Chemie und Werkstoffkunde
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BET 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE Kapitel 2 Chemie und Werkstoffkunde Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn 055 - 654 12 87 Ausgabe: Juni 2010 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE Seite 2 2 Chemie und Werkstoffkunde Eine wichtige Aufgabe der Chemie besteht darin, aus Rohstoffen (natürlichen Stoffen) neue Stoffe mit möglichst grossen Reinheitsgrad herzustellen. Recycling SÄUREN UND BASEN alkalisch neutral sauer PH-Wert 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Bearbeitet durch: Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1 8772 Nidfurn Telefon Telefax E-Mail Web 055 654 12 87 055 654 12 88 [email protected] www.ibn.ch P P 3. Auflage 19. November 2010 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE Seite 3 Inhaltsverzeichnis BiVo 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.1 Einteilung der Stoffe 2.1.1 Stoffarten 2.1.2 Chemische Gruppen, chemische Elemente, Atome 2.1.3 Periodentafel der Elemente 2.1.4 Borsches Atommodell 2.1.5 Reinstoffe – Elemente 2.1.6 Halbmetalle 2.1.7 Nichtmetalle 2.1.8 Reinstoffe - Verbindungen 2.1.9 Natürliche Stoffe 2.1.10 Gemische 2.1.11 Legierungen 2.1.12 Widerstandsmaterial 2.1.13 Isolierstoffe 2.2 Begriffe der Chemie und Werkstoffkunde 2.2.1 Unterschied Physik und Chemie 2.2.2 Materie 2.2.3 Das Molekül 2.2.4 Zellulose-Kunststoffe 2.2.5 Begriffslexikon der Kunststoffe 2.2.6 Freie Elektronen 2.2.7 Stoffumwandlungsvorgang 2.2.8 Elektronegativität 2.2.9 Oktettregel 2.2.10 Ionen 2.2.11 Ionenverbindung 2.2.12 Atom- oder Elektronenpaarbindung 2.2.13 Metallbindung 2.2.14 Atomeinheit u 2.2.15 Klassifikation der Orbitale 2.2.16 Synthese 2.2.17 Analyse 2.2.18 Isotope 2.3 Gewinnung und Bearbeitung der Stoffe 2.3.1 Rohstoffabbau 2.3.2 Eisenmetalle 2.3.3 Nichteisen-Metallgewinnung 2.3.4 Bearbeitungsverfahren von Metallen 2.3.5 Gefügeaufbau der Metalle 2.3.6 Halbmetalle 2.3.7 Nichtmetalle 2.4 Bedeutung und Wert der Stoffe 2.4.1 Erde als Rohstofflieferant 2.4.2 Umweltschutz 2.4.3 Materialkreislauf im eigenen Betrieb beschreiben 2.5 Eigenschaften der Werkstoffe 2.5.1 Festigkeit 2.5.2 Elastizität 2.5.3 Plastizität 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern TD Technische Dokumentation BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffet 2.1.1 Einteilung der Stoffe - Reine Stoffe Gemische Chemische Elemente Verbindungen Metalle Nichtmetalle natürliche Stoffe Kunststoffe 2.1.1 Bedeutung und Wert der Stoffe - Erde als Rohstofflieferant - Stoffkreisläufe, Ressourcen 2.1.2 Mechanische Eigenschaften - Verhalten bei Krafteinwirkung: Festigkeiten, Härte, Sprödigkeit, Elastizität, Plastizität - Dichte - Eignung für technologische Verfahren: (Formen, Fügen, Vergüten, Veredeln) 2.1.2 Elektrische Eigenschaften - Leitfähigkeit Durchschlagsfestigkeit Magnetische Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften 2.1.2 Thermisches Verhalten - Schmelzpunkt Siedepunkt Hitzebeständigkeit Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit 2.1.2 Chemische und ökologische Eigenschaften - Korrosionsbeständigkeit - Oxidations- und Reduktionsverhalten Heizwert - Brennbarkeit - Spannungsreihe - UV-Beständigkeit Giftigkeit - Abbaubarkeit 2.1.2 Verwendung - Metalle - Metalllegierungen - Nichtmetalle - Kunststoffe 2.1.3 Chemische Grundbegriffe - Abgrenzung zu physikalischen Vorgängen Chemische Grundstoffe (Elemente) Periodensystem Atome, Elektronen, Moleküle, Ionen 2.1.3 Chemische Prozesse - Chemische Prozesse als Stoffumwandlungsvorgang - Chemische Verbindungen: Elektronenpaar-, Ionen-, Metallbindung - Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen: Entstehung, Eigenschaften - Oxidations- und Reduktionsvorgänge - Elektrochemische Korrosion: Elektrolyte, Spannungsreihe 2.1.4 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe - Gefahrenstoffsymbole und Bezeichnungen 2.1.4 Umgang mit Gefahrenstoffen - Risiko- und Sicherheitssätze (R + S) Asbest Leuchtstofflampen Chemikalien Version 3 BET 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 2.5.8 2.5.9 2.5.10 2.5.11 Dichte Die Härte Bearbeitbarkeit Korrosionsbeständigkeit Isolationswiderstand Durchschlagfestigkeit Die Dielektrizitätszahl Wärmebeständigkeit 2.6 Oxidation und Reduktion 2.6.1 Die Stärke von Oxidations- und Reduktionsmittel 2.7 Korrosion und Korrosionsschutz 2.8 Die Elektrolyse Seite 4 2.1.5 Reihenfolge aller Umweltschutzmassnahmen - Vermeiden – Vermindern – Verwerten – Entsorgen - Recycling-Verfahren und -Organisation: Altmetall; Batterien; Geräte; Lampen - Entsorgung von Elektrogeräten nach VREG) TG Technologische Grundlagen EST Elektrische Systemtechnik KOM Kommunikationstechnik 2.9 Säure- und Basen-Reaktion 2.9.1 Definitionen 2.9.2 Der pH-Wert 2.9.3 Berechnung des pH-Wertes 2.10 Vorträge „Verwendung