Chemie der Werkstoffe

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1 Chemie der Werkstoffe

2 Hauptgruppen ** Nichtmetalle und Halbmetalle sind durch eine blaue bzw. graue Hinterlegung des IA IIA Feldes gekennzeichnet IIIB IVB VB VIB VIIB ,941 3 Li Lithium [He]2s 1 I 1,0 22, Na Natrium [Ne]3s 1 I 0,9 39, K Kalium [Ar]4s 1 I 0,8 85, Rb Rubidium [Kr]5s 1 I 0,8 132, Cs Caesium [Xe]6s 1 I 0,8 87 (223) Fr Francium [Rn]7s 1 9, Be Beryllium [He]2s 2 II 1,5 24, Mg Magnesium [Ne]3s 2 II 1,3 40, Ca Calcium [Ar]4s 2 II 1,0 87,62 38 Sr Strontium [Kr]5s 2 II 1,0 137,33 56 Ba Barium [Xe]6s 2 II 0,9 (226) 88 Ra Radium [Rn]7s 2 II 0,9 IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA IB IIB , Sc Scandium [Ar]3d 1 4s 2 III 1, Y Yttrium [Kr]4d 1 5s 2 La * Lu Ac ** Lr Ordnungszahl wichtigste Oxidationsstufen 47,88 22 Ti Titan [Ar]3d 2 4s 2 IV, III 1,5 91, Zr Zirconium [Kr]4d 2 5s ,49 Hf Hafnium [Xe]4f 14 5d 2 6s 2 IV 1,3 (261) 104 Rf Rutherfordium ** 6 50, V Vanadium [Ar]3d 3 4s 2 V, IV, III 1,6 92, Nb Niob [Kr]4d 4 5s 1 V, IV 1, ,011 C Kohlenstoff [He]2s 2 p 2 IV, II, IV 2,5 180,9479 Ta Tantal [Xe]4f 14 5d 3 6s 2 V, IV 1,5 (262) 105 Db Dubnium Atommasse in u* Atomsymbol Elementname Elektronenkonfiguration Elektronegativität nach Pauling eingeklammerte Werte geben die Massenzahl eines wichtigen Isotops an 51, Cr Chrom [Ar]3d 5 4s 1 III, VI 1,7 95,96 42 Mo Molybdän [Kr]4d 5 5s 1 VI, IV 2,2 74 Nebengruppen 183,84 W Wolfram [Xe]4f 14 5d 4 6s 2 VI, IV 2,4 (265) 106 Sg Seaborgium 54, Mn Mangan [Ar]3d 5 4s 2 II, IV, VII 1,6 Tc (99) 43 Technetium [Kr]4d 6 5s 1 VII 1, ,207 Re Rhenium [Xe]4f 14 5d 5 6s 2 VII 1,9 107 (267) Bh Bohrium 55, Fe Eisen [Ar]3d 6 4s 2 II, III 1,8 101,07 44 Ru Ruthenium [Kr]4d 7 5s 1 III, IV 2, ,23 Os Osmium [Xe]4f 14 5d 6 6s 2 VIII, IV 2,2 108 (270) Hs Hassium 1, H Wasserstoff 1s 1 I, I 2,2 58, Co Cobalt [Ar]3d 7 4s 2 II, III 1,9 102, Rh Rhodium [Kr]4d 8 5s 1 III, I 2, ,22 Ir Iridium [Xe]4f 14 5d 7 6s 2 I, IV 2,2 (266) 109 Mt Meitnerium 58, Ni Nickel [Ar]3d 8 4s 2 II, III 1,9 106,4 46 Pd Palladium [Kr]4d 10 II 2, ,08 Pt Platin [Xe]4f 14 3d 9 6s 1 II, IV 2,3 (269) 110 Ds Darmstadtium 63, Cu Kupfer [Ar]3d 10 4s 1 II, I 1,9 107, Ag Silber [Kr]4d 10 5s 1 I 1, ,9665 Au Gold [Xe]4f 14 5d 10 6s 1 III, I 2,5 Rg (272) 111 Roentgenium 65,38 30 Zn Zink [Ar]3d 10 4s 2 II 1,7 112,41 48 Cd Cadmium [Kr]4d 10 5s 2 II 1, ,59 Hg Quecksilber [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 II, I 2,0 Cn (283) 112 Copernicium 10,811 5 B Bor [He]2s 2 p 1 III 2,0 26, Al Aluminium [Ne]3s 2 p 1 III 1,6 69, Ga Gallium [Ar]3d 10 4s 2 p 1 III, I 1,8 114,82 49 In Indium [Kr]4d 10 5s 2 p 1 III, I 1, ,38 