Читать книгу Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis - Janko Auerswald - Страница 13

Die Art der chemischen Bindung zwischen den atomaren Bausteinen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften von Funktionswerkstoffen. Eisenatome in metallischen Elektro- oder Stahlblechen tragen zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Oxidkeramische Ferritmagneten hingegen enthalten Eisenionen und sind elektrische Isolatoren.

Die Metallbindung basiert auf einer Wolke frei beweglicher Außenelektronen. Sie umgibt die positiv geladenen Atomrümpfe des Kristallgitters und hält sie zusammen.

In einer Atombindung gehören gemeinsame Valenz-Elektronenpaare zu beiden Nachbaratomen zu gleichen Teilen, wenn die Bindung unpolar ist (z. B. in den reinen Halbleitern Silizium oder Diamant). Mit steigender Differenz der Elektronegativität beider Bindungspartner gehen die Valenz-Elektronen immer mehr zum Partner mit der höheren Elektronegativität über (polare Atombindung, z. B. in den Verbindungshalbleitern GaAs oder SiC).

Ist die Differenz der Elektronegativitäten in einer chemischen Verbindung aus Metallen und Nichtmetallen größer als 1.7 (siehe Periodensystem, Abb. 1.1), spricht man von Ionenbindung. Die Außenelektronen gehören dann komplett zum Partner mit der höheren Elektronegativität (z. B. zum Chlor in Natriumchlorid). Der Einfachheit halber kann man alle Oxidkeramiken und oxidischen Gläser dieser Gruppe zuordnen, auch wenn manche die Differenz der Elektronegativitäten von 1.7 nicht ganz erreichen.

Abb. 1.1 Das Periodensystem der Elemente mit Ordnungszahlen, molaren Atommassen, Elektronegativitäten und Farbgebung gemäß einer idealen Elektronenkonfiguration.

Zwischenmolekulare Bindungen sind festigkeitsbestimmend in Werkstoffen, die aus Molekülen oder großen Makromolekülen bestehen. Dazu gehören die Kunststoffe und Silikone.

Abbildung 1.1 zeigt das Periodensystem der Elemente. Die Farben der ElementeTafeln korrelieren mit dem Typ des letzten besetzten Elektronenorbitals gemäß einer idealen Elektronenkonfiguration. Bei den blau markierten Elementen (I. und II. Hauptgruppe) wäre dies theoretisch ein s-Orbital, bei den türkisgrünen (III.-VIII. Hauptgruppe) ein p-, bei den gelben (Nebengruppenelemente) ein d- und bei den roten (Lanthanide bzw. seltene Erden, Actinide) ein f-Orbital. In der Praxis gibt es jedoch Abweichungen vor allem bei den Nebengruppenelementen (gelb) sowie den Lanthaniden und Actiniden (rot). So wird bei Lanthan (La) anstelle des 4f¹-Orbitals zuerst der 5d¹-Orbital besetzt, weshalb Lanthan häufig den gelb markierten Elementen der III. Nebengruppe statt den seltenen Erden zugerechnet wird. Das eigentlich an dieser Stelle stehende Lutetium (Lu) hat mit allen 14 besetzten 4f-Orbitalen und einem besetzten 5d¹-Orbital die ideale Elektronenkonfiguration einesElements der III. Nebengruppe in der 6. Periode, wird aber im Gegenzug häufig den rot markierten seltenen Erden bzw. Lanthaniden zugerechnet.

Nähere Erläuterungen zur Besetzung der Orbitale finden sich im Kapitel Magnetwerkstoffe. Die Besetzung der Orbitale mit Elektronen hat einen wichtigen Einfluss auf die magnetischen, aber auch auf die elektrischen und optischen Eigenschaften von Werkstoffen.