2. Grundbegriffe 2.1 Zum Stoffbegriff Heterogene Stoffe Homogene Stoffe 2.2 Zustände und Zustandsänderungen Die Aggregatzustände

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1 2. Grundbegriffe 2.1 Zum Stoffbegriff Heterogene Stoffe Homogene Stoffe 2.2 Zustände und Zustandsänderungen Die Aggregatzustände Phasendiagrame einkomponentiger Systeme

2 Stoff Ein Sammelbegriff für Materie mit gleichen Eigenschaften abgesehen von Größe und Gestalt. Tonwaren Gold Porzellan Alkohol Schwefel Säuren Rosenwasser Weißer Phosphor Magnesium Stickstoff Sauerstoff Natrium Zink Luft Glaubersalz Kohle Soda Pottasche

3 Einteilung von Stoffen Heterogene Stoffe Ein Stoff aus mehreren Phasen, d.h. es sind Phasengrenzflächen vorhanden Homogene Stoffe Einphasiger Stoff, d.h. in sich völlig homogen mit vom Ort unabhängigen Eigenschaften Stoffe Homogene Stoffe Heterogene Stoffe

4 Gestein (Granit) Gestein Phasen (Minerale) Feldspat Biotit Quarz

5 Legierung (Mg 40 Pd 60 ) Legierung Phasen (Intermetalle) MgPd (50 At.-% Mg) Mg 5 Pd 2 (71.4 At.-% Mg) 0.2 mm

6 Einphasige Stoffe Mg 78 Pd mm Einphasige Legierung Einkristall Si

7 System Ein System ist ein Teil des Universums, der zur Untersuchung ausgesucht wurde. Der Rest des Universums heißt dann Umgebung. Phase Ein physikalisch homogener und durch eine Oberfläche begrenzter Teil eines Systems. Dieser ist somit vom Rest des Systems mechanisch separierbar.

8 Beispiele für ein- und mehrphasige Stoffe Einphasige Stoffe Fest (Eis) Flüssig (Wasser) Gasförmig (Wasserdampf) Mehrphasiges System Eis/Wasser Eis/Wasserdampf Wasser/Wasserdampf Eis/Wasser/Wasserdampf

9 Die Aggregatzustände gasförmig sublimieren resublimieren verdampfen kondensieren fest schmelzen erstarren flüssig

10 Aufheizkurve von reinem Wasser Temperatur T Siedepunkt K P 100 C 0 C flüssig + gasförmig gasförmig Schmelzpunkt F P fest fest + flüssig flüssig Zeit

11 Phasendiagramm des Wassers (schematisch) Druck / Pa 1013 hpa Eis (s) Kritischer Punkt T k = 374 C P k = kpa fl. Wasser (l) Tripelpunkt T Tr. = 0.01 C Sublimationskurve Schmelzkurve Dampfdruckkurve P Tr. = Pa Wasserdampf (g) Temperatur / C

12 Phasendiagramm von Kohlendioxid 76.3 bar CO 2 (l) Krit. Punkt CO 2 (s) Druck 5.03 bar Triplepunkt und Schmelzpunkt CO 2 (g) bar Sublimation C C Temperature 31 C

13 Trockeneis Sublimation von TE in Wasser

14 Komponenten eines Systems Komponenten eines Systems sind die kleinste Anzahl von unabhängig variablen chemischen Konstituenten, die notwendig und ausreichend sind die Zusammensetzung jeder Phase des Systems in jedem Gleichgewichtszustand zu beschreiben. - unär eine Komponente - binär zwei Komponenten - ternär drei Komponenten - quaternär vier Komponenten - quinternär fünf Komponenten

15 Phasendiagramm Phasendiagramm ist eine geometrische Darstellung der Orte thermodynamischer Parameter eines Gleichgewichtszustands unterschiedlicher Phasen unter festgelegten Bedingungen. Intensive Variable Temperatur, T Druck, p Extensive Variable Entropie, S Volume, V Chemische Potential, i Anzahl Mole von of i, n i

16 2. Grundbegriffe 2.3 Der gasförmige Zustand Gesetz von Boyle-Mariotte Gesetze von Gay-Lussac 2.4 Der flüssige Zustand 2.5 Der feste Zustand Der kristalline Zustand Die 14 Bravais-Gitter Der Glaszustand

17 Das Teilchenmodell gasförmig ungeordnet fest - kristallin ferngeordnet flüssig nahgeordnet

18 Der gasförmige Zustand ist weder form- noch volumenstabil weist eine geringe Dichte und hohe Kompressibilität auf ist in Näherung durch eine allgemeine Zustandsgleichung beschreibbar ist ein unordneter Zustand mit homogen und isotropen Verhalten

19 Boyle-Mariottsches Gesetz 3.5 P V = const. bei T = const 3.0 Druck p / 10 6 Pa Temperatur in K 800 K 500 K 300 K 100 K Robert Boyle Volumen V / 10 3 m 3

20 Gay-Lussacsches Gesetz p/t = const. bei V = const. V/T = const. bei p = const. Volumen in l l Druck p / 10 6 Pa Gay-Lussac 4 l 7 l 10 l 13 l 17 l 20 l Temperatur T / K

21 Halogene CHLOR BROM IOD Copyright: T. Seilnacht

22 Ideales Gas Thermische Zustandsgleichung eines idealen Gases: pv = nrt für 1 mol Gas: pv m = RT R ist die Gaskonstante: R = 8, J mol 1 K 1 = 0,0876 L atm K 1 mol 1

23 Der flüssige Zustand ist nicht formstabil aber volumenstabil weist eine hohe Dichte und geringe Kompressibilität auf ist nicht durch eine allgemeine Zustandsgleichung beschreibbar ist ein unordneter Zustand einphasige Flüssigkeiten sind homogen und isotrop Nahordnung ist möglich

24 Flüssiger Stickstoff Verwendung: Kühlmittel in Medizin und Technik Foto mit freundlicher Genehmigung der Gebr. Gloor AG Pb

25 Simulation der Erstarrung von flüssigem NaCl 0 ps 40 ps 50 ps 52 ps 60 ps 55 ps F p (NaCl) = 808 C, 540 Teilchen bei 837 C, 1013 hpa

26 Der feste Zustand ist form- und volumenstabil weist eine hohe Dichte und geringe Kompressibilität auf ist nicht durch eine allgemeine Zustandsgleichung beschreibbar Kristalle sind ferngeordnet mit homogenen und anisotropen Verhalten Gläser beschreiben einen unordneten Zustand mit homogenen und isotropen Verhalten; Nahordnung ist möglich

27 Der kristalline Zustand Elementarzelle + Basis Gitter + Basis

28 Die Kristallstruktur des NaCl 281 pm NaCl 6/6 Na +1 Cl -1

29 Kristallstruktur des Aluminium m m m a = m

30 Die 14 Bravais-Gitter

31 c a b Kristallographisches Achssystem

32 Bravai-System Bravais-Typ Restriktionen der Metrik kubisch primitiv (cp) a = b = c, = = = 90 innenzentriert (ci) flächenzentriert (cf) hexagonal hexagonal (hp) a = b c, = = 90, = 120 rhomboedrisch rhomboedrisch (hr) a = b c, = = 90, = 120 tetragonal primitiv (tp) a = b c, = = = 90 innenzentriert (ti) orthorhombisch primitiv (op) a b c, = = = 90 innenzentriert (oi) C-zentriert (oc) flächenzentriert (of) monoklin primitiv (mp) a b c, = = 90, C-zentriert (mc) triklin triklin (ap) a b c,

33 Kristallstruktur des Quarz Kristallographische Daten Formel Si O 2 Z 3 Kristallsystem trigonal Bravaissystem hexagonal primitiv Raumgruppe P (Nr. 154) Gitterparameter a = Å c = Å Zellvolumen V = Å 3 Atomlagen Aufsicht Atom Wyck. x y z Si1 3a (20) O1 6c (40) (40) (20)

34 Der feste Zustand ist form- und volumenstabil weist eine hohe Dichte und geringe Kompressibilität auf ist nicht durch eine allgemeine Zustandsgleichung beschreibbar Kristalle sind ferngeordnet mit homogenen und anisotropen Verhalten Gläser beschreiben einen unordneten Zustand mit homogenen und isotropen Verhalten; Nahordnung ist möglich

35 Was ist Glas? Der Glaszustand Volumen Flüssigkeit unterkühlte Flüssigkeit schnell abgekühltes Glas langsam abgekühltes Glas Fiktive Temperatur Kristall Schmelztemperatur Temperatur

