2.4 Metallische Bindung und Metallkristalle. Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nicht metalle. Li Be B C N O F. Na Mg Al Si P S Cl

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1 2.4 Metallische Bindung und Metallkristalle Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Ga Ge As Se Br Rb Sr In Sn Sb Te I Cs Ba Tl Pb Bi Po At Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nicht metalle Metalle etwa 4/5 aller Elemente, alle Nebengruppenelemente! Eigenschaften an Existenz großer Atomverbände (Kristalle) gebunden geringe Ionisierungsenergie

2 Zinn und Phosphor 13,2 C β-zinn α-zinn silberweißes, graues, halbmemetallisches tallisches Zinn Zinn (Pulver) ρ = 7,286 g/cm 3 ρ = 5,769 g/cm 3 langsame Umwandlung Zinnpest Phosphor (schwarz) Schichtstruktur, Halbmetall p p Phoshor (weiß) Phosphor (violett) P 4, Nichtmetall Schichtstruktur, NM T Phosphor (rot) Übergangszustand, NM T T Zinnpest

3 Elektronengasmodell (Paul Drude, Hendrik A. Lorentz, 1900) Valenzelektronen bewegen sich frei zwischen den Atomrümpfen (Elektronengas) Positiv geladene Atomrümpfe werden durch Elektronengas zusammengehalten, Anordnung im Kristallgitter Erklärung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie des metallischen Glanzes Elektronengas

4 Bänder-Modell Metalldampf Metallkristall E N äquivalente Atom- Energieband des Metallorbitale der Atome kristalls aus N Atomen

5 E Energiebänder des Berylliums 2p 2s 1s N Berylliumatome 1s 2 2s 2 2p-Band 2s-Band Verbotene Zone 1s-Band Metall aus N Beryllium-Atomen Überlappungsbereich des 2s- und 2p-Bandes Besetzung von Energieniveaus beider Bänder (nach dem Pauli-Prinzip) unterstes unbesetztes Band: Leitungsband oberstes besetztes Band: Valenzband N s-orbitale der Atome bilden ein s-band mit N Energieniveaus, N p-orbitale bilden ein p-band mit 3 N Energieniveaus Nur sehr geringe Energieunterschiede zwischen den einzelnen Energieniveaus eines Bandes

6 Elektrische Leitung Metall Metall Isolator Halbleiter Verbotene Zone - - Leitungsband Na Mg C Diam. Si, Ge Valenzband Metalle: keine Bandlücke Überlappung von Valenz- und Leitungsband, Elektronenbewegung in unbesetzten Energieniveaus des Valenz- und Leitungsbandes möglich Isolatoren (Diamant): Bandlücke > 3 ev Voll besetztes Valenzband durch breite verbotene Zone vom Leitungsband getrennt Halbleiter (Si, Ge): Bandlücke 0-3 ev Schmale verbotene Zone, thermische oder optische Anregung von Elektronen, Leitung danach auch in unbesetzten Energieniveaus des Valenzbandes möglich

7 p- und n-halbleiter Diamantstruktur von Silicium und Germanium - - Si Si

8 n-halbleiter (n - negativ) Dotierung von Si oder Ge mit Spuren von Elementen der V. Hauptgruppe (z. B. As) Dotierungsatom hat 5 Valenzelektronen - - As - Niveau Si As

9 p-halbleiter (p - positiv) Dotierung von Si oder Ge mit Spuren von Elementen der III. Hauptgruppe (z. B. In) Dotierungsatom hat 3 Valenzelektronen - - In - Niveau Si In

10 Kristallstrukturen In Metallen ordnen sich die gleich großen, einander berührenden "Kugeln" nach geometrischen Gesichtspunkten so dicht wie möglich an. Einzelne Schicht mit dichtest gepackten Kugeln Modell der dichtesten Kugelpackung (Packungsdichte 74 %), nächste Schicht auf den Lücken angeordnet Bildung tetraedrischer und oktaedrischer Hohlräume (Zwischengitterplätze

11 Mögliche dichteste Kugelpackungen durch Einbau einer dritten Schicht: Schichtfolgen: AB AB ABC ABC A C B B Hexagonal-dichteste Elementarzellen A Kugelpackung (A 3 -Typ) A Kubisch-dichteste Kugelpackung (A 1 -Typ)

12 Elementarzellen Hexagonal (Inhalt aus 2 hexagonalen Teilgittern) KZ 12 Hexagonal-dichteste Kugelpackung 6 Atome/Zelle Kubisch (F) a KZ 12 a 4 Atome/Zelle Kubisch-dichteste Kugelpackung

13 Einzelne Schicht, weniger dicht gepackt Elementarzelle kubisch (I) A A B Schichtfolge: AB AB a KZ 8 Modell der kubisch innenzentrierten Kugel- Kubisch packung (I) (Packungsdichte 68 %), nächste Schicht auf den Lücken angeordnet nur oktaedrische Hohlräume 2 Atome/Zelle Kubisch-innenzentrierte Kugelpackung (A 2 -Typ)

14 Eigenschaften von Metallkristallen - ungerichtete Bindungskräfte, identische Bausteine - wenige, geometrisch einfache Strukturen mit großen Koordinationszahlen KZ 12 (dichteste Kugelpackung) hexagonal Mg-Typ, Ti, Co, Zn kubisch (F) Cu-Typ, Ag, Au KZ 8 kubisch (I) W-Typ, Alkalimetalle, Cr, Fe - einzelne Metalle mit unterschiedlichen Modifikationen (Polymorphie), z. B. Fe > 911 C: Ferrit (I) Austenit (F) - metallischer Glanz, Undurchsichtigkeit - gute elektrische und thermische Leitfähigkeit durch freie Ladungsträger, Wärmeleitung ebenfalls durch Gitterschwingungen, elektrische Leitfähigkeit der Metalle nimmt mit steigender Temperatur ab (zunehmende Eigenbewegung der Atomrümpfe führt zum Anstieg des elektrischen Widerstands)

15 - unterschiedliche Schmelzpunkte, hohe Dichten - hohe Duktilität (plastisch verformbar, dehnbar), keine Abstoßungskräfte wie bei Ionenkristallen - Legierungsbildung (gegenseitige Ersetzbarkeit in Gittern) F

16 Legierungen Eutektische Legierungen In der Schmelze mischbare Kristalle kristallisieren in eigenen Kristalliten, metallische Bindung an den Korngrenzen, (Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si) Mischkristall-Legierungen Metalle sind auch im festen Zustand unbegrenzt ineinander löslich, gegenseitige Ersetzbarkeit im Metallgitter nach statistischer Verteilung bei chemischer Verwandtschaft, Kristallisation im gleichen Gittertyp und ähnlichen Atomradius (Cu-Ni, Ag-Au, Mo-W, α-fe-cr) Einlagerungs-Mischkristalle entstehen, wenn kleine (Nichtmetalle) Zwischengitterplätze des Wirtsgitters mit relativ großen Atomen besetzen (C in Fe, Ferrit max. 0,02 % C, Austenit max. 2,06 % C, H in Pd, Pt u. a. Metallen) T O

17 Intermetallische zwei oder mehr Metalle bilden im festen Zustand Verbindungen exakt stöchiometrische Verbindungen, Mischbindung (metallischer Bindungsanteil und geringere Atom- bzw. Ionenbindungsanteile), Gitterstrukturen unterscheiden sich von denen der konstituierenden Metalle (Unterschied zu Legierun -gen) (CuZn 3, Ni 3 Al, Mg 2 Sn)

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