Berufsrelevanter Stoffe“ 2.11 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe 2.11.1 Gesetzliche Grundlage 2.11.2 Warnschilder 2.11.3 Aufbewahrung von Giften 2.11.4 Entsorgung von giftigen Stoffen 2.11.5 Bezug von Giften 2.11.6 Arbeiten mit giftigen Stoffen 2.12 Widestandsmaterial 2.12.1 Präzisionswiderstände 2.12.2 Belastungswiderstände 2.12.3 Heizwiderstände 2.12.4 Nichtmetall-Legierungen 2.12.5 Technische Widerstände 2.12.6 Aussehen von Widerstandsmaterial 2.12.7 Anwendungen Widerstandsmaterial 2.12.8 Anwendungen Leitungswiderstände 2.12.9 Farbschlüssel für Festwiderstände 2.13 Isolierstoffe 2.13.1 Gruppierung der Isolierstoffe 2.13.2 Zweck der Isolierstoffe 2.13.3 Unterscheidung der Isolierstoffe 2.13.4 Kenngrössen der Isolierstoffe 2.13.5 Anforderungen an Isolierstoffe 2.13.6 Anorganische Isolierstoffe 2.13.7 Natürliche organische Isolierstoffe 2.13.8 Zellulose-Kunststoffe 2.13.9 Kunststoffe / Plaste 2.14 Geschichte des Periodensystems 2.15 Geschichte der berufsrelevanten Werkstoffe 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE Seite 5 2.1 Einteilung der Stoffe 2.1.1 Stoffarten Wir kommen täglich mit einer Vielzahl von Stoffen in Berührung. Manche Soffe liefert uns die Natur direkt, andere werden chemisch hergestellt. natürliche Stoffe : künstliche Stoffe : Holz, Wasser, Milch, Zucker, Kochsalz Leim, Cola, Kaugummi, Assugrin, Zement In der Chemie werden die Stoffe nach ihrer Zusammensetzung und ihren chemischen Eigenschaften in Stoffklassen eingeteilt: Beispiele Metalle Elemente Reinstoffe Verbindungen Stoffe heterogen StoffGemische homogen 11. Dezember 2014 www.ibn.ch edel Gold, Silber, Platin halbedel Kupfer, Quecksilber unedel Aluminium, Eisen, Zink Halbmetalle Nichtmetalle Silizium, Germanium Säure Lauge Hydroxid Salzsäure, Schwefelsäure Oxid Salz Alkan Ether Fett Eiweiss Kunststoff Schwefeldioxid Gemenge Paste Suspension Emulsion Schaum Rauch Nebel Geröllhaufen Legierungen Lösungen Gasgemisch Messing, Bronce, Münzen Schwefel, Iod Natronlauge Natriumhydroxid Kochsalz Methan, Propan, Butan Schwefelether Kokosfett Hühnerei Plexiglas, Nylon Zahnpasta Tusche Fettsauce Schlagrahm Zigarettenrauch Kühlflüssigkeit Zuckerwasser Luft, Furz, Knallgas Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE Periodensystem der Atome 1 Tabelle 2 2 1 H 1 ErdalkaliMetalle Halogene 3 4 5 6 7 8 ÜbergangsMetalle Metalle 4 He Wasserstoff K 2 3 K 1 2 L 1 K 2 L 8 Helium 1 2 7 2 Li 2 M 1 L 8 M 8 9 Berylium 3 23 Na 4 24 Mg 11 1a 39 K 2 8 M 18 5 N 8 19 85 Rb 2 8 8 N 18 6 O 18 37 133 Cs 18 8 1 O 18 7 P 8 55 223 Fr 2 18 8 87 12 2a 40 Ca O 8 9 20 88 Sr 38 138 Ba 2 18 8 56 226 Ra 88 8 10 Scandium 2 18 9 2 18 9 39 139 La Lanthan 2 18 9 57 227 Ac Actinium 2 89 Lanthaniden 2 18 10 2 32 58 bis 71 10 2 32 90 bis 103 10 40 180 Hf 72 261 Ku 5b 51 V 18 12 23 93 Nb 1 32 11 41 181 Ta 2 32 10 73 161 Ha 2 5 27 Al 19 140 Ce 21 141 Pr 8 Cer 10 90 18 13 13 24 98 Mo 1 32 12 42 184 W 18 13 74 14 25 99 Tc 2 32 13 43 187 Re 56 Fe 8 15 Eisen 2 18 15 Technikum Wolfram 2 8 Mangan 2 Molybdän 26 102 Ru 32 14 Rhenium 44 192 Os 8 16 Kobalt 2 18 16 Rutherium 1 8 59 Co 27 103 Rh 32 15 Osmium 45 193 Ir 8 18 Nickel 2 18 18 Rhodium 1 58 Ni 28 106 Pd 32 17 Iridium 46 195 Pt 8 18 Kupfer 1 18 18 Palladium 0 1b 63 Cu 29 107 Ag 32 18 Platin 47 197 Au 8 18 Zink 2 18 18 Silber 1 2b 64 Zn 30 114 Cd 4 2 8 18 18 Cadmium 2 32 18 Gold 48 202 Hg 31 115 In 4 8 18 32 18 Quecksilber 49 205 Tl 7 31 P 5 2 8 14 4a 72 Ge 5 8 18 18 18 32 120 Sn 32 18 Thallium 50 208 Pb 6 2 8 18 18 33 121 Sb 6 8 18 32 18 Blei 51 209 Bi 8 32 S 9 35 Cl 7 2 8 16 6a 80 Se 18 18 34 130 Te 8 18 32 18 Bismuth 52 210 Po 17 7a 79 Br 18 18 35 127 I 8 2 8 32 18 Polonium 53 210 At Argon 18 8 84 Kr 18 Krypton 8 18 18 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 23 145 Pm 24 152 Sm 25 151 Eu 25 158 Gd 26 159 Tb 27 164 Dy 28 165 Ho 29 166 Er 31 169 Tm 32 174 Yb 32 177 Lu 36 132 Xe Somit haben alle Atome eines chemischen Elements dieselbe Kernladungszahl (auch Ordnungszahl). Die Elemente werden im Periodensystem nach steigender Kernladungszahl angeordnet. Xenon 8 32 18 Astat 2 10 40 Ar 8 Jod 7 Ne Neon Brom 7 Tellur 6 2 Chlor 7 2 20 Fluor Selen 6 Antimon 5 F 2 Schwefel Arsen 5 Zinn 4 15 5a 75 As O 19 Sauerstoff Phosphor Germanium 4 Indium 3 6 28 Si 2 Stickstoff Silizium Gallium 3 N 2 Kohlenstoff 16 54 222 Rn Radon 8 86 106 22 8 Praseodym 2 20 9 Thorium 2 8 7b 55 Mn 13 3a 69 Ga C 14 Chemisches Element ist die Sammelbezeichnung für alle Atomarten mit derselben Anzahl an Protonen im Atomkern. Hanium 105 (Uran-Metalle) 6b 52 Cr Chrom 1 Tantal 3 58 232 Th 13 Niob 104 9 8 Vanadium 2 2 18 11. Dezember 2014 www.ibn.ch 22 90 Zr Kutschatowium O Q 11 Hafnium 2 Actiniden 8 Zirkon P P 4b 48 Ti Titan 21 89 Y Yttrium Radium 2 3b 45 Sc (Metalle der seltenen Erden) 7 3 3 N 6 Alkalimetalle 2 Aluminium Barium Francium Q 1 Edelgase B 12 Bor 8 Strontium Cäsium