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WKM10 Werkstofftechnik I (polymere Werkstoffe (Einleitung (oft wird auf…

- - - - Nuklid = bestimmte Isotop
  - - - Deuterium = Wasserstoff 2
        Trition = Wasserstoff 3 (nicht Stabil)
      - Elemente mit voll besetzten (s,p) Schalen sind
        sehr träge 8. Hautgruppe (VIII A) Edelgase
        liegen meist Atomar vor
    - - Hauptgruppen (I A - VIII A)
        Elektronen auf s,p -Schale für chem. Verhalten entscheidend
      - Nebengruppen (I B - VIII B)
        VIII B = 3 Spalten
        Elekronen auf der d-Schale best. zusätzlich chem. Verhalten
      - Gruppe I - Alkalimetalle(Ausnahme H)
        Gruppe II - Erdalkalimetalle
        Gruppe III - Bor-Al-Gruppe
        Gruppe IV - C-Si-Gruppe (C-Gruppe)
        Gruppe V - N-P-Gruppe (N-Gruppe)
        Gruppe VI - Chalkogene (O-S-Gruppe)
        Gruppe VII - Halogene
        Gruppe VIII - Edelgase
    - - Natrium (11) \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^1\) oder \([Ne] 3s^1\)
        Elektronenkonfiguration der Periode auf innerer Elektronenschale immer gleich Edelgas der letzten Gruppe
      - Nach der 3p-Schale wird als nächstes die
        4s besetzt und erst dann 3d (4. Periode)
        Die 4s-Schale liegt dichter am Kern als 3d
        Zn (30) \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10}\) oder \([Ar] 4s^2 3d^{10}\)
      - Befüllung der Schalen
        1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 8s
        ------------------------------------------------------------------------------->
        Abstand zum Kern
- - - - bei Darstellung von Elektronenzuständen
        ist zusätzlich die magnetische Spinquantenzahl s erforderlich
        Spin: Elektroneneigenschaft nur -1/2, +1/2
        paralleler oder antiparalleler Spin
      - Zustandsfunktion Ψ Wahrscheinlichkeit wo sich ein Elektron aufhält
      - magnetische Quantenzahl ml
        Orientierung der Ψ-Funktion im Raum
      - Nebenquantenzahl l (Bahndrehimpulsquantenzahl) = Unterschalen im bohrschen Atommodell (spdf)
        0 = s-Orbital, 1 = p-Orbital, 2 = d-Orbital, 3 = f-Orbital
      - Hauptquantenzahl n = Hauptschale im bohrschen Atommodell
  - - - Hundsche Regel
        
        Orbitale gleicher Energie zuerst nur je 1 Elektron
        
        Anschließend 2. Elektron in umgekehrter Richtung
      - Pauli-Prinzip
        Orbitale mit gleichen Quantenzahlen (n,l,m) max mit 2 Elektronen besetzt
      - Aufbauprinzip
        Besetzung in energetischer Reihenfolge
        zuerst die kernnächsten und stabilsten Orbitale
  - - - Bezeichnung p-Orbitale entlang der
        Koordinatenachse px-, py- bzw. pz-Orbital
- - - - sp\(^3\)-Hybridisierung
        1s- und 3p-Orbitale
        
        σ-Bindung
        
        Elektronenpaare stoßen sich gegenseitig ab, Form ändert sich daher zu unsymmetrischen Keulen
        Neue Orientierung der Orbitale im Raum
        Nicht beteiligte Orbitale brauchen mehr Raum
        
        Anzahl Hybridorbitale = Anz. beteiligter Atomorbitale
        
        Nur Atomorbitale mit ähnlicher Energie bilden Hybridorbitale (2-2p, 3s-3p, 4s-4p, 4s-4d)
        
        Bindung führ zu stärkerer Überlappung = Stärkere Bindung
        (zusätzliche Bindungsenergie ist Ursache für Hybridzustand)
        
