Chemische Bindungen und Materialeigenschaften

Die chemische Bindung

Die chemische Bindung ist die Kraft, die für die feste Verbindung zwischen Ionen, Atomen oder Molekülen in Substanzen verantwortlich ist.

Arten chemischer Bindungen

• Ionische Bindung: Tritt zwischen Elementen mit sehr unterschiedlicher Elektronegativität auf. Sie kommt häufig in Substanzen vor, die aus einem Metall (Elektronenabgabe) und einem Nichtmetall (Elektronenaufnahme) gebildet werden.
• Kovalente Bindung: Entsteht zwischen Atomen gleicher oder ähnlicher Elemente, meist Nichtmetalle.
• Metallische Bindung: Tritt in der Regel zwischen metallischen Elementen auf, da die Elektronen in ihrer äußeren Schicht miteinander kompatibel sind.

Gittertypen von Metallen

• Kubisch-raumzentriert: Die Atome besetzen die Mitte und die Ecken eines Würfels.
• Kubisch-flächenzentriert: Die Atome besetzen die Ecken und die Mitte der Flächen des Würfels.
• Hexagonal-dichtestgepackt: Die Atome besetzen die Ecken und die Mitte der Basis des Prismas.

Klassifizierung von Materialien

• Natürliche Materialien: Sind in der Natur vorhanden.
• Künstliche Materialien: Werden aus natürlichen Materialien gewonnen.
• Synthetische Materialien: Werden künstlich hergestellt.
• Keramische Materialien: Besitzen eine niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit und werden als Isolatoren verwendet. Sie sind hart, aber spröde.
• Metallische Materialien: Haben einen charakteristischen Glanz, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität. Sie sind nützlich in strukturellen Anwendungen.
• Kunststoffe: Bestehen aus langen Molekülketten (Polymere), die aus einfachen Molekülen (Monomere) gebildet werden. Sie haben eine geringe Leitfähigkeit und einen geringen Widerstand, aber eine gute Zähigkeit.
• Verbundwerkstoffe: Bestehen aus zwei oder mehr Materialien verschiedener Gruppen und haben viele Anwendungen.
• Materialien der neuesten Generation: Wurden chemisch oder strukturell verändert, um in Anwendungen eingesetzt zu werden, in denen unveränderte Materialien nicht sinnvoll waren. Dazu gehören Nanotechnologie, neue Biomaterialien und andere.

Physikalische Eigenschaften

• Ausdehnung: Die Fähigkeit eines Körpers, einen Teil des dreidimensionalen Raums einzunehmen und ein Volumen zu erwerben.
• Undurchdringlichkeit: Der Widerstand eines Körpers, von einem anderen durchdrungen zu werden und dessen Platz einzunehmen.
• Dichte: Das Verhältnis zwischen der Masse eines Materials und dem von ihm eingenommenen Volumen.
• Spezifisches Volumen: Der Kehrwert der Dichte.
• Spezifisches Gewicht: Das Verhältnis zwischen dem Gewicht eines Materials und dem von ihm eingenommenen Volumen.
• Elektrischer Widerstand: Der Widerstand, den ein Material dem Durchgang des elektrischen Stroms entgegensetzt. Er wird für ein Material mit einer Länge von 1 m und einer Querschnittsfläche von 1 m² gemessen.
• Elektrische Leitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, den elektrischen Strom durchzulassen. Materialien können sein:
  • Leiter: Geringer Widerstand, lassen Strom leicht durch.
  • Isolatoren: Sehr geringe Leitfähigkeit.
  • Dielektrika: Gute Isolatoren, die die Effizienz von Kondensatoren verbessern.
  • Halbleiter: Mittleres elektrisches Verhalten. Bei niedrigen Temperaturen sind sie Isolatoren, bei hohen Temperaturen Leiter.
  • Supraleiter: Sehr gute Leiter des elektrischen Stroms, die keine Energie in Form von Wärme verlieren.

Mechanische Eigenschaften

• Kohäsion: Die Kraft, die die Moleküle zusammenhält.
• Härte: Der Widerstand eines Körpers, von einem anderen durchdrungen zu werden.
• Elastizität: Die Fähigkeit, die ursprüngliche Form wiederzuerlangen, wenn die Ursache der Verformung wegfällt.
• Plastische Verformung: Die Fähigkeit, eine bleibende Verformung zu erfahren, ohne zu brechen.
• Duktilität: Die Fähigkeit, sich unter Zugspannung plastisch zu verformen und zu Fäden zu verlängern.
• Verformbarkeit: Die Fähigkeit, sich unter Druckspannung plastisch zu verformen und zu Blechen zu verbreitern.
• Zähigkeit: Die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, bevor ein plötzlicher Schlag zum Bruch führt.
• Sprödigkeit: Geringe Widerstandsfähigkeit gegen plötzliche Stöße.
• Ermüdung: Die Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Belastungen unterschiedlicher Größe.
• Resilienz: Die Fähigkeit, Energie im elastischen Bereich zu absorbieren, bevor ein Bruch eintritt.

Chemische Eigenschaften

• Oxidation: (trockene und warme Umgebung) Eine chemische Reaktion, bei der das oxidierte Element Elektronen an das oxidierende Element abgibt.
• Korrosion: (feuchte Umgebung) Die langsame, fortschreitende Zerstörung des Materials durch Sauerstoff und Feuchtigkeit. Arten der Korrosion:
  • Gleichmäßige Korrosion: Die Dicke des betroffenen Bereichs ist auf der gesamten Metalloberfläche gleich. Durch die Verringerung der Dicke des Werkstücks sinkt auch die mechanische Festigkeit.
  • Lokalisierte Korrosion: Führt zu Lochfraß, Löchern und Rillen auf der Oberfläche des Materials.