P Nichtmetall Kalzium 2 Rubidium O 1 2 Innere ÜbergangsMetalle Magnesium Kalium N 1 11 Be Lihium Natrium 4 6 Chemische Gruppen, chemische Elemente, Atome Schale Periode 2.1.2 Seite 59 231 Pa 91 8 Neodym 2 21 9 Pratactinium 2 142 Nd 60 238 U Promethium 2 22 9 Uran 2 92 8 61 237 Np Samarium 2 24 8 Neptunium 2 93 8 62 242 Pu Europium 2 25 8 Plutonium 2 94 9 63 243 Am Gadolinium 2 25 9 Americium 2 95 9 64 247 Cm Terbium 2 27 8 Cerium 2 96 9 65 249 Bk Dysprosium 2 28 8 Berkelium 2 97 9 66 251 Cf Holmium 2 29 8 Californium 2 98 9 67 255 Es Erbium 2 30 8 Einsteinium 2 99 8 68 253 Fm Thulium 2 31 8 Fermium 2 100 8 69 256 Md Ytterbium 2 32 8 Mendelevium 2 101 9 70 251 No Lutetium 2 32 9 Nobelium 2 102 71 247 Lr Lawrencium 2 103 Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE Periodentafel der Elemente Periodensystem der Atome Schale Periode 2.1.3 Seite 1 Tabelle 1 2 3 4 5 6 7 8 1 H 1 4 He Wasserstoff 2 3 K 1 1 K 2 7 Li L 1 K 2 L 8 Helium Halbmetall 2 2 Berylium 3 23 Na 4 24 Mg 8 Natrium M 1 L 4 8 M 8 11 1a 39 K M 18 5 N 8 19 85 Rb 2 8 8 N 18 6 O 18 37 133 Cs 18 8 1 O 18 7 P 8 55 223 Fr 2 18 8 87 20 88 Sr 38 138 Ba 2 18 8 56 226 Ra 8 9 88 3b 45 Sc 8 10 Scandium 2 18 9 2 18 10 Yttrium 2 18 9 39 139 La Lanthan 2 18 9 57 227 Ac Actinium 2 89 2 32 58 bis 71 10 2 32 90 bis 103 10 2 19 9 2 10 18 12 72 261 Ku 2 23 93 Nb 1 32 11 41 181 Ta 2 32 10 73 161 Ha Halbedel 2 5 27 Al 6b 52 Cr 8 13 Chrom 1 18 13 24 98 Mo 32 12 42 184 W 18 13 74 14 25 99 Tc 2 32 13 43 187 Re 18 15 75 8 15 26 102 Ru 1 32 14 44 192 Os 18 16 76 8 16 27 103 Rh 1 32 15 45 193 Ir 18 18 77 8 18 28 106 Pd 0 32 17 46 195 Pt 18 18 78 8 18 29 107 Ag 1 32 18 47 197 Au 18 18 79 8 18 30 114 Cd 2 32 18 48 202 Hg 18 18 2 8 80 31 115 In 3 32 18 49 205 Tl 4 8 18 81 14 4a 72 Ge 18 18 32 120 Sn 7 31 P 2 8 5 8 18 32 18 50 208 Pb 82 2 8 18 18 33 121 Sb 6 8 18 32 18 51 209 Bi 18 18 83 16 6a 80 Se 34 130 Te 6 32 18 52 210 Po 9 35 Cl 2 8 84 105 140 Ce 21 141 Pr 8 7 8 18 17 7a 79 Br 8 Praseodym 2 20 9 59 231 Pa 2 21 9 91 60 238 U 23 8 92 145 Pm 24 8 Promethium 2 22 9 Uran 2 20 Ne Neon 8 2 8 18 18 35 127 I Argon 8 18 8 84 Kr 18 Krypton 8 18 18 Jod 7 32 18 53 210 At 85 36 132 Xe Xenon 8 32 18 Astat 7 10 40 Ar 54 222 Rn Radon 8 86 - Schwermetalle Leichtmetalle Edelmetalle Halbedelmetalle Unedle Metalle Definition Halbedelmetalle: Im chemischen Sinne sind Halbedelmetalle und also alle Metalle, die in der elektrochemischen Spannungsreihe ein positives Standardpotential gegenüber Wasserstoff besitzen. Liste der elektrochemischen Potentiale siehe Neodym Pratactinium 2 142 Nd 2 Brom 7 106 22 2 Chlor Polonium 6 2 Fluor 7 Tellur Bismuth 5 8 32 S Selen 6 Antimon 5 19 F 2 Schwefel Arsen 5 Blei 4 15 5a 75 As 16 O Sauerstoff 6 Phosphor Zinn 4 2 Stickstoff 5 Germanium 4 Thallium 3 6 28 Si Silizium Indium Quecksilber 2 13 3a 69 Ga 14 N 2 Kohlenstoff 4 Gallium 3 Cadmium Gold 1 2b 64 Zn Zink 2 Silber Platin 1 1b 63 Cu Kupfer 1 Palladium Iridium 2 58 Ni Nickel 2 Rhodium Osmium 2 8 59 Co Kobalt 2 Rutherium Rhenium 2 56 Fe Eisen 2 Technikum Wolfram 2 8 Mangan 2 Molybdän 1 7b 55 Mn 12 C Hanium 104 90 13 Tantal 3 58 232 Th 8 Niob Thorium (Uran-Metalle) www.ibn.ch 13. November 2008 40 180 Hf 5b 51 V Vanadium 2 Cer 18 Q 22 90 Zr Kutschatowium P Actinoiden 11 Hafnium O P 8 Zirkon (Metalle der seltenen Erden) 7 4b 48 Ti Titan 21 89 Y Lanthaniden O Leichtmetall 3 Radium 2 2 Aluminium N 6 Edelgase 8 Barium Francium Q 1 Nichtmetall Strontium Cäsium P 12 2a 40 Ca 11 B Bor 3 Kalzium 2 Rubidium O 1 2 Magnesium Kalium N 1 Edelmetalle 9 Be Lihium 2 Metalle Schwermetall Unterteilung der Metalle: 61 237 Np 93 25 8 Samarium 2 24 8 Neptunium 2 152 Sm 62 242 Pu 94 25 9 Europium 2 25 8 Plutonium 2 151 Eu 63 243 Am 95 26 9 Gadolinium 2 25 9 Americium 2 158 Gd 64 247 Cm 96 27 9 Terbium 2 27 8 Cerium 2 159 Tb 65 249 Bk 97 28 9 Dysprosium 2 28 8 Berkelium 2 164 Dy 66 251 Cf 98 29 9 Holmium 2 29 8 Californium 2 165 Ho 67 255 Es 99 31 8 Erbium 2 30 8 Einsteinium 2 166 Er 68 253 Fm 100 32 8 Thulium 2 31 8 Fermium 2 169 Tm 69 256 Md 101 32 9 Ytterbium 2 32 8 Mendelevium 2 174 Yb 70 251 No 102 Kap. 3.6.1 St. 81 Lutetium 2 32 9 Nobelium 2 177 Lu 71 247 Lr Lawrencium 2 103 Version 2 7 BET 2 1 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE PERIODENTAFEL DER ELEMENTE 2.1.3.1 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Seite 8 Tabellenform des Periodensystems der Elemente Version 3 BET 2 1 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE PERIODENTAFEL DER ELEMENTE 2.1.3.2 Seite 9 Wertigkeiten der Elemente des Periodensystems Die chemischen Grundstoffe, welche nicht mehr trennbar sind, nennt man Atome Element Actinium Aluminium Americum Antimon Argon Arsen Astat Barium Berkelium Beryllium Blei Bor Brom Cadmium Calcium Californium Cäsium Cer Chlor Chrom Curium Dysprosium Einsteinium Eisen Erbium Europium Fermium Fluor Francium Gadolinium Gallium Germanium