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Woraus bestehen Atome?

Dem Kern mit Protonen und Neutronen und aus Elektronen, die den Kern umkreisen

Bohr - einfaches Modell

  • Elektronen umkreisen auf festen Schalen den Kern
  • unterschiedliche Schalen haben unterschiedliche Energieniveaus
  • wenn Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und zurückspringen wird Energie in Form von Strahlung freigesetzt

Schrödinger und Heisenberg Modell

  • Elektronen werden als Wellen verstanden
  • Bereiche mit hoher Präsenzwahrscheinlichkeit sind Orbitale
  • jedes Orbitale hab eine chrakteristische Form, Ausrichtung und Ausdehnung im 3-dimensionalen Raum

Wann ist ein Atome ein Edelgas (inert)?


wenn s- und p- Energieniveaus voll besetzt mit 8 Elektronen sind

(Ausnahme He 2 Elektronen)

Wie erreichen Atome eine stabile Elektronenkonfiguration?

Atome mit nicht vollständig besetzter Schale geben Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf

Wie lautet die Orbitalordnung?

  • s-orbital: Kugeln
  • p-orbital: Hantelförmig (3 Orientierungen)
  • d-orbital: vierblättriges Kleeblatt (5 Ausrichtungen)
  • f-orbital: komplexere nicht-spährische Knotenpunkt (7 Ausrichtungen)

Was beschreibt die Valenz Wertigkeit?

die Anzahl der Elektronen, die an einer Reaktion beteiligt sind

Was beschreibt die Elektronegativität?

die Tendenz zur Aufnahme oder Abgabe von Elektronen


Energieniveau

je höher das Enegieniveau, dest stabiler die Bindung

  • niedrige Energie -> Gasförmig
  • hohe Energie -> fest
  • Material mit hoher Bindungsenergie

(hohe Festigkeit / E-Modul, hoher Schmelzpunkt)

Welche Hauptvalenzbindungen gibt es?

  • Kovaltente Bindung (Elektronenpaarbindung)
  • Ionische Bindung / Salze
  • Metallische Bindung

Wann trifft die kovalente Bindung hauptsächlich auf?

Nichtmetallatomen, deren Außenschalen nur wenige Elektronen zur vollständigen Besetzung fehlen

Was geschieht mit den Eltektronen bei der kovaltenen Bindung?

  • zwei Atome nutzen Elektronen gemeinsamt (Überlappung)
  • elektronegativen Nichtmetallatome streben keine Abgabe von Elektronen an
  • es kommt zu einem edelgasähnlichen Zustand, wenn sie bei ihrer Wechselwirkung Elektronenpaare bilden

Welche Eigenschaften haben kovalente Bindungen?

  • hoher Schmelzpunkt
  • Spröder / niedrige Duktilität
  • hohe Härte

Wie entstehen gerichtete Bindungen bei kovaltenen Bindungen?

definiertem Winkel

z.B. Tetraeder = 109,5°

Zwischen welchen Atomen tritt die Ionenbindung auf?

zwichen Metall- und Nichtmetallatomen

Was passiert bei der Ionenbindung?

  • elektropositive Metalle erreichen eine edelgasähnlichen Zustand durch Abgabe ihrer Außenelektronen und eine entsprechene Ionisierung
  • elektronegative Nichtmetallatome nehmen diese Elektronen ebenfalls unter einer Ionenbildung auf und besetzen ihre Außenelektronenplätze
  • Anionen und Kationen mit starken Anziehungskräften bilden sich

Was wird für eine Ionenbindung benötigt?

minedstens 2 verschiedene Atome

Welche Eigenschaften haben Ionenbindungen?

  • hoher Schmelzpunkt
  • Spröder / niedrige Duktilität
  • hohe Härte

gemischte kovaltent und ionische Bindung

  • nur Alkalimetall- und Teile der Erdalkalimetalloxide sind rein ionische Bindungen
  • meisten Metalloxide sind in Wasser unlöslich
  • werden technisch als Keramik verwendet -> Gruppe der Oxidkeramiken
  • Bsp: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumdioxid

Wo wird die metallische Bindung verwendet?

Atome metallischer Werkstoffe, mit weniger als 4 Außenelektronen

Was passiert bei metallische Bindungen?

