1.1. Baustoffarten Atombau und Periodensystem

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1 1. Allgemeine Grundlagen 1.1. Baustoffarten 1.2. Atombau und Periodensystem 1.3. Chemische Bindungen

2 Betrachtungsebene der Baustoffe Submikroskopischer Bereich Atome (kleinste Bausteine der Stoffe) Chemische Elemente (abstrakte Atomarten) Moleküle (stabile Teilchen aus Atomen) Chemische Verbindungen (abstrakte Molekülarten) Formeleinheiten (abstrakte Struktureinheiten) Mikroskopischer Bereich Struktur der Teilchen Teilchenform (nadelig, faserig, tafelig u. a.) Phasenzustand (kristallin, glasig u. a.) Teilchengröße (fein-, mittel-, grobkörnig) Textur der Teilchenverbände (körnige Textur, Paralleltexturen u. a.) Makroskopischer Bereich Substanzen (reine Stoffe) Einelementsubstanzen (Eisen, Silicium, Sauerstoff u. a.) Mehrelementsubstanzen (Calciumcarbonat, Wasser u. a.) Stoffgemenge (Mischungen) Homogene Gemenge (Lösungen, Gasmischungen) Heterogene Gemenge (PZ-Rohmehl, Granit u.a.) Allgemeine Grundlagen

3 Optische Messgeräte und deren Messbereiche makroskopisch mikroskopisch Submikroskopisch Optische Lupe Mikroskop Auflösungsbereiche Ultramikroskop Elektronenmikroskop Dimensionen cm mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 1Å gegenwärtige Auflösungsgrenze 0,1 nm Allgemeine Grundlagen

4 Betrachtungsebenen Submikroskopischer Bereich Atome Fe Bindung Moleküle 0 = 0 Atombindung Mikroskopischer Bereich Teilchen nadelig, faserig Schmelzpunkt, Siedepunkt Partikel kristallin, kompakt Mikrogefüge Makroskopischer Bereich Substanzen Silicium, Eisen, Festigkeit, Calciumcarbonat Leitfähigkeit Kristallinität Stoffgemenge homogene Löslichkeit z.b. Lösungen heterogene Gefüge z.b. Granit, Beton Allgemeine Grundlagen

5 Verteilung der Oxide in der Erdrinde Al 2 O 3 14,4 M.-% H 2 O 8,1 M.- % Fe 2 O 3 6,7 M.- % SiO 2 52,2 M.-% CaO 4,8 M.- % Na 2 O 3,5 M.- % MgO 3,2 M.- % K 2 O 2,9 M.- % TiO 2 0,7 M.- % Rest 3,5 M.- % Allgemeine Grundlagen

6 Baustoffarten Baustoffarten Nichtmetallisch - anorganische Baustoffe Metallische Baustoffe Organische Baustoffe Verbundbaustoffe, sind mechanisch wirksame Kombinationen Gemengeverbunde Bewehrungsverbunde Schichtverbunde Baustoffarten

7 Atombau - Atome Elektronen, Protonen, Neutronen - Rutherford, Ernst (1911) Theorie des Atombaus fast gesamte Masse im Kern Kernladungszahl = Protonenzahl Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen, Ionen Größenverhältnis Kern zu Hülle wie Sandkorn: 10 m Durchmesser Schalenaufbau, stabil 8 er Schale 106 Elemente bekannt, 90 in Natur, 16 künstlich - Orbitaltheorie s-elektronen p-elektronen Kugeln Rotationsellipsoid Atombau und Periodensystem

8 Räumliche Darstellung einiger Atomorbitale Atombau und Periodensystem

9 Energiestufenfolge der Orbitale in der Elektronenhülle der Elemente Atombau und Periodensystem

10 Periodensystem der Elemente Atombau und Periodensystem

11 Einbaufolge der Elektronen beim Aufbau des PSE, Hauptgruppen Hauptgruppe I II III IV V VI VII VIII Bezeichnung Alkalimetalle Erdalkalimetalle Erdmetalle Kohlenstoffgruppe Stickstoffgruppe Chalkogene Halogene Edelgase Atombau und Periodensystem

12 Hybridisierung von Atomorbitalen beim Siliciumatom 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Grundzustand 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Angeregter Zustand 1s 2 2s 2 2p 6 3sp 3 Hybridzustand Atombau und Periodensystem

13 Bindungsarten - Atombindung Atombindung (kovalent, homöopolar) -gemeinsame Elektronenpaare -bei gleichen oder verschiedenen Atomen -Moleküle -Mehrfachbindungen C = C - ; - C = C -gerichtet auftretende Bindung -Koordinationszahl -Beispiele H 2 O 2 CH 4 C 2 H 4 a) s-s-σ-bindung; b) sp 3 -s-σ-bindung; c) p z p z -π -Bindung Atombau und Periodensystem