        Nur bei gebundenen Atomen, nicht bei einzel Atom
        
        Hybridorbitale immer doppelt besetzt
        
        aus Atomorbitalen unterschielicher Energie werden Hybridorbitale gleicher Energie
      - Molekülorbital-Theorie MO
        
        Lewis-Strukturformel
        nur Bindungselektronen werden angezeigt
        Strich = Elektronenpaar (2 Elektronen)
        Punkt = einzelnes Elektron
        
        Anzahl Molekülorbitale = Anzahl Atomorbitale
        Antibindende Orbitale mit * gekennzeichnet
        
        σ-Bindung
        rotationssymmetrisch zur Verbindungsachse
        σ-Bindung ist stärker als π-Bindung
        
        \(\pi\)-Bindung
        Überlappung unterhalb und Oberhalb der x-Achse
        
        Einfachbindung = σ-Bindung
        
        Doppelbindung = σ-Bindung + π-Bindung
        
        Dreifachbindung = σ-Bindung + 2x π-Bindungen
        zusätzliches Überlappen der y-Orbitale
        
        zwischen 2 gleichen Atomen unpolar
        2 verschiedene Atome meist polar, Ladungsverteilung ist unsymetrisch, Molekül hat permanenten Dipol, Elektronen werden unterschiedlich stark angezogen
        Kennzeichnung mit \(\delta^-, \quad \delta^+\)
        
        Wertigkeit = Anz. Bindungselektronenpaare
        H immer 1-wertig
        C, N, O, F immer 4-wertig
        Ab 3. Periode Wertigkeit = Außenelektronen
        
        Elektronen nicht in Atomorbitalen einem Kern zugeordnet, sondern in Molekülorbitalen die zu den beteiligten Kernen gemeinsam gehören
      - sp\(^2\)-Hybridisierung
        1s- und 2 von 3p-Orbitale
        
        Organische Verbindungen
        mit Doppelbindungen
        
        σ-Bindung + π-Bindung
        
        starres Molekül, Doppelbindung nicht drehbar
        
        Bindungslänge
        Einfachbindung > Doppelbindung
      - sp-Hybridisierung
        1s- und 1 von 3p-Orbitale
        Dreifachbindung
        z.B. Ethin
    - - Entsteht zwischen Elementen mit
        metallischem Charakter und
        Elementen mit nichtmetallischem Charakter
      - Ion = geladenes Atom / Molekül
        Kationen = Positiv \(\quad\mid\quad\) Anion = negativ
      - Faustregeln
        
        Elemente 1. Hauptgruppe (außer H) immer Ionenbindung - einfach positiv
        
        Elemente 2. Hauptgruppe immer Ionenbindung - zweifach positiv
        
        Elemente 3. Hauptgruppe (außer B) meist Ionenbindung - dreifach positiv
        
        leichte Elemente der 4. + 5. Hauptgruppe i.d.R keine Ionenbindung
        schwere Elemente können Ionenbindung, es müssen versch. Ladungsstufen vorliegen
        
        Elemente der 6. + 7. Hauptgruppe bilden Ionenbindung +
        Elektronenpaarbindung
        
        Gruppe = zweifach, 7. Gruppe = einfach negativ
        
        Nebengruppenelemente meist Ionenbindung
        oft unterschiedliche Ladungsstufen
      - Kationen + Anionen = stabiles Kristallgitter
        i.d.R Feststoff mit hohem Schmelzpunkt,
        hart und spröde
      - Salze = Molekül aus Ionen aufgebaut - elektr. neutral
        gut löslich in H\(_2\)O, Lösung / Schmelze leitet elektr. Strom
        