  • Entstehung positiver Metallrümpfe und freie Elektronen
  • freie Elektronen besitzen keine Zuordnung mehr zu bestimmten Atomen -> bilden Elektronengas
  • Elektronengas steht in Wechselwirkung mit den positiv geladenen Atomrümpfen
  • Elektronen bilden ein leitendes Band

Wann liegt metallisches Verhalten bei metallischen Bindungen vor?

wenn das höchste besetzte Band ein Leitungsband ist oder wenn das höchste besetzte Valenzband ein Leitungsband energetisch überlappt

Welche Eigenschaften haben metallische Bindungen?

  • hohe Duktilität durch keine gerichtete Bindung
  • Elektrisch und thermisch leitfähig
  • Geometirsch geordnete Struktur

Welche Unterscheidungen gibt es bei metallsichen Bindungen?

  • Reine Metalle
  • Mischkristall-Legierungen
  • Intermetallische Phasen
  • Einlagerungsverbindungen

Mischkristall-Legierungen

  • Strukturen sind identisch mit reinen Metallen und technischen Legierungen
  • Bsp: CuNi, FeCrNi

Intermetallische Phasen

  • Chemische Verbindungen aus verschiedenen Metallen
  • andere Gefüge als reine Metalle
  • Hart und spröde, selten als Konstruktionsmetall verwendet
  • Häufig als Härtungsphasen in Konstruktionsmetall verwendet

Einlagerungsverbindungen

  • bestehen aus Metallen und kleinen Atomen wie C, N, B
  • werden als harte Werkstoffe oder als Härtebildner verwendet

gemischte kovalente und metallische Bindungen

Halbleiter

  • Bandlücke so klein, dass durch thermische Aktivierung von einzelnen Elektronen passiert werden kann
  • Elementare Halbleiter
  • Verbindungshalbleiter

Nebenvalenzbindungen

  • Zwischenmolekulare Bindungen
  • Nebenvalenzbindungen sind viel schwächer als Hauptvalenzbindungen
  • 3 Typen von Van-der-Waals-Wechselwirkungen
  • Bsp: Polymere, Wasser, Gecko

Welche Van-der-Waals-Wechselwirnungen gibt es?

Dispersion (Londoner Kräfte)

  • temporär induzierte Dipole

Dipol Wechselwirkung

  • elekrostatische Anziehung zwischen permanetnen molekularen Dipolen

Wasserstoffbrückenbindung

  • zwischen Molekülen mit polaren X-H-Bindungen, wobei X mindestens ein freies Elektronenpaar besitzt

Dispersionskräfte

Londoner Kräfte

  • durch spontane Fluktuationen der Elektronendichte wird ein elektrischer Dipol erzeugt
  • Schwächste zwischenmolekulare Kräfte

Wie nimmt die Intensität der Dispersionskräfte ab?

  • ~1/d^6
  • mit zunehmender Temperatur, da größere Schwingungsamplituden der Atome und damit größere durchschnittlicher Abstand zwischen den Molekülen / Atomen bedeuten
  • bei Polymeren besonders hoch im gezogenen Zustand


Dipolwechselwirkung ohne Wasserstoffbrückenbindung

  • weniger temperaturabhängig als Dispersion
  • Intensität nimmt mit ~1/d^4 ab
  • aufgrund von Dipolwechselwirkungen erweichen Kunststoffe mit polaren Gruppen erst bei höheren Temperaturen als ähnlich strukturiere Polymere ohne Dipolkräfte

Wasserstoffbrückenbindung

  • zusätzliche Verbindung zwischen Wasserstoff und freien Elektronenpaar eines elektronegativen Atoms
  • stärkste VdW-Wechselwirkung
  • Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen -> hoher Siedepunkt
  • Schmelz- und Siedepunkt steigt mit zunehmendem Molekulargewicht
  • Wasserstoffbrücken erhöhen Siedepunkt sehr stark
  • Auch für einige Polymere wie PA mäglich

Thermoplast

  • schmelzbar
  • löslich
  • bei Raumptemperatur weich bis hart-zäh oder spröde
  • plastisch verformbar, abhängig von Temperatur
  • für Spritzguss geeignet
  • amorph oder teilkristallin

Elastomer

  • nicht schmelzbar
  • unlöslich, quellbar
  • bei Raumtemperatur im weichelastischen Zustand
  • Vulkanisation durch S-Brücken
  • gering quervernetzt amorph

Duroplast

  • nicht schmelzbar
  • unlöslich, nicht quellbar
  • hohe Festigkeit, Härte, E-Modul
  • chemisch vernetzt
  • oft faserverstärkt
  • stark 3D-vernetzt amorph