Gold Hafnium Hahnium Helium Holmium Indium Iridium Jod Kalium Kobalt Kohlenstoff Krypton Kupfer Kurschatowium Lanthan Lawrencium Lithium Lutetium Magnesium Mangan Mendelevium 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Kurzzeichen Wertigkeit Ac Al Am Sb Ar As At Ba Bk Be Pb B Br Cd Ca Cf Cs Ce Cl Cr Cm Dy Es Fe Er Eu Fm F Fr Gd Ga Ge Au Hf Ha He Ho In Ir J K Co C Kr Cu Ku La Lr Li Lu Mg Mn Md 3 3 3 3,5 0 3,5 7 2 3,4 2 2,4 3 1,5 2 2 3 1 3,4 1,5,7 2,3,6 3 3 3 2,3,6 3 3 3 1,7 1 3 3 4 1,3 4 5 0 3 3 3,4,6 1,3,5,7 1 2,3 2,4 0 1,2 4 3 3 1 3 2 2,3,4,6,7 3 relative Atommasse Ar (227) 26,9815 (243) 121,75 39,948 74,9216 (210) 137,34 (247) 9,01218 207,19 10,811 79,904 112,40 40,08 (251) 132,9055 140,12 35,453 51,996 ((247) 162,50 (254) 55,847 167,26 151,96 (257) 18,9984 (223) 157,25 69,72 72,59 196,9665 178,49 (261) 4,00260 164,9303 114,82 192,22 126,9045 39,102 58,9332 12,01115 83,80 63,546 (261) 138,9055 (256) 6,941 174,97 24,305 54,9380 (258) Ordnungszahl Z 89 13 95 51 18 33 85 56 97 4 82 5 35 48 20 98 55 58 17 24 96 66 99 26 68 63 100 9 87 64 31 32 79 72 105 2 67 49 77 53 19 27 6 36 29 104 57 103 3 71 12 25 101 Element Molybdän Natrium Neodym Neon Neptunium Nickel Niob Nobelium Osmium Palladium Phosphor Platin Plutonium Polonium Praseodym Promethium Protactinium Quecksilber Radium Radon Rhenium Rhodium Rubidium Ruthenium Samarium Sauerstoff Scandium Schwefel Selen Silber Silizium Stickstoff Strontium Tantal Technetium Tellur Terbium Thallium Thorium Thulium Titan Uran Vanadium Wasserstoff Wismut Wolfram Xenon Ytterbium Yttrium Zink Zinn Zirkon Kurzzeichen Wertigkeit Mo Na Nd Ne Np Ni Nb No Os Pd P Pt Pu Po Pr Pm Pa Hg Ra Rn Re Rh Rb Ru Sm O Sc S Se Ag Si N Sr Ta Tc Te Tb Tl Th Tm Ti U V H Bi W Xe Yb Y Zn Sn Zr 3,4,6 1 3 0 3,4,5,6 2,3 5,3 3 2,3,4,8 2,4 3,5 2,4 3,4,5,6 2,6 3 3 3 1,2 2 0 1,4,7 8 1 3,4,6,8 3 2 3 2,4,6 2,4,6 1,2 4 2,3,5 2 5 7 2,6,4 3 1,3 4 3 2,3,4 3,4,5,6 2,3,4,5 1 3,5 2,3,4,5,6 0 2,3 3 2 2,4 4 relative Atommasse Ar 95,94 22,9898 144,24 20,179 237,0482 58,71 92,9064 (255) 190,2 106,4 30,9738 195,09 (244) (210) 140,9077 (145) 231,0359 200,59 226,0254 (222) 186,2 102,9055 85,4678 101,07 150,35 15,9994 44,9559 32,064 78,96 107,868 28,086 14,0067 87,62 180,9479 98,9062 127,60 158,9254 204,37 232,0381 168,9342 47,90 238,029 50,9414 1,00797 208,9806 183,85 131,30 173,04 88,9059 65,37 118,69 91,22 Ordnungszahl Z 42 11 60 10 93 28 41 102 76 46 15 78 94 84 59 61 91 80 88 86 75 45 37 44 62 8 21 16 34 47 14 7 38 73 43 52 65 81 90 69 22 92 23 1 83 74 54 70 39 30 50 40 Version 3 BET 2 1 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE PERIODENTAFEL DER ELEMENTE 2.1.3.3 Seite 10 Wertigkeitsbegriffe Die Wertigkeit eines Stoffes sagt aus, wie das Element eine Verbindung eingeht in Bezug auf seine Valenzelektronen (Elektronen der äussersten Schale). Oxidation Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt. Ihre Oxidationszahl wird dabei erhöht. Reduktion Ein anderer Stoff nimmt die Elektronen auf und wird reduziert. Redoxreaktion Beide Reaktionen zusammen werden als Teilreaktionen einer Redoxreaktion betrachtet. Beispiel Reaktion Metallatom mit einem Sauerstoff-Atom ( FeO , Eisenoxid) Oxidation Metall ( Fe ) gibt zwei Elektronen ab. Fe Fe 2 + + 2e− Reduktion Sauerstoff (O) nimmt zwei Elektronen auf. O + 2e − O2− Redoxreaktion Fe + O Fe 2 + + O 2 − Sauerstoff oxidiert das Metall und wird dabei selbst reduziert. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE 2.1.4 Seite 11 Borsches Atommodell 2.1.4.1 Protonen, Neutronen und Elektronen Die Anzahl und Gewicht mal leichter. Protonen und Neutronen bestimmen Art ca. 2000 des Stoffes, denn die Elektronen sind Die Anzahl Elektronen auf der äussersten Hülle sind entscheidend für das chemische und elektrische Verhalten des Stoffes. Da die Zahl der Elektronen Protonen gleich gross wie die Zahl der neutral. ist, ist das Atom nach aussen Atommodell Atomhülle Elektron Ladung e = -1,602x10-19 As Masse m = 9,109x10-28 g Ladung e = 1,602x10-19 As Masse m = 1,672x10-24 g Atomkern Proton Neutron Masse Warum fällt der Atomkern nicht auseinander? 11. Dezember 2014 www.ibn.ch keine Ladung m = 1,675x10-24 g Die Atomrümpfe der Metallatome bilden ein Kristallgitter. Metalle sind Kristallin. Zwischen den Atomrümpfen befindet sich das „Elektronengas“, bestehend aus den Valenzelektronen der Metallatome. Damit der Kern nicht auseinander fällt gibt es die Neutronen. Sie bilden den so genannten Kernkitt. Der Kern heisst Nukleus – Die Nukleonenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen. Version 3 BET 2 1 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE BORSCHES ATOMMODELL Seite 12 2.1.4.2 Beispiel: Kupfer 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE BORSCHES ATOMMODELL Seite 13 2.1.4.3 Beispiel: Aluminium 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE 2.1.5 Seite 14 Reinstoffe – Elemente 2.1.5.1 Definition Reinstoffe Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind. Als Reinstoff bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der einheitlich zusammengesetzt ist und damit aus nur einer "Teilchensorte" besteht. Reinstoffe bestehen nur aus einer Sorte Atome (Atomos = unteilbar). REINSTOFFE KÖNNEN MIT PHYSIKALISCHEN TRENNVERFAHREN NICHT WEITER AUFGETEILT WERDEN. Eine weitere Aufteilung gelingt jedoch bei vielen Reinstoffen mit chemischen Zerlegungsverfahren. Reinstoffe können Elemente oder Verbindungen sein. Reinstoffe haben klar definierte physikalische Eigenschaften, die zur Charakterisierung verwendet werden, z. B. Einige Reinstoffe: SCHMELZPUNKT (SCHMELZTEMPERATUR) SIEDEPUNKT (SIEDETEMPERATUR) KUPFER DICHTE DESTILLIERTES WASSER DIE ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT DIE WÄRMELEITFÄHIGKEIT LÖSLICHKEIT IN EINEM LÖSUNGSMITTEL 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Reinstoffe bestehen aus Teilchen, die stets gleich bleibende (also konstante) Eigenschaften haben. Version 3 BET 2 1 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE UND ELEMENTE Seite 15 2.1.5.2 Metalle Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind. Die chemischen Elemente der Metalle zeichen sich durch vier Eigenschaften aus: 2.1.5.2.1 Schmelzleiter aus Silber oder Silberlegierung Eigenschaften Metalle Kabelrolle Kupferkabel ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT WÄRMELEITFÄHIGKEIT METALLISCHE GLANZ Wolframwendel PLASTISCH FORMBAR (DUKTILITÄT) 2.1.5.2.2 Wichtige berufsrelevante Metalle Edle Metalle: GOLD SILBER PLATIN WOLFRAM Halbedle Metalle: KUPFER QUECKSILBER Die elektrische Leitfähigkeit, auch Konduktivität genannt, nimmt bei allen Metallen mit steigender Temperatur ab. Silber hat die beste elektrische Leitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit λ, auch Wärmeleitzahl genannt, beschreibt die Fähigkeit thermische Energie (Wärme) zu transportieren. Leicht verschiebbare Elektronen sind Bestandteil dieser Wärmebewegung. Die Duktilität beschreibt die Eigenschaft eines Werkstoffes sich erst plastisch zu verformen ohne sofort zu brechen. Einige Stahlsorten können sich bis zu einem viertel plastisch verformen bis der Werkstoff schliesslich reißt. Diese Eigenschaft ist in erster Linie von de Gittertyp abhängig. Diese Eigenschaft der Duktilität ermöglicht ein vorzeitiges erkennen einer zu hohen Belastung des Materials. Auch die Automobil-Industrie nutzt diese Eigenschaft der plastischen Verformung - Die Knautschzone. Hierbei wird Energie durch Verformung absorbiert. Der metallische Glanz, auch Reflexion genannt, wird durch frei bewegliche Elektronen ermöglicht. Diese können die eingestrahlte oder besser die aufgenommene Energie in allen Wellenlängen unverändert wiedergeben. Den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle besitzt Wolfram, welcher als Spezialstahl in Glühbirnen zur Verwendung kommt. Rohrheizkörper Unedle Metalle: ALUMINIUM EISEN, ZINK, CHROM NICKEL, MANGAN MAGNESIUM 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Opfer-Anode aus Magnesium Opferanode für den Korrosionsschutz von Wassererwärmern (Boiler) Zusatzeigenschaften von unedlen Metallen Geben leicht Elektronen ab unter Bildung von Kationen. Reagieren mit Säuren unter Wasserstoffentwicklung. Reagieren mit Sauerstoff leicht zu Oxiden. Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE 2.1.6 Seite 16 Halbmetalle Halbleiter bzw. Halbmetalle sind Stoffe, deren Valenzelektronen fest im Atomgitter eingebunden sind und nicht zum Ladungstransport beitragen können und deshalb schlecht leiten. 2.1.6.1 Berufsrelevante Merkmale der Halbmetalle SIND WEDER LEITER NOCH ISOLATOREN LEITFÄHIGKEIT NIMMT BEI TEMPERATURERHÖHUNG ZU ES ENTSTEHEN FREIE ELEKTRONEN ERSCHEINUNG WIRD ALS EIGENLEITUNG BEZEICHNET SIE HABEN VIER VALENZELEKTRONEN DIE LEITFÄHIGKEIT WIRD DURCH DOTIEREN ERHÖHT P-LEITFÄHIGKEIT ODER N-LEITFÄHIGKEIT 2.1.6.2 Berufsrelevante Halbmetalle Leistungselektronik Transistor als Schalter SILIZIUM Unterhaltungs- und HochfrequenzElektronik GERMANIUM SELEN SiliziumBrückengleichrichter aus vier Dioden TO 254 npn-Silizium-Transistoren Grenztemperatur 170 °C Germanium-Transistor TO-3 – Gehäuse Grenztemperatur 100 °C (Graetzschaltung) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE 2.1.7 Seite 17 Nichtmetalle Als Nichtmetalle bzw. Nichtleiter werden Werkstoffe bezeichnet, die als Isoliermaterialien in der Elektroindustrie verwendet werden. Sie besitzen im normalen Zustand wenig freie Elektronen. Es werden heute häufig Kunststoffe für die Isolierung eingesetzt. 