Übungsaufgaben zur Vorlesung Chemie der Materialien

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1 Übungsaufgaben zur Vorlesung Chemie der Materialien Aufgabe 1: a) Was ist die Referenz für die Mohs Härteskala? b) Ordnen Sie die folgenden Festkörper nach ihrer Härte auf der Skala: Korund, Graphit, CaF 2, NaCl. Aufgabe 2: a) Woraus besteht Rubin? b) Erklären Sie die Farbe der Verbindung. c) Erläutern Sie kurz, warum Rubin und Smaragd unterschiedlich gefärbt sind. Aufgabe 3: a) Was ist ein Ferroelektrikum und was ist ein Elektret? Skizzieren Sie die Hysteresekurve für eine ferroelektrische Substanz. Beschriften Sie dabei die Achsen, und zeichnen Sie die remanente Polarisation sowie das Koerzitivfeld ein. Erläutern Sie kurz diese Begriffe. b) Erläutern Sie die Strukturen von kristallinem BaTiO 3 und WOCl 4. Welches dieser Festkörper ist ein Ferroelektrikum, und welches ein Elektret? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Nennen Sie ein weiteres Beispiel für ein ferroelektrisches Material. Welche Anwendungen haben diese Materialien? Aufgabe 4: Wie wird Kalk-Natron-Glas hergestellt? Welche Elemente sind im Borsilikatglas und im Bleikristallglas vorhanden? Wie unterscheiden sich Quarzglas, Kalk-Natron-Glas, Borsilikatglas und Bleikristallglas in ihren Materialeigenschaften? Beschreiben Sie die Vor- und Nachteile. Aufgabe 5: a) Erläutern Sie den Aufbau eines "intelligenten Glases", bei dem die Lichtdurchlässigkeit über eine elektrische Schaltung geregelt werden kann. Dabei besteht eine Schicht aus WO 3. Beschreiben Sie die Struktur dieses Festkörpers. 1

2 b) Beschreiben Sie den möglichen Aufbau eines automatisch abblendenden Rückspiegels, bei dem eine Viologen-Lösung verwendet wird. Zeichnen Sie die Lewis-Struktur des Viologen-Farbstoffs. Aufgabe 6: a) Skizzieren Sie die Magnetisierung M in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke H für ein ferromagnetisches Material. b) Erklären Sie mit Hilfe der Skizze die Begriffe Sättigungsmagnetisierung und Koerzitivfeldstärke. c) Wie unterscheiden sich harte und weiche Magnete voneinander? Aufgabe 7: a) Nennen Sie zwei Beispiele für Piezoelektrika (nicht NH 4 Cl). b) Erklären Sie den piezoelektrischen Effekt. Benutzen Sie eine Skizze, um den Einfluss von Druckänderungen auf das Dipolmoment zu skizzieren für das Beispiel der NH 4 + Tetraeder im NH 4 Cl. Aufgabe 8: a) Erläutern Sie den Sol-Gel-Prozeß mit Teilschritten ausgehend von Si(OMe) 4. b) Was ist der Unterschied zwischen einem Aerogel und einem Xerogel? Nennen Sie mögliche Anwendungen dieser Materialien. c) Warum gibt man in der Regel eine Säure oder Base beim Sol-Gel-Prozeß zu? Aufgabe 9: a) Erläutern Sie mit Hilfe einer Skizze den Aufbau eines Glasfaserkabels. b) Erläutern Sie die Herstellung eines Glasfaserkabels. Aufgabe 10: a) Was ist ITO? b) Welche Eigenschaften besitzt dieses Material, die für Anwendungen wichtig sind? 2

