpunkt identifiziert werden können. Flüssige Substanzen oder solche mit niedrigem Schmelzpunkt werden dazu in leicht kristallisierende Derivate umgewandelt: Alkohole können beispielsweise durch die Messung der Schmelzpunkte ihrer Ester der Nitrobenzoesäure oder der Dinitrobenzoesäure identifiziert werden. Die Schmelzpunkterniedrigung durch gelöste Substanzen ist der Grund, warum Eis durch Salz geschmolzen werden kann.

Bestimmung

Eine ungefähre Messung ist natürlich einfach mit einem Thermometer durch Aufschmelzen der Probe und Ablesen der Schmelztemperatur möglich. Für die exakte Messung des Schmelzpunktes stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung:
- Apparatur nach Thiele
- Heiztischapparatur nach Kofler, Tottoli
- Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

Siehe auch

Phasendiagramm, molare Schmelzpunkterniedrigung, Siedetemperatur Kategorie:Schwellenwert (Temperatur) Kategorie:Physikalische Chemie Kategorie:Werkstoffeigenschaft ja:融点 ko:녹는점 th:จุดหลอมเหลว

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit (Formelzeichen

\sigma

, griechisch sigma) gibt die Fähigkeit eines Stoffes an, elektrischen Strom zu leiten. Sie ist definiert als der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstandes

\rho

\sigma=\frac

. In Anlehnung an die Tatsache, dass der Leitwert der Kehrwert des Widerstandes ist, wird die elektrische Leitfähigkeit oft spezifischer Leitwert genannt. Weitere häufig verwendete Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit sind

\kappa

(kappa) und

\gamma

(gamma). Die SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist S/m (Siemens pro Meter). Sehr gebräuchlich sind zudem S/cm und m/Ω
- mm², wobei 1 S/cm = 100 S/m und 1 m/Ω
- mm² = 10⁶ S/m gilt. Eine weitere (besonders in den USA) gebräuchliche Einheit ist % IACS. Hier wird die Leitfähigkeit als Prozentwert der Leitfähigkeit reinen geglühten Kupfers ausgedrückt (sog. International Annealed Copper Standard).100 % IACS entsprechen 58 MS/m.

Stoffe mit verschiedener elektrischer Leitfähigkeit

Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in
- Leiter (insbesondere alle Metalle) ::Typische Werte (bei 25°C): ::
- Silber: 62 · 10⁶ S/m (höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle) ::
- Meerwasser: ~ 5 S/m ::
- Leitungswasser: ~ 0,05 S/m ::
- reines Wasser: 5 · 10^-6 S/m (wird oft auch bereits als Nichtleiter bezeichnet)
- Isolatoren oder Nichtleiter (die meisten Nichtmetalle sowie Kohlenwasserstoffe und viele organische Verbindungen) ::Typischerweise < 10^-10 S/m.
- Halbleiter (beispielsweise Silizium, Germanium) ::Bei Halbleitern hängt die Leitfähigkeit von Faktoren, wie Temperatur, Druck oder Belichtung ab. Die Leitfähigkeit liegt im Bereich zwischen Leitern und Isolatoren.
- Supraleiter (verschiedene Legierungen) ::Ab einer gewissen Sprungtemperatur ist die Leitfähigkeit quasi "unendlich", der elektrische Widerstand verschwindet vollständig.

Warum ist ein Stoff elektrisch leitfähig?

Die Leitfähigkeit eines Stoffes oder Stoffgemisches hängt von der Verfügbarkeit von beweglichen Ladungsträgern ab. Dies können locker gebundene Elektronen, wie beispielsweise in Metallen, aber auch in organischen Molekülen mit delokalisierten Elektronen (die häufig durch mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden) oder Ionen sein. Wässrige Lösungen zeichnen sich durch eine geringe Leitfähigkeit aus. Sie steigt, wenn dem Wasser Ionen, also Salze, Säuren oder Basen hinzugefügt werden. Dementsprechend hat Meerwasser eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Süßwasser. Reines Wasser (destilliertes oder demineralisiertes) hat eine äusserst geringe Leitfähigkeit. In Halbleitern nutzt man gezielte Verunreinigungen, um die Leitfähigkeit zu beeinflussen (Dotierung). Durch Elektronendonatoren werden sie n-dotiert, durch Elemente, die weniger als vier Außenelektronen haben, p-dotiert. Durch die p-Dotierung entstehen Elektronenfehlstellen, auch Löcher genannt, die die Leitfähigkeit ebenso erhöhen wie überzählige Elektronen in n-dotierten Halbleitern. Ein Modell zur Veranschaulichung und Erklärung der Leitfähigkeit eines Kristalls ist durch das Bändermodell gegeben.

Beispiele

Weblinks

- [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201116.htm Elektronik-Kompendium]
- [http://www.h-mpeg.de/data/seminar_leitfaehigkeit.pdf Arbeit zur elektrischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten]

Siehe auch

Spezifischer Widerstand, Elektrischer Leitwert, Kohlenstoffnanoröhre, Protolyse, Supraleitung Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Festkörperphysik

Thermische Leitfähigkeit

Der Wärmedurchgangskoeffizient (auch Wärmedämmwert, U-Wert, früher k-Wert) ist ein Maß für den Wärmestromdurchgang durch eine ein- oder mehrlagige Materialschicht, wenn auf beiden Seiten verschiedene Temperaturen anliegen. Er gibt die Energiemenge an, die bei 1 K Temperaturunterschied in einer Stunde durch eine Fläche von 1 m² fließt. Besonders weit verbreitete Anwendung findet der Wärmedurchgangskoeffizient im Bauwesen, wo er zur Bestimmung der Transmissionswärmeverluste durch Bauteile hindurch dient.

Definition und Bedeutung

Die Wärmestromdichte

\dot

durch ein Bauteil, das auf der einen Seite der Innenlufttemperatur

\vartheta_

und auf der anderen Seite der Außenlufttemperatur

\vartheta_

ausgesetzt wird, ist im stationären Zustand proportional zur Temperaturdifferenz

\vartheta_ - \vartheta_

, mit der Proportionalitätskonstanten

U

: :

\dot = U  (\vartheta_ - \vartheta_)\qquad (1)

Der so definierte U-Wert ist daher ein Maß für die „Wärmedurchlässigkeit“ bzw. die Wärmedämmeigenschaften von Bauteilen, also zum Beispiel einer bestimmten Verglasung oder eines Fensters. Ein Bauteil mit einem kleinen U-Wert lässt dabei weniger Wärme durch als ein Bauteil mit einem größeren U-Wert. Die während der Zeitspanne Δt durch die Fläche A getretene Wärmemenge Q ist :

Q = \dot \cdot A \Delta t = U (\vartheta_ - \vartheta_) \cdot A \Delta t \qquad (2)

Soll die Wärmestromdichte nicht aus den anliegenden Lufttemperaturen sondern aus den beiderseitige