2.1.7.1 Berufsrelevante Eigenschaften der Nichtmetalle LEICHTER ALS METALLE WENIG WÄRMELEITFÄHIGKEIT Schwefel WÄRMEISOLIEREND ELEKTRISCH NICHTLEITEND, ISOLIEREND CHEMISCH BESTÄNDIG, KORROSIONSFEST Hygroskopisch In der Chemie und Physik die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Umgebung (meist in Form von Wasserdampf aus der Luftfeuchtigkeit) zu binden. NICHT HYGROSKOPISCH LEICHT FÄRBBAR SCHLECHT WÄRMEBESTÄNDIG (<120 °C) 2.1.7.2 Verschiedene berufsrelevante Nichtmetalle SCHWEFEL (S) IOD (I), CHLOR (Cl) SAUERSTOFF (O) WASSERSTOFF (H) ARGON (Ar) HELIUM (He) BOR (B) KOHLENSTOFF (C) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE Seite 18 Materialien aus Chlor 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE - VERBINDUNGEN 2.1.8 Seite 19 Reinstoffe - Verbindungen Als chemische Verbindung bezeichnet man einen Reinstoff, der aus zwei oder mehr verschiedenen chemischen Elementen besteht, die – im Gegensatz zu Gemischen – in einem festen Atomanzahl- und daher auch Massenverhältnis zueinander stehen. Charakteristisch für jede chemische Verbindung ist ihre eindeutige Chemische Struktur. Oft nicht eindeutig ist die Summenformel, mit der man unter Verwendung der molaren Masse beispielsweise die Menge an Produkten einer chemischen Reaktion errechnen kann (in der Stöchiometrie, mit Hilfe eines Reaktionsschemas). Isomere chemische Verbindungen besitzen dieselbe Summenformel, aber eine unterschiedliche Molekülstruktur. Chemische Elemente können, bis auf einige Edelgase, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen oder Ionenkristallen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Reinstoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Elemente können eine Verbindung mit anderen Elementen oder auch mit sich selbst eingehen: Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements untereinander zu einem Molekül, also Cl2 bzw. F2. Gewöhnliches Wasser (Summenformel: H2O) ist hingegen eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül). Unlegierte Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente. 2.1.8.1 Eigenschaften von Verbindungen Die Eigenschaften von Verbindungen sind neu und von den Eigenschaften der Grundelemente abweichend. 2.1.8.2 Einige Verbindungen (Beispiele) SÄURE (SALZSÄURE, SCHWEFELSÄURE) LAUGE (NATRONLAUGE) KUNSTSTOFF (PLEXIGLAS, PVC, NYLON, POLYÄTHYLEN) OXIDE (SCHWEFELDYOXID, EISENOXID) ALKANE (METHAN, PUTAN, PROPAN) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Grundsätzlich gibt es vier Arten von chemischen Verbindungen zwischen den Atomen der Elemente: Molekulare Verbindungen entstehen aus Nichtmetall und Nichtmetall – sie sind Nichtleiter (elektrisch nicht leitfähig) mit zumeist relativ niedrigem Siedepunkt (Diamantartige oder Kunststoffartige Verbindungen mit Riesenmolekülen ausgenommen). Beispiele für molekulare Verbindungen sind neben Wasser auch Methangas, Zucker) usw. Ionische Verbindungen entstehen aus Metall(kation) und Nichtmetall(Anion). Sie sind salzartige: spröde, von hohem Schmelzpunkt und elektrisch leitfähig nur in Schmelze oder Lösung. Beispiele für Ionenverbindungen sind Eisen-II-oxid (dem Rost ähnlich) und Kochsalz (Natriumchlorid). Metallische Verbindungen entstehen aus Metall und Metall – sie sind elektrisch leitfähig, gut verformbar, glänzend und gute Wärmeleiter. Beispiele für derlei Legierungen sind Bronze und Messing). Verbindungen höherer Ordnung (Komplexe) entstehen bei einer Komplexbildungsreaktion zumeist aus Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren (Liganden). Sie sind oft auffallend farbig; Beispiele: Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin aus Eisen-II-ionen und Eiweißmolekülen und der tiefblaue Kupfertetramin-Komplex aus Kupfer-II-ionen und Ammoniak). Version 3 BET 2 1 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE - VERBINDUNGEN Seite 20 2.1.8.3 Benennung von Verbindungen - Übung Einfache Verbindungen werden nach dessen Verbindungselement benannt. Die Verbindung mit ….. nennt man ….. Sauerstoff O Schwefel S Fluor F Chlor Cl Brom Br Jod I -oxid -sulfid -fluorid -chlorid -bromid -iodid MgO Magnesiumoxid Fe2O3 Eisenoxid FeS Eisensulfid Ag2S Silbersulfid NaF Natriumfluorid CaF2 Calciumfluorid AgCl Silberchlorid AuCl3 Goldchlorid KBr KI NaCl MnO2 Kaliumbromid AgBr Silberbromid Kaliumiodid PbI2 Bleiiodid Natriumchlorid N2O Stickstoffoxid Mangan(lV)-oxid Kohle-Zink Batterie Elektrofachkraft beim Gipsen C2H2F4 Tetrafluorethan Gewisse einfache Verbindungen besitzen Namen, die von dieser Regel etwas abweichen: CO Kohlenstoffmonoxid CO2 Kohlenstoffdioxid H2O Wasser HCl Salzsäure HF Fluorwasserstoff CS2 Schwefelwasserstoff NO Stickstoffmonoxid NH3 Ammoniak H2O2 CH2Cl2 Wasserstoffberoxid Dichlormethan Bei einigen einfachen Verbindungen ist eine „volkstümliche“ Bezeichnung gebräuchlich: NaCl Kochsalz CaF2 Flussspat MgO Magnesia CaO Gebrannter Kalk ZnO Zinkweiss N2O Lachgas SiO2 Quarz Ca[SO4] Gips 11. Dezember 2014 www.ibn.ch MnO2 C2H2F4 Früher in Klimaanlagen eingesetzte Kältemittel (Fluorchlorkohlenwasserstoffe/FCKWs mit den Handelsnamen Freon bzw. Frigen, z. B. R12) schädigen die