3 Aufgabe 11: a) Was bedeutet "Photochromie"? b) Nennen Sie ein Beispiel für ein photochromes Material und erklären Sie den Effekt. c) Geben Sie ein Beispiel für eine Anwendung. Aufgabe 12: a) Was ist eine Intercalationsverbindung? b) Warum können Intercalationsverbindungen mit TiS 2 hergestellt werden. Erläutern Sie dazu die Festkörperstruktur von TiS 2. Aufgabe 13: a) Wie kann man mit Hilfe von CVD-Methoden GaAs herstellen? Geben Sie zwei Beispiele mit Reaktionsgleichungen, wobei eines von einem Single-Source-Precursor ausgeht. b) Für welche Anwendungen wird GaAs benötigt? Aufgabe 14: Wie lässt sich BaTiO 3 durch eine Festkörper-Reaktion sowie über eine Vorläuferverbindung aus Lösung herstellen? Erläutern Sie die prinzipiellen Nachteile der Herstellung von Materialien durch Festkörper-Reaktionen. Aufgabe 15: Erläutern Sie die Synthese von Diamant ausgehend von Graphit sowie über ein Niederdruck-CVD-Verfahren. Welches sind die Vor- und Nachteile der beiden Synthese-Möglichkeiten? Aufgabe 16: a) Wie lassen sich Pt sowie Cr durch Transportreaktionen reinigen? Geben Sie die Reaktionsgleichungen an. Welche der Reaktionen ist endo- und welche exotherm? Wie muss der Temperaturgradient bei den Prozessen angelegt werden? b) NiCr 2 O 4 lässt sich über einen Transportprozess aus Cr 2 O 3 und NiO herstellen in Anwesenheit von O 2. Erläutern Sie das Verfahren mit Reaktionsgleichungen. Warum werden nur Spuren von O2 benötigt? 3

4 Aufgabe 17: a) Erläutern Sie mit Reaktionsgleichung, wie sich Cr mit Hilfe eines Gasphasen- Transportverfahrens reinigen lässt. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau und erläutern Sie den Temperaturgradienten. b) Wie lässt sich W von WO 2 trennen mit Hilfe eines Transportverfahrens? Geben Sie Reaktionsgleichungen an. Aufgabe 18: Erläutern Sie mit Hilfe von Reaktionsgleichungen, wie Al 2 S 3 mit Hilfe eines Transportverfahrens aus Al und elementarem Schwefel hergestellt werden kann (I 2 in der Gasphase). Warum ist die direkte Festkörperreaktion zwischen elementarem Aluminium und Schwefel sehr viel langsamer? Aufgabe 19: Erläutern Sie mit Skizzen die Herstellung des mesoporösen MCM-41- Materials. Verwenden Sie dabei die Begriffe Tenside und Mizellen. Aufgabe 20: a) Welches Element besitzt die höchste elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur? b) Warum wird dieses Element nicht supraleitend bei sehr tiefen Temperaturen? c) Nennen Sie ein Beispiel für ein Element, dass bei tiefen Temperaturen supraleitend wird, und skizzieren Sie die elektrische Leitfähigkeit als Funktion der Temperatur. Aufgabe 21: Warum ist K 2 [Pt(CN) 4 ] 3H 2 O ein Isolator, aber nach Oxidation mit Br 2 ein guter elektrischer Leiter? Beschreiben Sie den Aufbau dieses Krogmann'schen Salzes. Wie macht sich die Peierls-Verzerrung bemerkbar? Aufgabe 22: a) Erläutern Sie die Peierls-Verzerrung am Beispiel des Polyacetylens. b) Wie kann man ausgehend von Polyacetylen einen guten elektrischen Leiter herstellen? c) Was sind die Probleme für Anwendungen dieser Leiter? 4

5 Aufgabe 23: a) Skizzieren Sie die Bandstruktur einer eindimensionalen linearen Kette aus Wasserstoffatomen. Erklären Sie den Verlauf. b) Wie ändert sich die Bandstruktur für eine lineare Kette aus p x - und p z -Orbitalen (z = Kettenrichtung)? Aufgabe 24: a) Beschreiben Sie die Eisen-Phasen (mit Namen), die beim Heizen von Raumtemperatur bis zur Schmelze auftreten (Kohlenstoffgehalt äußerst niedrig). b) Woraus bestehen Cementit, Austenit und Perlit? c) Erläutern Sie, wie martensitischer Stahl hergestellt werden kann und begründen Sie die Vorgehensweise. Warum ist ein Kohlenstoffgehalt <0.83 Gewichtsprozente notwendig? Aufgabe 25: a) Erläutern Sie Vorteile und Nachteile der Pulvermetallurgie. b) Beschreiben Sie vier unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern. Aufgabe 26: a) Was ist der Meißner-Ochsenfeld-Effekt und der Josephson-Effekt bei Supraleitern? b) Erläutern Sie mögliche Anwendungen von Supraleitern. c) Erläutern Sie den Isotopeneffekt bei konventionellen Supraleitern. Welche Schlussfolgerungen lassen sich daraus ziehen? d) Was versteht man unter einem Cooper-Paar? e) Geben Sie ein Beispiel für einen Hochtemperatur-Supraleiter. Welcher Strukturtyp liegt den oxidischen Hochtemperatur-Supraleitern zugrunde? Aufgabe 27: Erläutern Sie die DC- und AC-Josephson-Effekte. Geben Sie einen kurzen Erklärungsansatz. 5

6 Aufgabe 28: Erklären Sie, warum TiO und VO eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, und warum MnO, FeO, CoO und NiO Halbleiter sind. Welche Strukturen besitzen diese Oxide? Aufgabe 29: Skizzieren Sie den Verlauf der Wärmekapazität C v für einen Supraleiter oberhalb sowie unterhalb der kritischen Temperatur. Wie kann aus dem Verlauf unterhalb der kritischen Temperatur auf die Bindungsenergie eines Cooper-Paares geschlossen werden? Aufgabe 30: a) Erläutern Sie die Herstellung von reinem Si für elektronische Anwendungen ausgehend von SiO 2. Erklären Sie das Czochralski- und das Zonenschmelz- Verfahren und geben Sie die Vor- und Nachteile an. b) Was versteht man unter einem extrinsischen und einem intrinsischen Halbleiter? c) Skizzieren Sie die Elektronenkonzentration im Leitungsband in Abhängigkeit von der Temperatur für einen intrinsischen und einen extrinsischen Halbleiter. Erklären Sie die unterschiedlichen Kurvenverläufe. d) Wo liegt das Ferminiveau bei einem intrinsischen und extrinsischen (p- bzw. n- Typ) Halbleiter bezüglich der Valenzbandoberkante und der Leitungsbandunterkante. Aufgabe 31: a) Was versteht man unter einem p-n-übergang. Skizzieren Sie die Verbiegung der Bänder im Grenzbereich und erklären Sie, wie es dazu kommt. b) Wie funktioniert eine Si-Solarzelle? Skizzieren Sie den Aufbau. c) Wie ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle definiert? Aufgabe 32: a) Skizzieren Sie den Aufbau einer Farbstoffsensibilisierungs-Solarzelle ("Grätzel"- Zelle) und erläutern Sie ihre Funktion. b) Geben Sie ein Beispiel für einen möglichen Farbstoff (Photosensibilisator) für eine Solarzelle. Welche Kriterien sind bei der Wahl des Farbstoffs wichtig? 6

7 Aufgabe 33: Skizzieren Sie den Aufbau eines Feldeffekt-Transistors. Wie lässt sich mit Hilfe der "Gate"-Spannung der Stromfluss zwischen "Source" und "Drain" steuern? Aufgabe 34: a) Erklären Sie mit Hilfe von Bandstruktur-Skizzen den Unterschied zwischen einem Halbleiter mit direkter und indirekter Bandlücke. Erläutern Sie die Elektronen- Relaxation nach photolytischer Anregung eines Elektrons in das Leitungsband bei beiden Typen. Wie lassen sich die Unterschiede erklären? Wann ist ein Halbleiter für Anwendungen als LED (Licht-emittierende Diode) geeignet? b) Sortieren Sie die folgenden Halbleiter nach der Energie der Bandlücke: InAs, GaN, AlN, GaAs. Aufgabe 35: a) Wie lässt sich bei Zeolithen die Porenöffnung durch Kationenaustausch, Temperaturvariation oder Veränderung des Si/Al-Verhältnisses beeinflussen? Aufgabe 36: a) Erläutern Sie mit Reaktionsgleichungen, wie die Lewis-Acidität der Porenwände von Zeolithen für katalytische Anwendungen stark erhöht werden kann. b) Die Reaktion von Toluol mit Methanol innerhalb der Poren des Zeoliths ZSM-5 ist ein Beispiel für die Produkt-Selektivität bei der Katalyse mit Zeolithen. Erläutern Sie dies mit Hilfe von Reaktionsgleichungen. Welches Produkt wird gebildet und wie lässt sich die Selektivität begründen? 7

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