Chemie und Werkstoffkunde

(1)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE

11. Dezember 2014 www.ibn.ch

Version 3

Kapitel 2

Chemie und Werkstoffkunde

Verfasser:

Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe:

Juni 2010

(2)

2 Chemie und Werkstoffkunde

SÄUREN UND BASEN

sauer neutral alkalisch

PH-Wert

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Eine wichtige Aufgabe der Chemie besteht darin, aus Rohstoffen (natürlichen Stoffen) neue Stoffe mit möglichst grossen Rein- heitsgrad herzustellen.

Recycling

Bearbeitet durch:

Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1

8772 Nidfurn

Telefon 055 654 12 87 P Telefax 055 654 12 88 P E-Mail hn@ibn.ch

Web www.ibn.ch

3. Auflage 19. November 2010

(3)

Version 3

Inhaltsverzeichnis

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.1 Einteilung der Stoffe

2.1.1 Stoffarten

2.1.2 Chemische Gruppen, chemische Elemente, Atome 2.1.3 Periodentafel der Elemente

2.1.4 Borsches Atommodell 2.1.5 Reinstoffe – Elemente 2.1.6 Halbmetalle

2.1.7 Nichtmetalle

2.1.8 Reinstoffe - Verbindungen 2.1.9 Natürliche Stoffe

2.1.10 Gemische 2.1.11 Legierungen

2.1.12 Widerstandsmaterial 2.1.13 Isolierstoffe

2.2 Begriffe der Chemie und Werkstoffkunde 2.2.1 Unterschied Physik und Chemie 2.2.2 Materie

2.2.3 Das Molekül

2.2.4 Zellulose-Kunststoffe

2.2.5 Begriffslexikon der Kunststoffe 2.2.6 Freie Elektronen

2.2.7 Stoffumwandlungsvorgang 2.2.8 Elektronegativität

2.2.9 Oktettregel 2.2.10 Ionen

2.2.11 Ionenverbindung

2.2.12 Atom- oder Elektronenpaarbindung 2.2.13 Metallbindung

2.2.14 Atomeinheit u

2.2.15 Klassifikation der Orbitale 2.2.16 Synthese

2.2.17 Analyse 2.2.18 Isotope

2.3 Gewinnung und Bearbeitung der Stoffe 2.3.1 Rohstoffabbau

2.3.2 Eisenmetalle

2.3.3 Nichteisen-Metallgewinnung

2.3.4 Bearbeitungsverfahren von Metallen 2.3.5 Gefügeaufbau der Metalle

2.3.6 Halbmetalle 2.3.7 Nichtmetalle

2.4 Bedeutung und Wert der Stoffe 2.4.1 Erde als Rohstofflieferant 2.4.2 Umweltschutz

2.4.3 Materialkreislauf im eigenen Betrieb beschreiben 2.5 Eigenschaften der Werkstoffe

2.5.1 Festigkeit 2.5.2 Elastizität 2.5.3 Plastizität

BiVo

Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern

TD Technische Dokumentation

BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffet 2.1.1 Einteilung der Stoffe

- Reine Stoffe - Gemische - Chemische Elemente - Verbindungen - Metalle - Nichtmetalle - natürliche Stoffe - Kunststoffe

2.1.1 Bedeutung und Wert der Stoffe - Erde als Rohstofflieferant - Stoffkreisläufe, Ressourcen 2.1.2 Mechanische Eigenschaften

- Verhalten bei Krafteinwirkung: Festigkeiten, Härte, Sprödigkeit, Elastizität, Plastizität - Dichte

- Eignung für technologische Verfahren: (For- men, Fügen, Vergüten, Veredeln) 2.1.2 Elektrische Eigenschaften

- Leitfähigkeit - Durchschlagsfestigkeit - Magnetische Eigenschaften - Dielektrische Eigenschaften 2.1.2 Thermisches Verhalten

- Schmelzpunkt - Siedepunkt - Hitzebeständigkeit - Wärmekapazität - Wärmeleitfähigkeit

2.1.2 Chemische und ökologische Eigenschaften - Korrosionsbeständigkeit

- Oxidations- und Reduktionsverhalten Heizwert

- Brennbarkeit - Spannungsreihe - UV-Beständigkeit Giftigkeit - Abbaubarkeit 2.1.2 Verwendung

- Metalle - Metalllegierungen - Nichtmetalle - Kunststoffe

2.1.3 Chemische Grundbegriffe

- Abgrenzung zu physikalischen Vorgängen - Chemische Grundstoffe (Elemente) - Periodensystem