14 Elektronegativitäten nach Pauling I II III IV V VI VII H 2,1 Li Be B C N O F 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Na Mg Al Si P S Cl 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 K Ca Ga Ge As Se Br 0,8 1,0 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8 Rb Sr In Sn Sb Te J 0,8 1,0 1,7 1,8 1,9 2,1 2,5 Cs Ba Tl Pb Bi Po At 0,7 0,9 1,8 1,8 1,9 2,0 2,2 I = [ { ( ) }] 2 1 exp 0,25 x A x 100 B Atombau und Periodensystem

15 Polarisierte Atombindung polarisierte Atombindung (Atombindung mit teilweisem Ionencharakter) - Elektonegativität, gibt an wie stark das Atom Bindungselektronen antieht - Berechnung des Ionencharakters Differenz der Elektronegativitäten - < 1,7 vorwiegend Atombindung > 1,7 vorwiegend Ionenbeziehung Atombau und Periodensystem

16 Struktur des Wassermoleküls im Vergleich - Asymmetrische Ladungsverteilung = Dipolmolekül - Dielektrizitätskonstanten (bei 25 ) H 2 O 78 Ethanol 26 NH 3 15 Benzen 2,2 CH 4 0 Hexan 1,9 - Folgen: hohes Lösevermögen für polare Verbindungen z.b. Salze, Zucker u.a. Solvatation Hydratation Chemische Bindungen

17 Komplexverbindung Sonderfall der Atombindung beide Bindungselektronen stammen vom gleichen Bindungspartner koordinative Atombindung Komplexverbindung OH - Al ³ + H 2 0 Ligand Zentralatom z.b. Hydroxokomplexe [Al(OH) 6 ] 3- Aquokomplexe [Al(H 2 O) 6 ] 3+ Oxokomplexe SO 2-4 Nomenklatur H 2 SiF 6 Ca 3 [Al(OH) 6 ] 2 Hexafluorokieselsäure Tricalcium - bis (hexahydroxoaluminat) Chemische Bindungen

18 Ionenbeziehung Ionenbeziehung - elektrische Anziehung geladener Teilchen - Metallionen (Kationen) - Nichtmetallionen (Anionen)... - Na +. Cl Na + Cl Ionengitter ( KZ 6 NaCl 6 - Na 6 Cl- Oktaeder) - Dissoziation in Lösungen Chemische Bindungen

19 Natriumchlorid - Struktur Chemische Bindungen

20 Ladungsverteilung im Kochsalz-Kristall Ladungsverteilung im Kochsalz-Kristall Chemische Bindungen

21 Metallbindung Metallbindung - elektrische Anziehung freibeweglicher Elektronen und Metallionen (Rümpfe) - kristallines Metallgitter Elektronenabgabe Elektronengas - Energiebändermodell Energieniveaus werden als Bänder betrachtet, da Elektronen des gleichen Niveaus geringe Energieunterschiede aufweisen äußere Elektronen befinden sich im Valenzband Übergang ins Leitband = elektrische Leitfähigkeit überlappen Valenzband und Leitband nicht = Isolator Abstand gering = Halbleiter bei Energiezufuhr (Licht / Wärme) Chemische Bindungen

22 Bändermodell Bändermodell Leitungsband Leitungsband Energie Valenzband Valenzband Metall (z.b. Li, Na) Metall (z.b. Be, Mg) Raumkoordinate Leitungsband (leer) Energie Verbotene Zone 5,4 ev 1,17 ev Eigenhalbleiter (Si) Valenz- Band (gefüllt) Isolator (Diamant) Raumkoordinate Chemische Bindungen

23 Metallgitter - Energiebänder Chemische Bindungen

24 Bezeichnung Zwischenmolekulare Bindungskräfte Bindungsenergie E = Erläuterung der Symbole Dipol-Dipol-Kräfte Induktionskräfte Dispersionskräfte 6 µ 1µ 4 r 2 2αµ 6 r 2 3α I 6 4r 2 µ Dipolmoment r Abstand α Polarisierbarkeit I Ionisierungsenergie Chemische Bindungen

25 Bindungsfestigkeit - Bindungsenergien Bindungsenergien in kj/mol Si O 368 O H 465 Si Cl 360 O = O 402 Si H 318 H H 431 Si S 226 C H 368 Si Si 180 C O 297 Al O 364 C = O 640 Fe O 376 Ca O 564 Atom-, Ionen-, Metallbindungen kj/mol Wasserstoffbrückenverbindungen kj/mol Zwischenmolekulare Bindungen kj/mol Chemische Bindungen

26 Wertigkeit Stöchiometrische Wertigkeit Wertigkeitsarten Art der Angaben (Beispiele) I II H 2 O III I NH 3 II IV II Ca 2 SiO 4 Ionenwertigkeit SiO 4 4- Mg 2+ H 3 O + H H Bindungswertigkeit (Bindigkeit) Cl-Cl O H H-C-O-H H Oxidationszahl -1-2 ± H 2 O N 2 CaSiO 3 Chemische Bindungen