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3.1 Bindung, Struktur, Eigenschaften und Reaktivität
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si S Cl
K Ca Ga Ge As Br
Rb Sr In Sb Te I
Cs Ba Tl Pb Bi Po At
3 Chemie der Baumetalle
Sn
Se
P
- Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle
- Metalle etwa 4/5 aller Elemente, alle Nebengrup- penelemente!
- Eigenschaften an Existenz großer Atomverbände (Kristalle) gebunden
- leichte Elektronenabgabe
Modifikationen der Elemente Phosphor (P), Zinn (Sn) und Eisen (Fe)
Elemente und Verbindungen können in verschiedenen Modifikationen existieren, die unterschiedliche Kristallstrukturen und Eigenschaften besitzen � Allotropie und Polymorphie.
P1) weiß P4, Nichtmetall
P rot amorph (Übergangszustand) Nichtmetall
P violett Schichtstruktur, Nichtmetall
P schwarz Schichtstruktur, Halbmetall
< 13,2 °C
β-Sn α-Sn
silberweißes, graues, halbme- metallisches tallisches Zinn Zinn (Pulver)
ρ = 7,286 g/cm3 ρ = 5,769 g/cm3
langsame Umwandlung2) � Zinnpest
1)Stabilität bei Raumtemperatur
�
�
�
2)
Umwandlungsgeschwindigkeit steigt mit abnehmender Temperatur!
1500
1000
500
0
Austenit (γ-Eisen), a = 365 pm
- kubisch (F), 1392 - 911 °C
- hohe C-Löslichkeit bis 2,06 %
δ-Ferrit (δ-Eisen), a = 293 pm
- kubisch (I), 1536 °C - 1392 °C
- C-Löslichkeit bis 0,1 %
α-Ferrit (α-Eisen), a = 287 pm
- kubisch (I), < 911 °C
- geringe C-Löslichkeit bis 0,02 %
Eisen(l), Schmelzpunkt 1536 °C
T in °C
α-Fe
γ-Fe
δ-Fe
a
a
a
• Elektronengasmodell der Metallbindung (Paul Drude, Hendrik A. Lorentz, 1900)
- Valenzelektronen bewegen sich frei zwischen den Atomrümpfen (Elektronen- gas)
- positiv geladene Atom- rümpfe werden durch Elek- tronengas zusammengehal- ten1)
- Erklärung der elektrischen und thermischen Leitfähig- keit sowie des metallischen Glanzes
+ + + + +
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
1)in Al nehmen Al3+-Rümpfe nur 18 %
des Raumes ein, 82 % Elektronengas Elektronengas -
• Metallische Kristalle - Strukturmodell der Kugelpackung Dichteste Kugelpackung
- Metallatome als starre Kugeln, dichteste Anord- nung in einer Schicht
- nächste Schichten auf den Lücken angeordnet
- dichteste Kugelpackung mit 74 % Raumausfüllung � hexagonale Kugelpa- ckung � kubisch-flächenzentrier- te (F) Kugelpackung
- tetraedrische und oktaedri- sche Hohlräume
Mögliche dichteste Kugelpackungen durch Einbau einer dritten Schicht:
Schichtfolgen: AB AB ABC ABC
• Elementarzellen
A
C A
B
A
Hexagonal-dichteste Kugelpackung (A3-Typ)
Kubisch-dichteste Kugelpackung (A1-Typ)
B
Hexagonal (Inhalt aus 2 hexagonalen Teilgittern) Kubisch (F)
a
a
Hexagonal-dichteste Kugelpackung
Kubisch-dichteste Kugelpackung
KZ 12
KZ 12
6 Atome/Zelle
4 Atome/Zelle
Weniger dichte Kugelpackung
1)auch kubisch-raumzentrierte Kugelpackung
- Metallatome in einer Schicht untereinander an- geordnet
- nächste Schichten auf den Lücken angeordnet
- Packungsdichte 68 % � kubisch-innenzentrierte (I) Kugelpackung1)
- nur oktaedrische Hohlräu- me
Einzelne Schicht, weniger dicht gepackt
Schichtfolge: AB AB
Kubisch-innenzentrierte Kugelpackung (A2-Typ)
KZ 8
A
B
A
2 Atome/Zelle
Metallische Kristalle - ungerichtete Bindungskräfte, identische Bausteine - wenige, geometrisch einfache Strukturen mit großen Koordinationszahlen
dichteste Kugelpackung � hexagonal Mg-Typ, Ti, Co, Zn � kubisch (F) Cu-Typ, Ag, Au
weniger dichte Kugelpackung � kubisch (I) W-Typ, Alkalimetalle, Cr, Fe - einzelne Metalle mit unterschiedlichen Modifikationen (Polymorphie), z. B. Fe
Ferrit (I) � Austenit (F) - tetraedrische und/oder oktaedrische Hohlräume � Einlagerungsmischkristalle (s. Legierungen)
911 °C
Strukturtypen der Metalle bei Normalbedingungen (Riedel, Meyer, 2013)