Tl Thallium [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 1 I, III 2,0 6 12,011 C Kohlenstoff [He]2s 2 p 2 IV, II, IV 2, ,0855 Si Silicium [Ne]3s 2 p 2 IV 1,9 72,6 32 Ge Germanium [Ar]3d 10 4s 2 p 2 IV, II 2,0 118,71 50 Sn Zinn [Kr]4d 10 5s 2 p 2 IV, II 1, ,2 Pb Blei [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 2 II, IV 1,9 (287) 114 Uuq Ununquadium Hauptgruppen 14, N Stickstoff [He]2s 2 p 3 III, V, IV 3,0 30, P Phosphor [Ne]3s 2 p 3 V, III, I 2,2 74, As Arsen [Ar]3d 10 4s 2 p 3 III, V 2,2 121,75 51 Sb Antimon [Kr]4d 10 5s 2 p 3 III, V 2, ,9804 Bi Bismut [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 3 III, V 2,0 15, O Sauerstoff [He]2s 2 p 4 II, I 3,4 32, S Schwefel [Ne]3s 2 p 4 II, VI, IV 2,6 78,96 34 Se Selen [Ar]3d 10 4s 2 p 4 IV, II 2,6 127,60 52 Te Tellur [Kr]4d 10 5s 2 p 4 IV 2,1 (209) 84 Po Polonium [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 4 (291) 116 Uuh Ununhexium 2,0 18, F Fluor [He]2s 2 p 5 I 4, ,453 Cl Chlor [Ne]3s 2 p 5 I, V, VII 3,2 79, Br Brom [Ar]3d 10 4s 2 p 5 I, V 3,0 126, I Iod [Kr]4d 10 5s 2 p 5 I, V, VII 2,7 (210) 85 At Astat [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 5 2,2 *Lanthanoide **Actinoide 138, La Lanthan [Xe]5d 1 6s 2 III 1,1 (227) 89 Ac Actinium [Rn]6d 1 7s 2 III 1,1 140, Ce Cer [Xe]4f 1 5d 1 6s 2 III, IV 1,1 232, Th Thorium [Rn]6d 2 7s 2 IV 1,3 140, Pr Praseodym [Xe]4f 3 6s 2 III 1,1 (231) 91 Pa Protactinium [Rn]5f 2 6d 1 7s 2 V 1,5 144,24 60 Nd Neodym [Xe]4f 4 6s 2 III 1,1 238, U Uran [Rn]5f 3 6d 1 7s 2 VI, IV 1,4 III Pm (147) 61 Promethium [Xe]4f 5 6s 2 (237) 93 Np Neptunium [Rn]5f 4 6d 1 7s 2 V 1,4 Sm 150,36 62 Samarium [Xe]4f 6 6s 2 Pu (239) 94 Plutonium [Rn]5f 6 7s 2 IV 1,3 63 III, II 151,96 Eu Europium [Xe]4f 7 6s 2 Am (243) 95 Americium [Rn]5f 7 7s 2 157,25 64 Gd Gadolinium [Xe]4f 7 5d 1 6s 2 Cm (247) 96 Curium [Rn]5f 7 6d 1 7s 2 158, Tb Terbium [Xe]4f 9 6s 2 (249) 97 Bk Berkelium [Rn]5f 9 7s 2 162,50 66 Dy Dysprosium [Xe]4f 10 6s 2 (252) 98 Cf Californium [Rn]5f 10 7s 2 164,93 67 Ho Holmium [Xe]4f 11 6s 2 (252) 99 Es Einsteinium [Rn]5f 11 7s 2 167,26 68 Er Erbium [Xe]4f 12 6s 2 Fm (257) 100 Fermium [Rn]5f 12 7s 2 168, Tm Thulium [Xe]4f 13 6s 2 (258) 101 Md Mendelevium [Rn]5f 13 7s 2 173, Yb Ytterbium [Xe]4f 14 6s 2 III, II 1,1 (259) 102 No Nobelium [Rn]5f 14 7s 2 II 1, ,967 Lu Lutetium [Xe]4f 14 5d 1 6s 2 III, II 1,2 (262) 103 Lr Lawrencium [Rn]5f 14 6d 1 7s 2 III VIIIB ,0026 He Helium 1s ,180 Ne Neon [He]2s 2 p ,948 Ar Argon [Ne]3s 2 p ,80 Kr Krypton [Ar]3d 10 4s 2 p 6 131,29 54 Xe Xenon [Kr]4d 10 5s 2 p 6 II, IV 2,6 (222) 86 Rn Radon [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 p 6 I *