        Moleküle aus 2 Elementen Enden auf -id
        (FeS = Eisensulfid)
        \(SO_4^{-2}\ = Sulfat\)
        \(HSO_4^- = Hydrogensulfat\)
        \(SO_3^{-2}\ = Sulfit\)
        \( HSO_3^- = Hydrogensulfit\)
        \(CO_3^{-2}\ = Carbonat\)
        \(HCO_3^- = Hydrogencarbonat\)
        \(PO_4^{-3}\ = Phosphat\)
        \(HPO_4^{-2} = Monohydrogenphosphat\)
        \(H_2PO_4^{-} = Dihydrogenphosphat\)
        \( NO_3^- = Nitrat\)
        \( CN^- = Cyanid\)
      - Metall-Atome geben Elektronen ab
        -> Nichtmetalle nehme auf
  - - - Bei Molekül mit polarer Kovalenter Bindung
        und nicht symmetrischer Ladungsverteilung
      - Bindungselektronenpaare werden von einem Atom stärker angezogen
      - negativer Pol wird anziehend auf Nachbarmolekül
    - - bei unpolaren Molekülen und Edelgasen
      - temporäre Verschiebung der Elektronen
        Atome weisen kurzfristig einen
        induzierten Dipolmoment auf
      - kurze Reichweite
      - Je größer ein Atom oder Molekül ist,
        umso leichter lässt es sich polarisieren
        desto höher wird der Siedepunkt
        Moleküle haben bei gleicher Masse höhere Siedepunkte als die Edelgase
    - - stärkere Bindungskräfte immer wenn Wasserstoff an Atomen mit freiem Elektronenpaar gebunden ist
      - Besonders bei N, O, und F
      - freie Elektronenpaare des O bilden Wasserstoffbrücken zu H-Atomen von Wassermolekülen = rel. feste Bindung
- - - - Ionenradius Kation < Atomradius Element
        Elektronen abgegeben (Schale fällt weg), mehr Protonen im Kern als Elektronen auf der Hülle = stärkere Anziehung
        
        Ionenradius Anion > Atomradius Element
        schwächere Anziehung da mehr Elektronen in Hülle als Protonen im Kern
      - je Höher die Ladung, desto kleiner der Radius
        Fe\(^{2+}\) 82 pm, Fe\(^{3+}\) 67 pm.
  - - - Stufenversetzungen
        zusätzliche Ebene im Gitter
      - Schraubenversetzungen
        zwei elastische Quader, deren vordere Endflächen man gegeneinander verschiebt
    - - Leerstellen
        wenn Atome ihren Gitterplatz verlassen, wird mit plastischer Verformung und Temperatur größer
        Leerstellen verengen das Gitter
      - Austauschatome / Substituierte Fremdatome
        Fremdatome besetzen den Platz eines Gitteratoms
        Austauschatome > Gitteratome verengen das Gitter
        Austauschatome < Gitteratome erweitern das Gitter
      - Einlagerungsatome / Zwischengitteratome
        sehr viel kleiner als Atome des Gitters
    - - Stapelfehler
        unterschiedliche Schichtfolge der Gitterebene
      - Korngrenzen
        Abweichende Gitterorientierung der Subkörner des Kristalls
        Kleinwinkelkorngrenze = Abweichung bis zu 10°
        Großwinkelkormgrenze = Abweichung > 10°
- - - - chem. Beständig gegen H\(_2\)O, Säuren, Laugen,
        meisten org. Lösemitteln
      - HDPE (High Density-PE)
        steif und fest zur Herstellung von
        Rohrleitungen, Kanistern, Eimern, Tanks
      - LDPE (Low Density-PE)
        biegsam und weich
        für Kabelummantelungen und Folien
  - - - Verwendung:
        Baugewerbe, Fensterrahmen, Abwasserrohre
      - Anpassen durch Weichmacher für Verwendungszweck
      - Aufwendige Entsorgung
        bei Verbrennung entsteht Chlorwasserstoff und Dioxide,
        teure Filtertechnik nötig
  - - - beständig gegen Fette, Öle, unpolare und schwach polare organische Lösungsmittel
        nicht beständig gegen starke Säuren und Laugen, heißes Wasser , stark polare org. Lösungsmittel wie Aceton
      - Herstellung von Kunststoffflaschen und Formteilen
      - wegen Ester-Verknüpfung gute Angriffsmöglichkeit für
        "nicht beständig"
    - - Verwendung als Zweikomponenten-Reaktionsharze
        kommen als Flüssigwerkstoffe zur Anwendung und werden erst vor Ort zur Polyreaktion gebracht
  - - - ungesättigte Verbindungen
        mindestens eine Doppelbindung zwischen zwei
        C-Atomen, Kohlenstoff sp2-hybridisiert
        