Li Be
Na Mg Al
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi
Dichteste Kugelpackung Weniger dichte Kugelpackung hexagonal kubisch innenzentriert kubisch flächenzentriert andere Strukturen
Legierungen Eutektische Legierungen � In der Schmelze mischbare Kristalle kristalli- sieren in eigenen Kristalliten, metallische Bindung an den Korngrenzen, Kristallgemisch Pb- Sn, Cu-Ag, Al-Si Mischkristall-Legierungen � Metalle sind auch im festen Zustand unbegrenzt ineinander löslich, gegenseitige Ersetzbarkeit im Metallgitter nach statistischer Verteilung bei che- mischer Verwandtschaft (Kristallisation im glei- chen Gittertyp, ähnlicher Atomradius), Austausch- mischkristalle Cu-Ni, Ag-Au, Mo-W, α-Fe-Cr
Td
Oh
Einlagerungsmischkristalle entstehen, wenn kleine Nichtmetalle Zwischengitterplätze des Wirtsgitters mit relativ großen Atomen besetzen
C in Fe: Ferrit max. 0,02 % C, Austenit max. 2,06 % C;
H: Speicherung in Pd, Pt, Nb, Y …
Intermetallische � zwei oder mehr Metalle bilden im festen Zustand Verbindungen exakt stöchiometrische Verbindungen, Mischbindung (metallischer Bindungsanteil und geringere Atom- bzw. Ionenbindungsanteile), Gitterstrukturen unterscheiden sich von denen der konstituierenden Metalle (Unterschied zu Legie- rungen), CuZn3, Ni3Al, Mg2Sn
• Eigenschaften der Metalle - gute elektrische und thermische Leitfähigkeit durch freie Ladungsträger
� Anlegen einer Spannung führt zur Bewegung der Elektronen, Wärmeleitung erfolgt ebenfalls durch Gitterschwingungen
� elektrische Leitfähigkeit der Metalle nimmt mit steigender Temperatur ab, zunehmende Eigenbewegung der Atomrümpfe führt zum Anstieg des elektrischen Widerstands - unterschiedliche Schmelzpunkte, hohe Dichten - hohe Duktilität (plastisch verformbar, dehnbar)
� keine Abstoßungskräfte wie bei Ionenkristallen F
I II
- unterschiedliche Reaktivität der Metalle Spannungsreihe der Metalle (Hollemann, Wiberg 2008)
Oxidierte Form + z e- Reduzierte Form E0 / V
Li+ + e- Li - 3,04
K+ + e- K - 2,92
Ca2+ + 2 e- Ca - 2,84
Na+ + e- Na - 2,71
Mg2+ + 2 e- Mg - 2,36
Al3+ + 3 e- Al - 1,68
Zn2+ + 2 e- Zn - 0,76
Fe2+ + 2 e- Fe - 0,44
Ni2+ + 2 e- Ni - 0,26
Sn2+ + 2 e- Sn - 0,14
Pb2+ + 2 e- Pb - 0,12
2 H+ + 2 e-
H2 0
Cu2+ + 2 e- Cu + 0,34
Ag+ + e- Ag + 0,80
Au3+ + 3 e- Au + 1,50
Neigu
ng zu
r Elektron
enabg
abe
Nei
gung
zur
Ele
ktro
nau
fnah
me
Unedel
Edel
Metalle
Elektrodenpotenzial und Zellspannung Zn Zn2+ + 2e- Cu Cu2+ + 2e-
-- -- -- -- -- -- -- --
- -
- -
Zn2+-Lösung Cu2+-Lösung
Cu2+
Zinkstab Kupferstab
Cu2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
- Zink ist gegenüber Kupfer leichter oxidierbar (unedler)
- mehr Zn2+- als Cu2+-Ionen gehen in Lösung, zugehörige Valenzlektronen verblei- ben im Metallstab
- unterschiedliche Elektrodenpotenziale (quantitatives Maß für Elektronendruck im Metallstab, nicht direkt messbar)
- Eine Elektrode ist ein metal- lisch leitender Gegenstand, der zur Zu- oder Ableitung von elektrischem Strom in einem Elektrolyten eingetaucht ist.
- Das Elektrodenpotenzial E ist abhängig vom Metall, von der Konzentration Mn+ in Lö- sung und der Temperatur.
Daniell - Element als galvanische Zelle (Daniell, 1836)
Zn � Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- � Cu Für Standardbedingungen gilt:
- T = 25 °C
- reines Metall
- c(Ionen) = 1 mol/L in reinem Wasser
Zn2+
SO42-
– +
Zn
U
Zellspannung
∆E0 = 1,10 V
Zn2+-Lösung Cu2+-Lösung
Poröse Trennwand
Cu2+
SO42-
Cu2+-Lösung
Cu
Oxidation Reduktion
Anode Kathode
e- e-
Reduktionsmittel Oxidationsmittel
Redoxreaktion
- Bei einer Redoxreaktion (Reduktions- Oxidations-Reaktion) laufen Oxidation und Reduktion stets gleichzeitig ab.