3 Horst Briehl Chemie der Werkstoffe 3., überarbeitete und erweiterte Auflage

4 Horst Briehl Hochschule Furtwangen Villingen-Schwenningen, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1995, 2007, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

5 Vorwort Dieses Lehrbuch wendet sich in erster Linie an Studierende der Ingenieurwissenschaften, die während ihrer Ausbildung und im späteren Berufsleben mit Problemen der Auswahl und des Einsatzes des jeweils richtigen Werkstoffs konfrontiert werden. Chemische Reaktionen spielen bereits bei der Herstellung von Werkstoffen eine bedeutende Rolle. Auch viele weitere Verarbeitungsschritte wie z.b. Raffinations-, Veredlungs-, Formgebungs- und Verfestigungsverfahren sowie Methoden der Fertigung von Verbundwerkstoffen bzw. die Fixierung von Schichten auf Substratmaterialien beruhen meist auf chemischen Vorgängen. Alterungserscheinungen und Korrosionsprozesse an Werkstoffen sind durch die Chemie erklärbar; ebenso basieren zahlreiche Recyclingverfahren für ausgediente Werkstoffe auf chemischen Reaktionen. Warum nun Chemie der Werkstoffe"? Beim Studium von gängigen Chemielehrbüchern, ist häufig festzustellen, dass in diesen meist wissenschaftlich orientierten Büchern Werkstoffe und deren technische Anwendungen ein wenig vernachlässigt werden. Andererseits erfolgt in Fachbüchern über Werkstoffe bisweilen eine nur recht stiefmütterliche Behandlung der chemischen Reaktionen von Werkstoffen. Ferner werden in den reinen Werkstoffkundebüchern oft nur ganz bestimmte Werkstoffgruppen (z.b. Kunststoffe, Keramiken oder Metalle) separat behandelt. Im vorliegenden Lehrbuch werden nun die wesentlichen Grundzüge der Chemie von metallischen, nichtmetallisch-anorganischen und organischen Werkstoffen dargestellt, und zugleich wird auf charakteristische Eigenschaften und daraus resultierende Anwendungen dieser Werkstoffe eingegangen. Bestimmte physikalische Größen, die besonders kennzeichnend für einen Werkstoff sind, sind in der Regel herausgestellt; allerdings ist dieses Buch keine werkstoffkundliche Datensammlung, da im Vordergrund immer die Chemie des Werkstoffs steht. Dies führt insbesondere bei der Einteilung und Behandlung der metallischen Werkstoffe zu einer starken Orientierung am Periodensystem. Auch bei der Bearbeitung der wichtigsten nichtmetallischen Elemente erscheint diese Vorgehensweise sinnvoll. In einem einführenden Kapitel über die Chemie einiger nichtmetallischer Elemente und deren Verbindungen, die als Werkstoffe oder Hilfsstoffe im Umfeld von Werkstoffen von Bedeutung sind, wird außerdem versucht, diverses chemisches Basiswissen und Stoffkenntnisse zu vermitteln, die als wichtige Vorbereitung der folgenden, stärker werkstoffspezifisch ausgerichteten, Kapitel beitragen sollen. Jedoch dürften die in diesem Kapitel in knapper Form dargebotenen Informationen in der Regel nur zur Auffrischung von chemischem Grundwissen dienen; mit wichtigen Grundlagen der allgemeinen, anorganischen und organischen Chemie sollte der Leser bereits vertraut sein. Zum besseren Verständnis von Redoxreaktionen und um klar herauszustellen, welches Element oxidiert bzw. reduziert wird, sind bei nahezu allen Redoxgleichungen die Oxidationszahlen über die betreffenden Elemente geschrieben. So weit der damalige, nahezu unveränderte, Text zur 1. Auflage. Im Vergleich zur 1. und 2. Auflage wurden viele Abschnitte überarbeitet und erweitert, das Literaturverzeichnis durch die Aufnahme zahlreicher aktueller Standardwerke erneuert, während die meisten der inzwischen nicht mehr lieferbaren, älteren Monographien in der Regel keine Berücksichtigung mehr finden. Ferner wurde in der vorliegenden Auflage die Orthografie im Wesentlichen den Empfehlungen zur neuen Rechtschreibreform angepasst.