- Atome, Elektronen, Moleküle, Ionen 2.1.3 Chemische Prozesse

- Chemische Prozesse als Stoffumwandlungs- vorgang

- Chemische Verbindungen: Elektronenpaar-, Ionen-, Metallbindung

- Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen:

Entstehung, Eigenschaften - Oxidations- und Reduktionsvorgänge - Elektrochemische Korrosion: Elektrolyte,

Spannungsreihe

2.1.4 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe - Gefahrenstoffsymbole und Bezeichnungen 2.1.4 Umgang mit Gefahrenstoffen

- Risiko- und Sicherheitssätze (R + S) - Asbest

- Leuchtstofflampen - Chemikalien

(4)

2.5.4 Dichte 2.5.5 Die Härte 2.5.6 Bearbeitbarkeit

2.5.7 Korrosionsbeständigkeit 2.5.8 Isolationswiderstand 2.5.9 Durchschlagfestigkeit 2.5.10 Die Dielektrizitätszahl 2.5.11 Wärmebeständigkeit 2.6 Oxidation und Reduktion

2.6.1 Die Stärke von Oxidations- und Reduktionsmittel 2.7 Korrosion und Korrosionsschutz

2.8 Die Elektrolyse

2.9 Säure- und Basen-Reaktion 2.9.1 Definitionen

2.9.2 Der pH-Wert

2.9.3 Berechnung des pH-Wertes

2.10 Vorträge „Verwendung Berufsrelevanter Stoffe“

2.11 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe 2.11.1 Gesetzliche Grundlage

2.11.2 Warnschilder

2.11.3 Aufbewahrung von Giften 2.11.4 Entsorgung von giftigen Stoffen 2.11.5 Bezug von Giften

2.11.6 Arbeiten mit giftigen Stoffen 2.12 Widestandsmaterial

2.12.1 Präzisionswiderstände 2.12.2 Belastungswiderstände 2.12.3 Heizwiderstände

2.12.4 Nichtmetall-Legierungen 2.12.5 Technische Widerstände

2.12.6 Aussehen von Widerstandsmaterial 2.12.7 Anwendungen Widerstandsmaterial 2.12.8 Anwendungen Leitungswiderstände 2.12.9 Farbschlüssel für Festwiderstände 2.13 Isolierstoffe

2.13.1 Gruppierung der Isolierstoffe 2.13.2 Zweck der Isolierstoffe

2.13.3 Unterscheidung der Isolierstoffe 2.13.4 Kenngrössen der Isolierstoffe 2.13.5 Anforderungen an Isolierstoffe 2.13.6 Anorganische Isolierstoffe

2.13.7 Natürliche organische Isolierstoffe 2.13.8 Zellulose-Kunststoffe

2.13.9 Kunststoffe / Plaste

2.14 Geschichte des Periodensystems

2.15 Geschichte der berufsrelevanten Werkstoffe

2.1.5 Reihenfolge aller Umweltschutzmassnahmen - Vermeiden – Vermindern – Verwerten – Ent-

sorgen

- Recycling-Verfahren und -Organisation: Alt- metall; Batterien; Geräte; Lampen - Entsorgung von Elektrogeräten nach VREG)

TG Technologische Grundlagen

EST Elektrische Systemtechnik

KOM Kommunikationstechnik

(5)

Version 3

2.1 Einteilung der Stoffe

2.1.1 Stoffarten

Wir kommen täglich mit einer Vielzahl von Stoffen in Berührung. Manche Soffe liefert uns die Natur direkt, andere werden chemisch hergestellt.

natürliche Stoffe : Holz, Wasser, Milch, Zucker, Kochsalz künstliche Stoffe : Leim, Cola, Kaugummi, Assugrin, Zement

In der Chemie werden die Stoffe nach ihrer Zusammensetzung und ihren chemischen Eigenschaften in Stoffklassen eingeteilt:

Stoffe

Reinstoffe

Elemente

Metalle

Beispiele

edel Gold, Silber, Platin halbedel Kupfer, Quecksilber unedel Aluminium, Eisen, Zink Halbmetalle Silizium, Germanium Nichtmetalle Schwefel, Iod