36 / 2 Diffractometer STOE STADI MP Bragg-Brentano Modus, Flachpräparat

37 Der Glaszustand STOE Powder Diffraction System λ = m Absolute Intensity Quarz SiO Quarzglas - SiO Theta

38 Was ist Glas? Die Struktur von Glas SiO 2 kristallin SiO 2 glasartig

39 Ausdehnungskoeffizient von Glas Rasotherm - Glas Quarz- Glas

40 Was ist Glas? Chemische Einteilung der Gläser Quarzglas SiO 2 (aus Sand) Kalknatronglas 71-75% SiO 2 (aus Sand) 12-16% Na 2 O (aus Soda) 5-15% CaO (aus Kalk) Bleiglas 54-67% SiO 2 (Sand) 5-38% PbO (Bleiweiß) 5-15% Na 2 O (aus Soda), 5-15% K 2 O (aus Pottasche) Borosilicatgläser 70-80% SiO 2 (Sand) 7-13% B 2 O 3 (aus Borax) 4-8% Na 2 O (aus Soda) 4-8% K 2 O (aus Pottasche) 2-7% Al 2 O 3 (aus Pottasche) Spezialglas SiO 2 (aus Sand) und weiteren Elementen des PSE

41 Was ist Glas? Wichtige Rohstoffe für die Glasherstellung SiO 2 Sand Siliciumdioxid, Quarz Na 2 CO 3 10H 2 O Soda Natriumcarbonat K 2 CO 3 Pottasche Kaliumcarbonat Na 2 SO 4 Glaubersalz Natriumsulfat CaCO 3 Kalk Calciumcarbonat MgCO 3 Magnesit Magnesiumcarbonat Al 2 O 3 Tonerde Aluminiumoxid NaAlSi 3 O 8 Feldspat Albit PbO Bleiglätte Blei(II)-oxid Pb 3 O 4 Menninge Blei(II,III)-oxid Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 8H 2 O Borax Natriumtetraborat

42 Schmelz-Spin Verfahren zur Herstellung metallischer Gläser Ar pressure Ta-nozzle melt induction coil metallic ribbon copper wheel

43 Einteilung von Stoffen Stoffe Homogene Stoffe Heterogene Stoffe Gemische oder Lösungen Reinstoffe Verbindungen Elemente

44 Definitionen Heterogene Stoffe bestehen aus mehreren Phasen, d.h. es sind Phasengrenzflächen vorhanden Homogene Stoffe sind einphasige Stoffe, d.h. in sich völlig homogen mit vom Ort unabhängigen Eigenschaften Chemische Elemente Stoffe, die sich durch chemische Reaktionen nicht weiter in einfachere Stoffe auftrennen lassen. Verbindung Bezeichnung für homogene reine Stoffe, die mindestens aus zwei unterschiedlichen Elementen bestehen Reinstoff Element oder Verbindung Gemische oder Lösungen Homogene Stoffe, die sich mit Hilfe physikalischer Trennmethoden in Reinstoffe zerlegen lassen

45 Einteilung heterogener Stoffe fest fest fest flüssig fest gasförmig flüssig flüssig flüssig gasförmig Gemenge Suspension Rauch oder Gasstein Emulsion Nebel oder Schaum

46 Stoffe - Beispiele Stoff homogen Aggregatzustand Bezeichnung Gold + fest Reinstoff: Element Methan + gasf. Reinstoff: Verbindung Kochsalz + fest Reinstoff: Verbindung Schaum - flüssig gasf. Schaum Granit - fest fest Gemenge Rauch - fest gasf. Rauch Luft + gasf. G emisch: Gas - Gas Nebel - gasf. - flüssig Nebel Wasser + flüssig Reinstoff: Verbindung Kochsalzlös. + flüssig Lösung: Festst. - Flüss. Bimsstein - fest -gasf. Gasstein Alko. -Wass. + flüssig Gemisch: Flüss. - Flüss. Sauerstoff + gasf. Reinstoff: Element Kalkmilch - fest - flüssig Suspension Messing + fest Gemisch: Feststoff - Festst. Quecksilber + flüssig Reinstoff: Element Milch - flüssig - flüssig Emulsion

47 Trennung von Diamant und Gestein Fördern des Gesteins: 43 Mio. t/a an Kimberlit in Südafrika in 1977 Brechen des Gesteins bis auf 30 mm Durchmesser Grobtrennen vom leichten Gestein z. B. durch float and sink Feintrennung des Diamanten vom Restgestein mit Fettherden und durch Aussortieren mit Röntgenstrahlen Ausbeute ca. 0,1 g/t Diamant bzw. 1 kg auf t Gestein bei Weltproduktion ca. 20 t/a Aussortieren mit Hilfe von Röntgenstrahlen Typische Diamantenmine und einige Rohdiamanten

48 Das Periodensystem der Elemente 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba La-Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra Ac-Lr 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 77 Metalle 8 Halbmetalle 18 Nichtmetalle

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