6 2 Vorwort Wieder einmal schulde ich Herrn Dipl.-Chem. Dr. Siegfried Potthoff, der dieses Buch seit der 1. Auflage begleitet hat, großen Dank für die überaus sorgfältige Durchsicht des Manuskripts und seine kritischen Anmerkungen. Ein herzliches Dankeschön geht an Frau Dipl.-Ing. (FH) Heike Kitzig, die ebenfalls bereits bei der 1. Auflage mit Rat und Tat zur Stelle war, wenn es Hard- oder insbesondere Softwareprobleme gab, und mir auch diesmal bei diversen Schwierigkeiten während der textlichen Fertigstellung des Buches sehr geholfen hat. Für die gute Zusammenarbeit und ihre großzügige Kooperationsbereitschaft gebührt Frau Lektorin Kerstin Hoffmann vom Springer Vieweg Verlag ein spezieller Dank. Ferner möchte ich mich bei den Leserinnen und Leser bedanken, die mir in den letzten zwei Jahrzehnten mit ihrer sachlichen Kritik und ihren Verbesserungsvorschlägen geholfen haben, einige Fehler in den bisherigen Auflagen zu beseitigen. Und natürlich vielen Dank an meine Familie für ihre Rücksichtnahme während der Bearbeitung und Fertigstellung dieser Auflage. Villingen-Schwenningen, im Mai 2014 Horst Briehl Verzeichnis spezieller Abkürzungen HG: Hauptgruppe HT: Hochtemperatur HTK: Hochtemperaturkorrosion l: liquid LM: Lösungsmittel Me: Metall NG: Nebengruppe Ph: Phenylgruppe PSE: Periodensystem der Elemente RMM: Relative molare Masse RT: Raumtemperatur ~ : Umlagerung

7 Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Werkstoffspezifische Chemie und Anwendungen einiger nichtmetallischer Elemente Wasserstoff Edelgase Halogene Chalkogene Nichtmetalle der V. Hauptgruppe Nichtmetalle der IV. Hauptgruppe Kohlenstoff Metallische Werkstoffe Einführung Allgemeine Eigenschaften der Metalle Haupt- und Nebengruppenmetalle Vorkommen Prinzipielle Verfahren zur Gewinnung der Rohmetalle Cyanidlaugerei Reduktion der Metalle aus Erzen Reduktion mit Kohlenstoff Reduktion mit Wasserstoff Reduktion mit unedlen Metallen Elektrolytische Reduktion Hauptgruppenmetalle Alkalimetalle Erdalkalimetalle Bindebaustoffe Wasserhärte Metalle der III. Hauptgruppe des PSE Bor Aluminium Gallium, Indium und Thallium Metalle der IV. Hauptgruppe des PSE Silicium Germanium... 56

8 4 Inhaltsverzeichnis Zinn Blei Metalle der V. Hauptgruppe des PSE Arsen Antimon Bismut Metalle der VI. Hauptgruppe des PSE Selen und Tellur Nebengruppenelemente Metalle der I. Nebengruppe (Kupfergruppe) Kupfer Silber Gold Metalle der II. Nebengruppe (Zinkgruppe) Zink Cadmium Quecksilber Metalle der III. Nebengruppe (Scandiumgruppe) Yttrium und Lanthan Lanthanoide Actinoide Metalle der IV. Nebengruppe (Titangruppe) Titan Zirconium Hafnium Metalle der V. Nebengruppe (Vanadiumgruppe) Vanadium Niob und Tantal Metalle der VI. Nebengruppe (Chromgruppe) Chrom Molybdän Wolfram Metalle der VII. Nebengruppe (Mangangruppe) Mangan Rhenium Metalle der VIII. Nebengruppe Eisen... 92

9 Inhaltsverzeichnis Cobalt Nickel Ruthenium Osmium Rhodium Iridium Palladium Platin Korrosion von Metallen Einführung Chemische Korrosion Elektrochemische Korrosion Sauerstoffkorrosion Säure- oder Wasserstoffkorrosion Kontaktkorrosion Korrosion von Eisen (Rostvorgang) Hochtemperaturkorrosion (HTK) metallischer Werkstoffe Ursachen der Hochtemperaturkorrosion Auswirkungen der Hochtemperaturkorrosion Erscheinungsformen der Korrosion Ebenmäßige Korrosion Lochfraßkorrosion Spaltkorrosion Interkristalline Korrosion Selektive Korrosion Spannungsrisskorrosion Schwingungsrisskorrosion Verschleißkorrosion Mikrobiologische Korrosion Korrosionsprodukte Korrosionsschutz Passiver Korrosionsschutz Metallische Schutzschichten Nichtmetallische Schutzschichten Aktiver Korrosionsschutz Kathodischer Korrosionsschutz Inhibitoren