Verbin- dungen

Säure

Salzsäure, Schwefelsäure

Lauge

Natronlauge

Hydroxid

Natriumhydroxid

Oxid

Schwefeldioxid

Salz

Kochsalz

Alkan

Methan, Propan, Butan

Ether

Schwefelether

Fett

Kokosfett

Eiweiss

Hühnerei

Kunststoff

Plexiglas, Nylon

Stoff- Gemische

heterogen

Gemenge

Geröllhaufen

Paste

^Zahnpasta

Suspension

Tusche

Emulsion

Fettsauce

Schaum

Schlagrahm

Rauch

Zigarettenrauch

Nebel

Kühlflüssigkeit

homogen

Legierungen

Messing, Bronce, Münzen

Lösungen

Zuckerwasser

Gasgemisch

Luft, Furz, Knallgas

(6)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE

2.1.2 Chemische Gruppen, chemische Elemente, Atome

Periode Schale

Periodensystem der Atome

1 2 Tabelle 2 ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸

1 Erdalkali- Übergangs- 4

1 H Halogene Metalle Metalle Metalle He

Wasserstoff Helium

K 1 1 ² 2

7 ² 9 11 12 14 16 19 20

2 ^K ² Li ² Be ² B ² C ² N ² O ² F ² Ne

Lihium Berylium Innere ^Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon

L 1 3 4 Übergangs- ³ 5 ⁴ 6 ⁵ 7 ⁶ 8 ⁷ 9 ⁸ 10

K 2 23 2 24 Nichtmetall Edelgase Alkalimetalle Metalle ² 27 2 28 2 31 2 32 2 35 2 40

3 ^{L 8} Na ⁸ Mg ⁸ Al ⁸ Si ⁸ P ⁸ S ⁸ Cl ⁸ Ar

Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon

M1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18

1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 ⁸ 40 ⁸ 45 ⁸ 48 ⁸ 51 ⁸ 52 ⁸ 55 ⁸ 56 ⁸ 59 ⁸ 58 ⁸ 63 ⁸ 64 ⁸ 69 ⁸ 72 ⁸ 75 ⁸ 80 ⁸ 79 ⁸ 84

4 M 8 K ⁸ Ca ⁹ Sc ¹⁰ Ti ¹¹ V ¹³ Cr ¹³ Mn ¹⁴ Fe ¹⁵ Co ¹⁶ Ni ¹⁸ Cu ¹⁸ Zn ¹⁸ Ga ¹⁸ Ge ¹⁸ As ¹⁸ Se ¹⁸ Br ¹⁸ Kr

Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton

N 1 19 ² 20 ² 21 ² 22 ² 23 ¹ 24 ² 25 ² 26 ² 27 ² 28 ¹ 29 ² 30 ³ 31 ⁴ 32 ⁵ 33 ⁶ 34 ⁷ 35 ⁸ 36

M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132

5 ^{N 8} Rb ⁸ Sr ⁹ Y ¹⁰ Zr ¹² Nb ¹³ Mo ¹³ Tc ¹⁵ Ru ¹⁶ Rh ¹⁸ Pd ¹⁸ Ag ¹⁸ Cd ¹⁸ In ¹⁸ Sn ¹⁸ Sb ¹⁸ Te ¹⁸ I ¹⁸ Xe

Rubidium Strontium Yttrium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rutherium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon

O 1 37 2 38 2 39 2 40 1 41 1 42 2 43 1 44 1 45 0 46 1 47 2 48 3 49 4 50 5 51 6 52 7 53 8 54

N 18 133 18 138 18 139 32 180 32 181 32 184 32 187 32 192 32 193 32 195 32 197 32 202 32 205 32 208 32 209 32 210 32 210 32 222

6 ^{O 18} Cs ⁸ Ba ⁹ La 58 10 Hf ¹¹ Ta ¹² W ¹³ Re ¹⁴ Os ¹⁵ Ir ¹⁷ Pt ¹⁸ Au ¹⁸ Hg ¹⁸ Tl ¹⁸ Pb ¹⁸ Bi ¹⁸ Po ¹⁸ At ¹⁸ Rn

Cäsium Barium Lanthan bis ^Hafnium ^Tantal ^Wolfram ^Rhenium ^Osmium ^Iridium ^Platin ^Gold Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Astat Radon

P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86

O 18 223 ¹⁸ 226 ¹⁸ 227 ³² 261 ³² 161

7 P 8 Fr 8 Ra 9 Ac 90 10 Ku 10 Ha

Francium Radium Actinium bis Kutschatowium Hanium

Q 1 87 ² 88 ² 89 103 2 104 ³ 105 106

N 19 140 21 141 22 142 23 145 24 152 25 151 25 158 26 159 27 164 28 165 29 166 31 169 32 174 32 177

6 ^O Lanthaniden ⁹ Ce ⁸ Pr ⁸ Nd ⁸ Pm ⁸ Sm ⁸ Eu ⁹ Gd ⁹ Tb ⁹ Dy ⁹ Ho ⁹ Er ⁸ Tm ⁸ Yb ⁹ Lu

(Metalle der seltenen Erden) ^Cer ^Praseodym ^Neodym ^Promethium ^Samarium ^Europium ^Gadolinium ^Terbium ^Dysprosium ^Holmium ^Erbium ^Thulium ^Ytterbium ^Lutetium

P 2 58 2 59 2 60 2 61 2 62 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 2 68 2 69 2 70 2 71

O 18 232 ²⁰ 231 ²¹ 238 ²² 237 ²⁴ 242 ²⁵ 243 ²⁵ 247 ²⁷ 249 ²⁸ 251 ²⁹ 255 ³⁰ 253 ³¹ 256 ³² 251 ³² 247

7 ^P Actiniden ¹⁰ Th ⁹ Pa ⁹ U ⁹ Np ⁸ Pu ⁸ Am ⁹ Cm ⁸ Bk ⁸ Cf ⁸ Es ⁸ Fm ⁸ Md ⁸ No ⁹ Lr

(Uran-Metalle) ^Thorium Pratactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Cerium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium

Q 2 90 ² 91 ² 92 ² 93 ² 94 ² 95 ² 96 2 97 ² 98 2 99 ² 100 ² 101 ² 102 ² 103

Chemisches Ele- ment ist die Sam- melbezeichnung für alle Atomarten mit derselben Anzahl an Protonen im Atomkern.

Somit haben alle Atome eines chemischen Elements dieselbe Kernla- dungszahl (auch Ordnungszahl).

Die Elemente werden im Perioden- system nach steigender Kernla- dungszahl angeord- net.

(7)

www.ibn.ch

13. November 2008 Version 2

2.1.3 Periodentafel der Elemente

Periode Schale

Periodensystem der Atome

1 2 Tabelle 1 3 4 5 6 7 8

1 4

1 H He

Wasserstoff Helium

K 1 1 Halbmetall Schwermetall Metalle Edelmetalle 2 2

7 ² 9 11 12 14 16 19 20

2 ^K ² Li ² Be ² B ² C ² N ² O ² F ² Ne

Lihium Berylium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon

L 1 3 4 ³ 5 ⁴ 6 ⁵ 7 ⁶ 8 ⁷ 9 ⁸ 10

K 2 23 ² 24 Nichtmetall Edelgase Leichtmetall Halbedel ² 27 ² 28 ² 31 ² 32 ² 35 ² 40

3 ^{L 8} Na ⁸ Mg ⁸ Al ⁸ Si ⁸ P ⁸ S ⁸ Cl ⁸ Ar

Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon

M 1 11 ² 12 ³ 13 ⁴ 14 ⁵ 15 ⁶ 16 ⁷ 17 ⁸ 18

1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 ⁸ 40 ⁸ 45 ⁸ 48 ⁸ 51 ⁸ 52 ⁸ 55 ⁸ 56 ⁸ 59 ⁸ 58 ⁸ 63 ⁸ 64 ⁸ 69 ⁸ 72 ⁸ 75 ⁸ 80 ⁸ 79 ⁸ 84

4 ^{M 8} K ⁸ Ca ⁹ Sc ¹⁰ Ti ¹¹ V ¹³ Cr ¹³ Mn ¹⁴ Fe ¹⁵ Co ¹⁶ Ni ¹⁸ Cu ¹⁸ Zn ¹⁸ Ga ¹⁸ Ge ¹⁸ As ¹⁸ Se ¹⁸ Br ¹⁸ Kr

Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton

N 1 19 ² 20 ² 21 ² 22 ² 23 ¹ 24 ² 25 ² 26 ² 27 ² 28 ¹ 29 ² 30 ³ 31 ⁴ 32 ⁵ 33 ⁶ 34 ⁷ 35 ⁸ 36

M 18 85 ¹⁸ 88 ¹⁸ 89 ¹⁸ 90 ¹⁸ 93 ¹⁸ 98 ¹⁸ 99 ¹⁸ 102 ¹⁸ 103 ¹⁸ 106 ¹⁸ 107 ¹⁸ 114 ¹⁸ 115 ¹⁸ 120 ¹⁸ 121 ¹⁸ 130 ¹⁸ 127 ¹⁸ 132

5 ^{N 8} Rb ⁸ Sr ⁹ Y ¹⁰ Zr ¹² Nb ¹³ Mo ¹³ Tc ¹⁵ Ru ¹⁶ Rh ¹⁸ Pd ¹⁸ Ag ¹⁸ Cd ¹⁸ In ¹⁸ Sn ¹⁸ Sb ¹⁸ Te ¹⁸ I ¹⁸ Xe

Rubidium Strontium Yttrium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rutherium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon

O 1 37 ² 38 ² 39 ² 40 ¹ 41 ¹ 42 ² 43 ¹ 44 ¹ 45 ⁰ 46 ¹ 47 ² 48 ³ 49 ⁴ 50 ⁵ 51 ⁶ 52 ⁷ 53 ⁸ 54

N 18 133 ¹⁸ 138 ¹⁸ 139 ³² 180 ³² 181 ³² 184 ³² 187 ³² 192 ³² 193 ³² 195 ³² 197 ³² 202 ³² 205 ³² 208 ³² 209 ³² 210 ³² 210 ³² 222

6 ^{O 18} Cs ⁸ Ba ⁹ La ⁵⁸ ¹⁰ Hf ¹¹ Ta ¹² W ¹³ Re ¹⁴ Os ¹⁵ Ir ¹⁷ Pt ¹⁸ Au ¹⁸ Hg ¹⁸ Tl ¹⁸ Pb ¹⁸ Bi ¹⁸ Po ¹⁸ At ¹⁸ Rn

Cäsium Barium Lanthan bis ^Hafnium ^Tantal ^Wolfram ^Rhenium ^Osmium ^Iridium ^Platin ^Gold Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Astat Radon

P 1 55 ² 56 ² 57 71 ² 72 ² 73 ² 74 ² 75 ² 76 ² 77 ¹ 78 ¹ 79 ² 80 ³ 81 ⁴ 82 ⁵ 83 ⁶ 84 ⁷ 85 ⁸ 86

O 18 223 ¹⁸ 226 ¹⁸ 227 ³² 261 ³² 161

7 ^{P 8} Fr ⁸ Ra ⁹ Ac 90 ¹⁰ Ku ¹⁰ Ha

Francium Radium Actinium bis Kutschatowium Hanium

Q 1 87 ² 88 ² 89 103 ² 104 ³ 105 106

N 19 140 ²¹ 141 ²² 142 ²³ 145 ²⁴ 152 ²⁵ 151 ²⁵ 158 ²⁶ 159 ²⁷ 164 ²⁸ 165 ²⁹ 166 ³¹ 169 ³² 174 ³² 177

6 ^O Lanthaniden ⁹ Ce ⁸ Pr ⁸ Nd ⁸ Pm ⁸ Sm ⁸ Eu ⁹ Gd ⁹ Tb ⁹ Dy ⁹ Ho ⁹ Er ⁸ Tm ⁸ Yb ⁹ Lu

(Metalle der seltenen Erden) ^Cer ^Praseodym ^Neodym ^Promethium ^Samarium ^Europium ^Gadolinium ^Terbium ^Dysprosium ^Holmium ^Erbium ^Thulium ^Ytterbium ^Lutetium

P 2 58 ² 59 ² 60 ² 61 ² 62 ² 63 ² 64 ² 65 ² 66 ² 67 ² 68 ² 69 ² 70 ² 71

O 18 232 ²⁰ 231 ²¹ 238 ²² 237 ²⁴ 242 ²⁵ 243 ²⁵ 247 ²⁷ 249 ²⁸ 251 ²⁹ 255 ³⁰ 253 ³¹ 256 ³² 251 ³² 247

7 ^P Actinoiden ¹⁰ Th ⁹ Pa ⁹ U ⁹ Np ⁸ Pu ⁸ Am ⁹ Cm ⁸ Bk ⁸ Cf ⁸ Es ⁸ Fm ⁸ Md ⁸ No ⁹ Lr

(Uran-Metalle) ^Thorium Pratactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Cerium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium

Q 2 90 ² 91 ² 92 ² 93 ² 94 ² 95 ² 96 2 97 ² 98 2 99 ² 100 ² 101 ² 102 ² 103

Unterteilung der Metalle:

- Schwermetalle - Leichtmetalle - Edelmetalle - Halbedelmetalle - Unedle Metalle

Definition Halbedelmetalle:

Im chemischen Sinne sind Halb- edelmetalle und also alle Metalle, die in der elektro- chemischen Span- nungsreihe ein positives Standard- potential gegenüber Wasserstoff besitzen.

Liste der elektro- chemischen Poten- tiale siehe Kap. 3.6.1 St. 81

(8)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 3 PERIODENTAFEL DER ELEMENTE

2.1.3.1 Tabellenform des Periodensystems der Elemente

(9)

Version 3

2.1.3.2 Wertigkeiten der Elemente des Periodensystems

Die chemischen Grundstoffe, welche nicht mehr trennbar sind, nennt man

Atome

Element Kurz-

zeichen Wertig-

keit relative Atommasse

Ar

Ordnungs- zahl

Z

Element Kurz-

zeichen Wertig-

keit relative Atommasse

Ar

Ordnungs- zahl

Z

Actinium Ac 3 (227) 89 Molybdän Mo 3,4,6 95,94 42

Aluminium Al 3 26,9815 13 Natrium Na 1 22,9898 11

Americum Am 3 (243) 95 Neodym Nd 3 144,24 60

Antimon Sb 3,5 121,75 51 Neon Ne 0 20,179 10

Argon Ar 0 39,948 18 Neptunium Np 3,4,5,6 237,0482 93

Arsen As 3,5 74,9216 33 Nickel Ni 2,3 58,71 28

Astat At 7 (210) 85 Niob Nb 5,3 92,9064 41

Barium Ba 2 137,34 56 Nobelium No 3 (255) 102

Berkelium Bk 3,4 (247) 97 Osmium Os 2,3,4,8 190,2 76

Beryllium Be 2 9,01218 4 Palladium Pd 2,4 106,4 46

Blei Pb 2,4 207,19 82 Phosphor P 3,5 30,9738 15

Bor B 3 10,811 5 Platin Pt 2,4 195,09 78

Brom Br 1,5 79,904 35 Plutonium Pu 3,4,5,6 (244) 94

Cadmium Cd 2 112,40 48 Polonium Po 2,6 (210) 84

Calcium Ca 2 40,08 20 Praseodym Pr 3 140,9077 59

Californium Cf 3 (251) 98 Promethium Pm 3 (145) 61

Cäsium Cs 1 132,9055 55 Protactinium Pa 3 231,0359 91

Cer Ce 3,4 140,12 58 Quecksilber Hg 1,2 200,59 80

Chlor Cl 1,5,7 35,453 17 Radium Ra 2 226,0254 88

Chrom Cr 2,3,6 51,996 24 Radon Rn 0 (222) 86

Curium Cm 3 ((247) 96 Rhenium Re 1,4,7 186,2 75

Dysprosium Dy 3 162,50 66 Rhodium Rh 8 102,9055 45

Einsteinium Es 3 (254) 99 Rubidium Rb 1 85,4678 37

Eisen Fe 2,3,6 55,847 26 Ruthenium Ru 3,4,6,8 101,07 44

Erbium Er 3 167,26 68 Samarium Sm 3 150,35 62

Europium Eu 3 151,96 63 Sauerstoff O 2 15,9994 8

Fermium Fm 3 (257) 100 Scandium Sc 3 44,9559 21

Fluor F 1,7 18,9984 9 Schwefel S 2,4,6 32,064 16

Francium Fr 1 (223) 87 Selen Se 2,4,6 78,96 34

Gadolinium Gd 3 157,25 64 Silber Ag 1,2 107,868 47

Gallium Ga 3 69,72 31 Silizium Si 4 28,086 14

Germanium Ge 4 72,59 32 Stickstoff N 2,3,5 14,0067 7

Gold Au 1,3 196,9665 79 Strontium Sr 2 87,62 38

Hafnium Hf 4 178,49 72 Tantal Ta 5 180,9479 73

Hahnium Ha 5 (261) 105 Technetium Tc 7 98,9062 43

Helium He 0 4,00260 2 Tellur Te 2,6,4 127,60 52

Holmium Ho 3 164,9303 67 Terbium Tb 3 158,9254 65

Indium In 3 114,82 49 Thallium Tl 1,3 204,37 81

Iridium Ir 3,4,6 192,22 77 Thorium Th 4 232,0381 90

Jod J 1,3,5,7 126,9045 53 Thulium Tm 3 168,9342 69

Kalium K 1 39,102 19 Titan Ti 2,3,4 47,90 22

Kobalt Co 2,3 58,9332 27 Uran U 3,4,5,6 238,029 92

Kohlenstoff C 2,4 12,01115 6 Vanadium V 2,3,4,5 50,9414 23

Krypton Kr 0 83,80 36 Wasserstoff H 1 1,00797 1

Kupfer Cu 1,2 63,546 29 Wismut Bi 3,5 208,9806 83

Kurschatowium Ku 4 (261) 104 Wolfram W 2,3,4,5,6 183,85 74

Lanthan La 3 138,9055 57 Xenon Xe 0 131,30 54

Lawrencium Lr 3 (256) 103 Ytterbium Yb 2,3 173,04 70

Lithium Li 1 6,941 3 Yttrium Y 3 88,9059 39

Lutetium Lu 3 174,97 71 Zink Zn 2 65,37 30

Magnesium Mg 2 24,305 12 Zinn Sn 2,4 118,69 50

Mangan Mn 2,3,4,6,7 54,9380 25 Zirkon Zr 4 91,22 40

Mendelevium Md 3 (258) 101

(10)

2.1.3.3 Wertigkeitsbegriffe

Die Wertigkeit eines Stoffes sagt aus, wie das Element eine Verbindung ein- geht in Bezug auf seine Valenzelekt- ronen (Elektronen der äussersten Schale).

Oxidation

Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt. Ihre Oxi- dationszahl wird dabei erhöht.

Reduktion

Ein anderer Stoff nimmt die Elekt- ronen auf und wird reduziert.

Redoxreaktion

Beide Reaktionen zusammen wer- den als Teilreaktionen einer Redox- reaktion betrachtet.

Beispiel

Reaktion Metallatom mit einem Sauerstoff-Atom ( FeO , Eisenoxid) Oxidation

Metall ( Fe ) gibt zwei Elektronen ab.

Fe Fe

²⁺

₊ 2 e

⁻

Reduktion

Sauerstoff (O) nimmt zwei Elektro- nen auf.

O ₊ 2 e

⁻

O

²⁻

Redoxreaktion

Fe ₊ O Fe

²⁺

₊ O

²⁻

Sauerstoff oxidiert das Metall und

wird dabei selbst reduziert.

(11)

Version 3

2.1.4 Borsches Atommodell

2.1.4.1 Protonen, Neutronen und Elektronen

Die Anzahl Protonen und Neutronen bestimmen Art

und Gewicht des Stoffes, denn die Elektronen sind ca. 2000 mal leichter. Die Anzahl Elektronen auf der

äussersten Hülle sind entscheidend für das chemische und elektrische Verhalten des Stoffes.

Da die Zahl der Protonen gleich gross wie die Zahl der Elektronen ist, ist das Atom nach aussen neutral.

Atommodell

Atomhülle

Elektron Ladung e = -1,602x10-19 As

Masse m = 9,109x10

^-28

g Atomkern

Proton Ladung e = 1,602x10

^-19

As

Masse m = 1,672x10

^-24

g

Neutron Ladung keine

Masse m = 1,675x10

^-24

g

Warum fällt der Atomkern nicht auseinander?

Die Atomrümpfe der Metallatome bilden ein Kristallgitter. Metalle sind Kristallin.

Zwischen den Atomrümpfen befindet sich das „Elektronengas“, bestehend aus den Valenzelektronen der Metallatome.

Damit der Kern nicht auseinander fällt gibt es die Neutronen. Sie bilden den so genannten Kernkitt.

Der Kern heisst Nukleus – Die Nukleo-

nenzahl ist die Summe der Protonen

und Neutronen.

(12)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 4 BORSCHES ATOMMODELL

2.1.4.2 Beispiel: Kupfer

(13)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 4 BORSCHES ATOMMODELL

Version 3

2.1.4.3 Beispiel: Aluminium

(14)

2.1.5 Reinstoffe – Elemente 2.1.5.1 Definition Reinstoffe

Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind.

Als Reinstoff bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der einheitlich zusammengesetzt ist und da- mit aus nur einer "Teilchensorte" besteht.

Reinstoffe bestehen nur aus einer Sorte Atome (Atomos = unteilbar).

REINSTOFFE KÖNNEN MIT PHYSIKALISCHEN TRENNVERFAHREN NICHT WEITER AUFGETEILT WERDEN.

Eine weitere Aufteilung gelingt jedoch bei vielen Reinstoffen mit chemischen Zerlegungsverfahren.

Reinstoffe können Elemente oder Verbindungen sein. Reinstoffe haben klar definierte physikalische Eigenschaften, die zur Charakterisierung verwendet werden, z. B.

SCHMELZPUNKT (SCHMELZTEMPERATUR) SIEDEPUNKT (SIEDETEMPERATUR)

DICHTE

DIE ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT DIE WÄRMELEITFÄHIGKEIT

LÖSLICHKEIT IN EINEM LÖSUNGSMITTEL

Einige Reinstoffe:

KUPFER

DESTILLIERTES WASSER

Reinstoffe bestehen aus Teilchen, die

stets gleich bleibende (also konstan-

te) Eigenschaften haben.

(15)

2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 5 REINSTOFFE UND ELEMENTE

Version 3

2.1.5.2 Metalle

Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind.

Die chemischen Elemente der Metalle zeichen sich durch vier Eigenschaften aus:

2.1.5.2.1 Eigenschaften Metalle

ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT WÄRMELEITFÄHIGKEIT

METALLISCHE GLANZ PLASTISCH FORMBAR (DUKTILITÄT)

Wolframwendel

Schmelzleiter aus Silber oder Silberlegierung

Kabelrolle Kupferkabel

2.1.5.2.2 Wichtige berufsrelevante Metalle

Edle Metalle:

GOLD SILBER PLATIN WOLFRAM

Halbedle Metalle:

KUPFER

QUECKSILBER

Unedle Metalle:

ALUMINIUM

EISEN, ZINK, CHROM NICKEL, MANGAN MAGNESIUM

Die elektrische Leitfähigkeit, auch Konduktivität genannt, nimmt bei allen Metallen mit steigender Temperatur ab. Silber hat die beste elektrische Leitfähigkeit.

Die Wärmeleitfähigkeit λ, auch Wärmeleitzahl genannt, beschreibt die Fähigkeit ther- mische Energie (Wärme) zu transportieren. Leicht verschiebbare Elektronen sind Be- standteil dieser Wärmebewegung.

Die Duktilität beschreibt die Eigenschaft eines Werkstoffes sich erst plastisch zu verformen ohne sofort zu brechen. Einige Stahlsorten können sich bis zu einem viertel plastisch verformen bis der Werkstoff schliesslich reißt. Diese Eigenschaft ist in erster Linie von de Gittertyp abhängig. Diese Eigenschaft der Duktilität ermöglicht ein vorzeiti- ges erkennen einer zu hohen Belastung des Materials. Auch die Automobil-Industrie nutzt diese Eigenschaft der plastischen Verformung - Die Knautschzone. Hierbei wird Energie durch Verformung absorbiert.

Der metallische Glanz, auch Reflexion genannt, wird durch frei bewegliche Elektronen ermöglicht. Diese können die eingestrahlte oder besser die aufgenommene Energie in allen Wellenlängen unverändert wiedergeben.

Den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle besitzt Wolfram, welcher als Spezialstahl in Glühbirnen zur Verwendung kommt.

Rohrheizkörper

Opfer-Anode aus Magnesium Opferanode für den Korrosionsschutz von Wassererwärmern (Boiler) Zusatzeigenschaften von unedlen Metallen

Geben leicht Elektronen ab unter Bildung von Kationen.

Reagieren mit Säuren unter Wasserstoffentwicklung.

Reagieren mit Sauerstoff leicht zu Oxiden.

(16)

2.1.6 Halbmetalle

Halbleiter bzw. Halbmetalle sind Stoffe, deren Valenzelektronen fest im Atomgitter eingebunden sind und nicht zum Ladungstransport beitragen können und deshalb schlecht leiten.

2.1.6.1 Berufsrelevante Merkmale der Halbmetalle SIND WEDER LEITER NOCH ISOLATOREN

LEITFÄHIGKEIT NIMMT BEI TEMPERATURERHÖHUNG ZU ES ENTSTEHEN FREIE ELEKTRONEN

ERSCHEINUNG WIRD ALS EIGENLEITUNG BEZEICHNET SIE HABEN VIER VALENZELEKTRONEN

DIE LEITFÄHIGKEIT WIRD DURCH DOTIEREN ERHÖHT P-LEITFÄHIGKEIT ODER N-LEITFÄHIGKEIT

2.1.6.2 Berufsrelevante Halbmetalle

SILIZIUM GERMANIUM SELEN

Silizium-

Brückengleichrichter aus vier Dioden

(Graetzschaltung)

Leistungselektronik Transistor als Schalter

TO 254 npn-Silizium-Transistoren

Grenztemperatur 170 °C

Unterhaltungs- und Hochfrequenz-

Elektronik

Germanium-Transistor TO-3 – Gehäuse Grenztemperatur

100 °C

(17)

Version 3

2.1.7 Nichtmetalle

Als Nichtmetalle bzw. Nichtleiter werden Werkstoffe bezeichnet, die als Isoliermaterialien in der Elekt- roindustrie verwendet werden. Sie besitzen im normalen Zustand wenig freie Elektronen. Es werden heute häufig Kunststoffe für die Isolierung eingesetzt.

2.1.7.1 Berufsrelevante Eigenschaften der Nichtmetalle

LEICHTER ALS METALLE

WENIG WÄRMELEITFÄHIGKEIT WÄRMEISOLIEREND

ELEKTRISCH NICHTLEITEND, ISOLIEREND CHEMISCH BESTÄNDIG, KORROSIONSFEST NICHT HYGROSKOPISCH

LEICHT FÄRBBAR

SCHLECHT WÄRMEBESTÄNDIG (<120 °C)

Schwefel

Hygroskopisch

In der Chemie und Physik die Eigen- schaft, Feuchtigkeit aus der Umge- bung (meist in Form von Wasser- dampf aus der Luftfeuchtigkeit) zu binden.