Ozonschicht und verstärken den Treibhauseffekt. Heute werden Klimaanlagen und Wärmepumpen überwiegend mit dem umweltfreundlicheren Kältemittel R134a (Tetrafluorethan, C2H2F4) befüllt. Braunstein R134a Version 3 BET 2 1 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE - VERBINDUNGEN Seite 21 2.1.8.4 Entstehung von Verbindungen Verbindungen entstehen, wenn sich die Atome der Beteiligten Elemente miteinander verbinden. Aber es ist nicht möglich, dass jedes Element mit jedem beliebigen anderen im Verhältnis 1:1 eine Bindung eingeht. Bei der Bildung von Verbindungen ist die Wertigkeit der Atome entscheidend. Ein Element, z.B. Chlor, hat die Wertigkeit 1 (man spricht auch, es ist einwertig), wenn jedes seiner Atome ein Wasserstoffatom an sich binden kann. Wasserstoff ist damit ebenfalls einwertig. Sauerstoffatom binden zwei Wasserstoffatome, also sind sie zweiwertig. Molekülmodell Name der Verbindung Wertigkeit der Atome Wasser H: 1-wertig O: 2-wertig ChlorWasserstoff H: 1-wertig Cl: 1-wertig Struktorformel O H H2O H HCl H Cl Summenformel Koklenstoffatome können vier Wasserstoffatom an sich binden, demzufolge ist Kohlenstoff vierwertig. Atomfarben Moellbaukasten H Wasserstoff (weiss) Cl Chlor (grün) H Methan H: 1-wertig C: 4-wertig H H C CH4 H O Sauerstoff (rot) Stickstoffatome können drei Wasserstoffatome an sich binden, sie sind dreiwertig. H Amoniak (giftig) H: 1-wertig N: 3-wertig H N NH3 C Kohlenstoff (schwarz) H Sauerstoff O: 2-wertig O O O2 So benutzt man die Bindungsfähigkeit des Wasserstoffatoms als Mass für die Bindungsfähigkeit der Atome. Haben die beteiligten Atome die gleiche Wertigkeit, so verbinden sie sich im Zahlenverhältnis 1:1. Magnesium, zweiwertig, und Sauerstoff, ebenfalls zweiwertig, bilden Magnesiumoxid, MgO. Aber ein vierwertiges Atom kann auch ein zweiwertiges Atom an sich binden, wie bei der Entstehung von Kohlenstoffdioxid, Formel CO2. S Schwefel (gelb) N Stickstoff (blau) Molekülformel und Strukturformel ermöglichen eine bessere Vorstellung vom Bau der Moleküle. Die Bindearme zwischen den Atomen verdeutlichen die Wertigkeit. Die chemische Formel, auch Summenformel genannt, gibt nur Auskunft darüber, welche Atome in welcher Anzahl beteiligt sind. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE - VERBINDUNGEN Seite 22 2.1.8.5 Moleküle - Übung Bauen Sie mit den entsprechenden Farben aus dem Modellbaukasten folgende Moleküle auf! Beachten Sie dabei die Wertigkeiten! Zeichnen Sie die Strukturformel der Moleküle auf und suchen Sie einen oder mehrere aktuelle Namen der Verbindugen. H2O HCl O2 SO2 CH4 O3 H2 CO2 NH3 C2H6 C2H5OH H2SO4 Ca[SO4] (Gips, Calciumsulfat) C2H2F4 Umweltfreundliches Freon, Frigen (R134a), Tetrafluorethan, C2H2F4 Kältemittel in modernen Wärmepumpen 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE REINSTOFFE - VERBINDUNGEN Seite 23 2.1.8.6 Wertigkeiten - Übung Welche Verbindungen können aus je zwei Elementen entstehen? Finden Sie die Formel mit Hilfe der Wertigkeiten (Wertigkeiten eintragen)! Von einigen Verbindungen kennen Sie auch schon den Namen. Schreiben Sie ihn unter die Formel! Aluminium III Calcium II Eisen II,III Kohlenstoff II,IV Kupfer I,II Magnesium II Natrium I Phosphor III,V Quecksilber I,II Schwefel II,IV,VI Sauerstoff Wasserstff Schwefel Chlor II I II,IV,VI I Al2O3 Aluminiumoxid CaO Calciumoxid CaS Calciumsulfid CaCl2 Calciumchlorid Fe2O3 Eisenoxid FeS Eisen(II)-sulfid FeCl3 Eisen(III)-chlorid CS2 Kohlenstoffdisulfid CCl4 Tetrachlormethan CuO Kupferoxid CuS Kupfer(II)-sulfid CuCl2 Kupfer(II)-chlorid MgO Magnesiumoxid MgS Magnesiumsulfid MgCl2 Magnasiumchlorid Na2O2 Natriumperoxid Na2SX Natriumpolysulfid NaCl Natriumchlorid Kochsalz HgS Quecksilbersulfid HgCl2 Quecksilber(II)-chlorid H2S Schwefelwasserstoff HCl Chlorwasserstoff Salzsäure CO2 Kohlendioxid HgO Montroydit (Mineral) SO2 Schwefeldioxid NH3 Ammoniak III,V I 11. Dezember 2014 www.ibn.ch CH4 Methan P2O5 Phosphorpentoxid Stickstoff Wasserstoff AlCl3 Aluminiumchlorid H2O Wasser Version 3 BET 2 1 9 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE NATÜRLICHE STOFFE 2.1.9 Seite 24 Natürliche Stoffe Wir kommen täglich mit einer Vielzahl von Stoffen in Berührung. Manche Stoffe liefert uns die Natur direkt, andere werden chemisch hergestellt. Es gibt sehr viele Definitionen was ein natürlicher oder künstlicher Stoff ist, wobei bei einigen Personen auch Ideologien im Spiel sind, z.B. das Bestreben von "Chemie" freien Produkten. (Letzteres ist schon deswegen Unsinn, weil natürliche Stoffe auch chemische Verbindungen sind). Ich benutze in diesem Artikel folgende Definition: Ein natürlicher Stoff ist ein Stoff der so in der Natur vorkommt oder in Stoffe zerfällt die auch natürlich in der Nahrung vorkommen. Zahlreiche einfache Stoffe können heute biochemisch oder mit chemischen Synthesen gewonnen werden. 