10 6 Inhaltsverzeichnis 6 Kunststoffe Einführung wichtige Begriffe und Definitionen Herausragende Eigenschaften von Kunststoffen Chemie der Herstellung von Kunststoffen Polyreaktionen Polymerisationen Radikalische Polymerisationen Koordinative Polymerisation (Polyinsertion) Ionische Polymerisationen Polykondensationen Polyamide Polyester Polysiloxane (Silicone) Melamin-Formaldehyd-Kunstharze (MF) Phenol-Formaldehyd-Kunstharze (PF) Polyadditionen Polyurethane (PUR) Epoxidharze (EP) Spezielle Polyreaktionen Ringöffnende metathetische Polyreaktion ( ROMP-Reaktion ) Struktureller Aufbau und allgemeine Eigenschaften Kristallinitätsgrad Temperatureinfluss Glasübergangstemperatur T g Schmelztemperatur T m Zersetzungstemperatur T z Einfluss der chemischen Struktur auf einige physikalische Eigenschaften ausgewählter Kunststoffe PE-LD und PE-HD Polypropylen (PP) Polystyrol (PS) cis- und trans-1,4-polybutadiene (BR) Polyamide (PA) Abhängigkeit der Glasumwandlungstemperatur T g von der chemischen Struktur Einfluss der relativen molaren Masse Einfluss der Größe des Substituenten Einfluss der Polarität des Substituenten

11 Inhaltsverzeichnis Einfluss der Kettensteifigkeit Isomerieeinflüsse Klassifizierung der Kunststoffe nach ihrem thermischmechanischen Verhalten Thermoplaste Elastomere Duroplaste Vernetzung und Vulkanisation Vernetzung Vulkanisation Werkstofftechnisch wichtige Kunststoffe Kurzzeichen von Kunststoffen Standard- und technische Kunststoffe Standard- bzw. Massenkunststoffe Technische Kunststoffe Spezialkunststoffe Hochtemperaturbeständige Kunststoffe Elektrisch leitfähige und andere spezielle Kunststoffe Klebstoffe Alterung und chemischer Abbau von Kunststoffen Einführung Schädigungen durch Wärmeeinwirkung Verflüchtigung von Additiven Depolymerisation Kettenfragmentierungen Thermischer Abbau durch Pyrolyse und Verbrennung Schädigungen durch Sauerstoff Schädigungen durch Ozon Schädigungen durch elektromagnetische Strahlung Schädigungen durch Chemikalien Löslichkeit Einwirkung von Säuren und Laugen Hydrolyse Keramische Werkstoffe Einteilung und Eigenschaften keramischer Werkstoffe Silicatkeramik Einteilung silicatkeramischer Werkstoffe nach physikalischen Eigenschaften

12 8 Inhaltsverzeichnis Porzellan Einzelne Silicate Oxidkeramik Einfache Oxide Aluminiumoxid Zirconiumdioxid Magnesiumoxid Berylliumoxid Titan-, Thorium- und Urandioxid Mehrkomponentige Oxide Ferrite Titanate PZT-Keramik Keramische Hochtemperatursupraleiter Nichtoxidkeramik Carbidkeramik Siliciumcarbid Borcarbid Übergangsmetallcarbide Wolframcarbid Titancarbid Tantalcarbid Chrom- und Molybdäncarbid Eisencarbid, Aufkohlung (Carburieren) Nitridkeramik Siliciumnitrid Bornitrid Aluminiumnitrid Übergangsmetallnitride Titannitrid Zirconium-, Hafnium-, Niob- und Tantalnitrid Boridkeramik Titandiborid Zirconiumdiborid und andere Boride Silicidkeramik Molybdändisilicid Wolframdisilicid

13 Inhaltsverzeichnis Cermets Gläser Einführung Oxidgläser Kieselglas Normalglas Borosilicatgläser Bleigläser Wasserglas Phosphatgläser Germanat-, Arsenit- und Telluritgläser Fluorid- und Chalkogenidgläser Metallische Gläser Organische Gläser Farbgläser Entfärbung Färbung mit Übergangsmetalloxiden Anlauffärbung Färbung durch Metallkolloide Trübgläser Strahlenschutzgläser Wärmeschutzgläser Schutzgläser gegen ionisierende Strahlung Photochrome Gläser Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis