Chemie für die Galvanotechnik und Oberflächentechnik

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1 LEHRBUCHREIHE GALVANOTECHNIK Chemie für die Galvanotechnik und Oberflächentechnik Dr. rer. nat. Reinhold Hoffmann Dr.-Ing. habil. Jürgen Unruh 1. Auflage mit 151 Abbildungen und 74 Tabellen Fachverlag für Oberflächentechnik - Galvanotechnik Produktion von Leiterplatten und Systemen (Baugruppentechnik) ИШДЖ1 EUGEN G. LEUZE VERLAG BAD SAULGAU GERMANY

2 Inhaltsverzeichnis 1 Stoffe, Atome, Moleküle und chemische Verbindungen Stoffe Physikalische Vorgänge und chemische Reaktionen Zustandsformen der Stoffe (Materie) Chemie Chemische Elemente Namen und Symbole der chemischen Elemente Atome Atombausteine Atomaufbau der chemischen Elemente Periodensystem der Elemente (PSE) Beziehungen zwischen dem Aufbau des Periodensystems der Elemente (PSE) und den Eigenschaften der Elemente Aufbau der Elektronenhülle der Atome; Modelle Stabilität der Atome Beziehungen zwischen dem PSE und dem Aufbau der Elektronenhülle Atomdurchmesser (Atomradien) Moleküle - Chemische Verbindungen Gemenge - Verbindung; Luft und Wasser Chemische Formeln Benennung von chemischen Verbindungen, die in der Galvanotechnik häufig auftreten Atommassen Absolute Atommasse Relative Atommasse - Relative Molekülmasse 61 2 Stoffmengen Stoffmengeneinheit Mol Molare Masse Molares Volumen; Dichte Lösungen Dispersionen und spezifische Oberfläche Echte Lösungen (molekular- und ionendisperses System) 71

3 8 Inhaltsverzeichnis Kolloidale Lösungen (kolloidales System) Suspension (grobdisperses System) Löslichkeit Gehaltsangaben Größen und Einheiten nach DIN (Juli 1989) Gegenüberstellung der Größen und Einheiten Bisherige Bezeichnungen Dichte Mischungen; Elektrolytansatz 84 3 Bildung von Ionen aus Atomen Ladungszahl Ionisierungsenergie Oxidationszahl Stabile Oxidationsstufen von Nebengruppenelementen 95 4 Chemische Bindung Ionenbindung Atombindung (kovalente Bindung; Elektronenpaarbindung) Elektronegativität Polare Atombindung Wasserstoffbrückenbindung Van der Waalssche Bindung Metallbindung Komplexverbindungen (koordinative Bindung) Nichtmetallkomplexverbindungen Metallkomplexverbindungen Beziehungen zwischen den Hauptbindungsarten und den Eigenschaften chemischer Verbindungen Verbindungen mit lonenbindungscharakter Verbindungen mit Atombindungscharakter Verbindungen mit Metallbindungscharakter Intermetallische Verbindungen Kristallaufbau elektrochemisch abgeschiedener Niederschläge Chemische Reaktionen (Allgemeines) Reaktionsgleichungen Stöchiometrische Grundgesetze Chemisches Gleichgewicht Anwendungendes Massenwirkungsgesetzes (MWG) Reaktionsbedingungen Reaktionswärme Reaktionsgeschwindigkeit 153

4 Inhaltsverzeichnis Aktivierungsenergie Katalyse - Katalysatoren Inhibitoren - Passivatoren - Stabilisatoren Anorganische Chemie Anorganische und organische Stoffe Metalle Eigenschaften der Metalle Galvanisch abscheidbare Metalle Metalle der ersten Nebengruppe des Periodensystems (Kupfergruppe) Kupfer (ehem. Symbol: Cu) Silber (ehem. Symbol: Ag) Gold (ehem. Symbol: Au) Die Metalle der zweiten Nebengruppe (Zinkgruppe) Zink (ehem. Symbol: Zn) Cadmium (ehem. Symbol: Cd) Quecksilber (ehem. Symbol: Hg) Die Metalle der achten Nebengruppe Eisen (ehem. Symbol: Fe) Cobalt (ehem. Symbol: Co) Nickel (ehem. Symbol: Ni) Ruthenium (ehem. Symbol: Ru) Rhodium (ehem. Symbol: Rh) Palladium (ehem. Symbol: Pd) Osmium (ehem. Symbol: Os) Iridium (ehem. Symbol: Ir) Platin (ehem. Symbol: Pt) Chrom (ehem. Symbol: Cr) Die Metalle der vierten Hauptgruppe Zinn (ehem. Symbol: Sn) Blei (ehem. Symbol: Pb) Die Metalle der fünften Hauptgruppe Arsen (ehem. Symbol: As) Antimon (ehem. Symbol: Sb) Bismut (früher Wismut), (ehem. Symbol: Bi) Die Metalle der dritten Hauptgruppe Aluminium (ehem. Symbol: Al) Indium (ehem. Symbol: In) Thallium (ehem. Symbol: Tl) Die restlichen Metalle Alkalimetalle (1. Hauptgrappe) Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe) Übergangsmetalle 245