- Oxidation ist ein Prozess, bei dem ei- nem Atom Elektronen entzogen wer- den. Bei einer Reduktion werden einem Atom Elektronen zugeführt.
- Die Substanz, die dem Reaktionspart- ner die Elektonen entzieht und damit dessen Oxidation bewirkt heißt Oxida- tionsmittel (OM). Es wird selbst redu- ziert.
- Umgekehrt wirkt eine Substanz, die dem Reaktionspartner Elektronen zur Verfügung stellt, als Reduktionsmittel (RM). Es wird selbst oxidiert.
Geben und nehmen
Berechnung der Zellspannung ∆E0
∆E0 = Zellspannung (V)
E0 = Standardelektrodenpotenzial (V) Daniell - Element Anode: Zn(s) � Zn2+ + 2 e- E0 = - 0,76 V
Kathode: 2 e- + Cu2+ � Cu(s) E0 = + 0,34 V
Gesamt: Zn(s) + Cu2+ � Cu(s) + Zn2+ ∆E0 = E0(Cu2+|Cu) – E0(Zn2+|Zn)
∆E0 = 0,34 V – (- 0,76 V) = 1,10 V
∆E0 = E0(Kathode) – E0(Anode) = E0(edlere Elektrode) – E0(unedlere Elektrode)
Spannungsreihe der Metalle (Hollemann, Wiberg 2008) Oxidierte Form + z e
- Reduzierte Form E
0 / V
Li+ + e- Li - 3,04
Mg2+ + 2 e- Mg - 2,36
Al3+ + 3 e- Al - 1,68
Zn2+ + 2 e- Zn - 0,76
Fe2+ + 2 e- Fe - 0,44
Ni2+ + 2 e- Ni - 0,26
Sn2+ + 2 e- Sn - 0,14
Pb2+ + 2 e- Pb - 0,12
2 H+ + 2 e-
H2 0
Cu2+ + 2 e- Cu + 0,34
Ag+ + e- Ag + 0,80
Pt + 2 e- Pt + 1,19
Au3+ + 3 e-
Au + 1,50
Spannung galvanischer Zellen ∆E0(Zn|Zn2+||Cu2+|Cu) = 1,10 V
∆E0(Ni|Ni2+||Ag+|Ag) = 1,05 V
∆E0(H2|H+||Ag+|Ag) = 0,80 V � E0 (Ag+|Ag)
∆E0(Ni|Ni2+||Cu2+|Cu) = 0,59 V
∆E0(Zn|Zn2+||Ni2+|Ni) = 0,51 V
∆E0(Cu|Cu2+||Ag+|Ag) = 0,46 V
Redoxreaktionen außerhalb von galvanischen Zellen
Auch außerhalb von galvanischen Zellen gilt:
Nur dann, wenn ∆E0 der Gesamtreaktion positiv ist, kommt es zur Reaktion.
Demnach ist E0(OM) > E0(RM).
Oxidierte Form Reduzierte Form
Cu Cu2+
Zn2+ Zn
E0= - 0,76 V
E0= + 0,34 V
Cu2+(aq) + Zn(s) � Cu(s) + Zn2+(aq) Keine Reaktion:
Cu(s) + Zn2+(aq) �
2 e-
2 e-
Wasserfließrichtung - Anordnung der Metalle - In abfließendem Wasser enthaltene Cu2+-Ionen können die Flächenkorrosion von unedleren Metallen wie Aluminium, Zink und verzinktem Stahl fördern (insbesondere bei größeren Kupferflächen) � Cu2+ + Zn � Cu + Zn2+
- Deshalb sollten Zink, verzinkte Stahlteile oder Aluteile nicht in Fließrichtung unterhalb von Kupfer-Werkstoffen verwendet werden � Fließregel
Dachdeckung Kupfer und Zink- dachrinne
B
Zn
1 Installation von Kupfer vor verzinktem Stahl � kupferinduzierter Lochfraß!1)
2
1)DIN 1988
Cu2+ Zn
Cu2+
Löslichkeit von Metallen in Säuren1) ∆E0 = E0(Kathode) – E0(Anode) = E0(OM) – E0(RM) Löslichkeit in Salzsäure HCl E0(H+|H2) = 0,00 V
E0(Zn2+|Zn) = - 0,76 V unedle Metalle, E0 < 0
E0(Cu2+|Cu) = + 0,34 V edle Metalle, E0 > 0 2 e- + 2 H+(aq) � H2(g) E0(OM) = 0,00 V
Zn � Zn2+ + 2e- E0(RM) = - 0,76 V
2 H+ + Zn � H2(g) + Zn2+ ∆E0 = 0,76 V � Zn in HCl löslich 2 e- + 2 H+(aq) � H2(g) E0(OM) = 0,00 V
Cu � Cu2+ + 2e- E0(RM) = 0,34 V
2 H+ + Cu � ∆E0 = - 0,34 V � Cu nicht in HCl löslich 2 e-
1)Unedle Metalle mit E0 < - 0,41 V lösen sich sogar in Wasser!
� c(H+) = 10-7 mol/L, E0(H+|H2) = - 0,41 V
Magnesium Zink Kupfer