        σ-Bindungen + π-Bindung,
        π-Bindung weniger stabil, leicht aufbrechbar
        σ-Bindungen zu Wasserstoff-Atomen
        π-Bindung zwischen C-Atomen
        
        Ethen
        
        Alkene
        Ethen, Propen, Buten
      - gesättigte Verbindungen
        Kohlenstoff stets sp3-hybridisiert
        sehr stabile Verbindung
        
        Alkane
        Methan CH\(_4\)
        Ethan H\(_3\)C–CH\(_3\)
        Propan H\(_3\)C–CH\(_2\)–CH\(_3\)
        Butan H\(_3\)C–CH\(_2\)–CH\(_2\)–CH\(_3\)
        Pentan, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan,
        Dekan, Undekan, Dodekan
        
        Cycloalkane
        Kohlenstoff-Ketten zu Ring
        zusammengeschlossen
      - IUPAC-Regeln
        (International Union of
        Pure and Applied Chemistry)
        
        1.) Ermittlung der längsten, unverzweigten Kette
        
        2.) Bezifferung der Hauptkette derart, dass der 1. Verzweigungspunkt eine möglichst niedrige Ziffer enthält
        
        3.) Anzahl gleicher Seitenketten durch di, tri, tetra usw.
        
        4.) Alphabetische Reihenfolge bei unterschiedlichen Seitenketten. Benennung Seitenketten = Alkanen Endung „-an“ wird ersetzt durch die Endung „-yl“.
        
        4-Ethyl-2,6,7,7-tetramethyl-6-propylnonan
        
        Trivialnamen
        Namen, die historisch entstanden sind und nicht nach IUPAC-Regeln erfolgen
      - Aromaten
        cyclische Verbindungen mit
        mehreren Doppelbindungen.
        
        delokalisiertes π-Elektronensystem
        daher sehr stabil
        
        Benzol C\(_6\)H\(_6\)
        
        Plystyrol (PS)
        Polyethenterephthalat (PET)
    - - Alkohole
        OH-Gruppe (Hydroxy-Gruppe)
        
        2 OH-Gruppen = Diol
        HOCH\(_2\)–CH\(_2\)OH Ethandiol
      - Ether
        C–O–C-Bindung
        Benennung der Ether durch die Benennung der entsprechenden Alkylreste
      - Aldehyde und Ketone
        Carbonylgruppe
        
        Aldehyde –CHO(Endung -al)
        Carbonylgruppe mit H
        
        Methanal (Formaldehyd) HCHO
        Ethanal (Acetaldehyd) H\(_3\)C–CHO
        Propanal H\(_3\)CC–CH\(_2\)C–CHO
        
        Katone –CO– (Endung -on)
        Carbonylgruppe mit C
        
        Propanon (Aceton) H\(_3\)C–CO–CH\(_3\)
        Butanon H\(_3\)C–CO–CH\(_2\)–CH\(_3\)
      - Carbonsäure und Derivate
        Carboxy-Gruppe –COOH (Endung -säure)
        
        je nach Anzahl der Gruppen Mono-, Di- oder Tricarbonsäuren
        Methansäure (Ameisensäure) HCOOH
        Ethansäure (Essigsäure) CH\(_3\)–COOH
        Propansäure (Propionsäure) CH\(_3\)–CH\(_2\)–COOH
        Butansäure (Buttersäure) CH\(_3\)–CH\(_2\)–CH\(_2\)–COOH
      - Amine
        entstehen aus Ammoniak durch Substitution von H-Atomen durch Kohlenwasserstoffreste
        1 H-Atome ersetzt = primären
        2 H-Atome ersetzt = sekundären
        Primäre und sekundäre Amine können
        mit OH-Gruppen
        Kondensationsreaktionen eingehen