5 10 Inhaltsverzeichnis 6.3 Die Hauptgruppenelemente und ihre Verbindungen Hauptgruppe, einschließlich Wasserstoff und Ammonium Hauptgruppe Hauptgruppe Hauptgruppe Hauptgruppe Hauptgruppe Die Elemente der 7. Hauptgruppe Fluor (ehem. Symbol: F) Chlor (ehem. Symbol: Cl) Brom (ehem. Symbol: Br) Iod (ehem. Symbol: I) Chemie und Technologie des Wassers Anorganische Werkstoffe Abscheidungsverfahren für anorganische Werkstoffe PVD-Verfahren CVD-Verfahren Sol-Gel-Verfahren Oxide Physikalische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Verwendung/Herstellung Thermische Verfahren Chemische Verfahren Brünieren von Stahl (DIN 50938) Chemische Oxidschichten Elektrochemische Verfahren PVD-Verfahren CVD-Verfahren Verwendung als disperse Phase in Dispersionsschichten Verwendung als Schleifmittel/Strahlmittel Carbide und Kohlenstoff (Darstellung/Beschichtungsverfahren) Physikalische und chemische Eigenschaften Carbidbildungsreaktionen DLC-Beschichtung (diamond-like carbon) Modifikationen des Kohlenstoffes Abscheidungsmöglichkeiten von DLC-Schichten Eigenschaften von DLC-Schichten Nitride Darstellung/Beschichtungsverfahren Verbundwerkstoffe 301

6 Inhaltsverzeichnis Beschichten von Verbundwerkstoffen Mehrfachschichtsysteme Hybridschichtsysteme Sandwichschichten Dispersionsschichten Schichtmaterialien Funktionen und Abscheidungsbedingungen Elektrolyte Elektrolytische Dissoziation Dissoziationsgrad Dissoziationsgleichgewicht Osmotischer Druck; Umkehrosmose Ionenaktivität Leitfähigkeit Reaktionsarten in der Galvanotechnik Fällungsreaktionen Löslichkeitsprodukt Ligandenaustauschreaktionen Säure-Base-Reaktionen Säuren-Basen, Definitionen und Begriffe Einteilung der Säuren und Basen nach Brensted und Lowry Autoprotolyse des Wassers (Umkehrbare Protonenübergänge) Ionenprodukt des Wassers ph-wert Abstumpfen und Puffern Weitere Säure-Base-Theorien Oxidation - Reduktion (Redoxreaktionen) Oxidationsmittel und Reduktionsmittel Ermittlung der Oxidationszahlen Organisehe Chemie Kohlenwasserstoffe Aromatische Kohlenwasserstoffe Alkohole Aldehyde Ketone Carbonsäuren Ester und Ether Stickstoffhaltige Verbindungen Schwefelhaltige Verbindungen Heterocyclische Verbindungen Fette 383

7 12 Inhaltsverzeichnis 9.12 Oberflächenaktive Stoffe (Tenside) Farbmittel Farbstoffklassen Kunststoffe Anodische Oxidation und kathodische Reduktion organischer Stoffe Wirkung von Zusätzen Elektrochemische Vorgänge Elektrodenreaktionen ohne äußere Stromquelle Daniell-Element (stellvertretend für Galvanische Elemente) Spannungsreihen Nernstsche Gleichung Abhängigkeit des Standardpotenzials von der Konzentration (Aktivität) Berechnung der Zellenspannung (EMK) eines galvanischen Elementes Elektrometrische ph-messung Korrosion Bildung von Schutzschichten durch Oxidation des Grundmetalls Zerstörung von Schutzschichten (elektrochemische Korrosion) Überspannung und Polarisation Arten der Polarisation Messung der Polarisation und Überspannung Wasserstoffüberspannung Ionenwanderung und Überführung Spannungsverhältnisse bei der Elektrolyse Spannungsarten Metallabscheidung mit äußerer Stromquelle (Elektrolyse) Anodenreaktionen während der Elektrolyse Kathodenreaktionen während der Elektrolyse Gleichzeitige Abscheidung verschiedener Ionen Faradaysche Gesetze Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle Stromlose Metallabscheidung Umweltauswirkungen Arbeitsplatzgrenzwerte Emission in die Luft und Immissionsschutz Abwasser und Gewässerschutz Boden-und Gewässerschutz; Altlasten Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) Begriffe Informationsbeschaffung 500

8 Inhaltsverzeichnis Gefährdungsbeurteilung Brand-und Explosionsgefahren ( 12) Sonstige gefährliche Eigenschaften Schutzstufenkonzept ( 7 Abs. 9 und 10 sowie 8 bis 11) Schutzstufe 1( 7 Abs. 9 und 8) Schutzstufe 2 ( 7 Abs. 10 und 9) Schutzstufe 3 ( 10) Schutzstufe 4 ( 11) Gefahrstoffverzeichnis ( 7, Abs. 8) Betriebsanweisung/Unterweisung ( 14) Weitere Änderungen Literatur Analytik in der Galvanotechnik Gruppenreaktionen von Schwermetallen Analytisch wichtige Einzelreaktionen Eisen (Fe) Cadmium (Cd) Zink(Zn) Nickel (Ni) Chrom (Cr) Kupfer (Cu) Silber (Ag) Gold (Au) Blei(Pb) Quantitative Analyse Gravimetrische Verfahren (Gravimetrie) Elektrogravimetrie Säure/Base-Titration (Neutralisationsreaktionen) Redoxtitration (Oxidimetrie) Fällungstitration (Fällungsreaktion) Komplexometrische Titration (Komplexometrie) Umweltanalytik Alphabetisches Nachschlageverzeichnis (Begriffe, die mit и versehen wurden) Tabellenanhang Weiterführende Literatur Stichwortverzeichnis 573