2.1.9.1 Natürliche Stoffe 2.1.9.2 Künstliche Stoffe HOLZ LEIM WASSERMICH ZEMENT ZUCKER KOCHSALZ GOLD DIAMANT KOCHSALZKRISTALL BERGKRISTALL Auch die reinsten natürlichen Stoffe, wie zum Beispiel Gold, ein Diamant, ein Kochsalzkristall und ein Bergkristall, enthalten immer mehr oder weniger Verunreinigungen. Sie alle befinden sich ja in einem ständigen Luftbad oder sie sind im Erdreich eingebettet. Eine wichtige Aufgabe der Chemie besteht darin, aus Rohstoffen (natürlichen Stoffen) neue Stoffe mit möglichst grossen Reinheitsgrad herzustellen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 10 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE GEMISCHE Seite 25 2.1.10 Gemische 2.1.10.1 Definition Gemische Unter einem Gemisch (Stoffgemisch) versteht man einen Stoff, der mindestens aus zwei Reinstoffen besteht. 2.1.10.2 Verschiedene Gemische (Beispiele) Heterogene Gemische Homogene Gemische GEMENGE (GRÖLLHAUFEN) LEGIERUNG (MESSING, PASTE (ZAHNPASTE) BRONZE, MÜNZEN) SUSPENSION (TUSCHE) LÖSUNG (ZUCKERWASSER) EMULSION (FETTSAUCE) GASGEMISCH (LUFT, FURZ SCHAUM (SCHLAGRAHM) KNALLGAS) RAUCH (ZIGARETTENRAUCH) NEBEL (HAARSPRAY) Wir nennen Gemische heterogen, wenn sich die einzelnen Stoffe zumindest mit dem Mikroskop unterscheiden lassen. Wir nennen Gemische homogen, wenn die einzelnen Bestandteile so fein vermischt sind, dass sie sich nicht mehr unterscheiden lassen. 2.1.10.3 Eigenschaften von Gemischen Gemische bestehen aus mehreren Reinstoffen, welche miteinander nicht chemisch reagiert haben und deshalb auch im Gemisch noch ihre typischen Eigenschaften aufweisen. Gemische lassen sich nur dann in ihre Bestandteile zerlegen, wenn sich die einzelnen Stoffe in der zur Trennung genutzten Eigenschaften genügen stark unterscheiden. 2.1.10.4 Gemenge Von einem Gemenge spricht man meist bei granulen (Haufwerk, Schüttgut) oder lebenden Komponenten (Samen), die sich nur miteinander vermengen, aber nicht homogen mischen können, ohne abzusterben oder funktionsunfähig zu werden. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE LEGIERUNGEN Seite 26 2.1.11 Legierungen Eine Legierung ist ein partieller oder vollständiger Mischkristall mit metallischem Charakter. Als Legierung wird ein Gemisch von zwei Stoffen bezeichnet, von denen mindestens eine Komponente ein Metall ist. Durch das Mischen werden die Eigenschaften des Grundmetalls beeinflusst. So haben die meisten Legierungen eine größere Härte und sind rostbeständiger. Boilerheizung Panzerheizstab Cu55Mn44Ni1 Werkzeugstahl Chrom-Vanadium Holzspiralbohrer 2.1.11.1 Übersicht wichtiger Legierungen der Elektrotechnik Wichtigsten Stahlsorten bzw. Eisen-Legierungen BAUSTAHL WERKZEUGSTAHL EDELSTAHL,SONDERSTAHL Wichtige Nichteisen-Legierungen Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und NichteisenLegierungen unterteilt. MessingFassung CuZn37 MESSING (KUPFER,ZINK) BRONZE (KUPFER, ZINN) WEISS- , ROTGOLD BronzeKonstruktion CuSn15 Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen. KONSTANTAN Weissgoldbeschichtet Natürliche Legierungen Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften. Vergoldete Kontakte Schraubendreher Einsätze mit Titanbeschichtung bis zu 600 % härter als herkömmlicher CR V Stahl. Eisenlegierungen Diese Legierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Besondere Bedeutung haben die Edelstähle: Eisenlegierungen mit Chrom und Nickel. Nichteisen-Legierungen NE-Legierungen sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen. Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können. Edelstahl und Werkzeugstahl Konstantan Wegen des kleinen Temperaturkoeffizienten wird Konstantan für Präzisions- und Messwiderstände verwendet. Aber auch Schiebe- und Heizwiderstände werden aus Konstantan hergestellt. Heuslersche Legierungen Ferromagnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Cu2AlMn). Formgedächtnis-Legierungen Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zurückkehren. Gusslegierungen Diese Legierungen sind direkt verwendbar, während Knetlegierungen zunächst umgeformt werden. Pseudolegierungen Die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver bei hoher Temperatur) entstandenen Werkstücke nennt man Pseudolegierungen. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Boilerheizung Rohrheizkörper Cu55Mn44Ni1 Version 3 BET 2 1 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE LEGIERUNGEN 2.1.11.2 Seite 27 Eisen-Legierungen Das Verb „legieren“ stammt ursprünglich aus dem lateinischen „ligare“ und bedeutet zusammenbinden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte „legare“ (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen. Das Roheisen enthält noch einen hohen Kohlenstoffgehalt von 4% bis 6%, ist spröde (wie Glas) und nicht verformbar und kann nur als Gusseisen verwendet werden. Roheisen Fe C Mn Roheisen Schrott Stahl Si P S Fe C Mn. Ni,, Mo, Si, W, Cr Si P S Der größte Teil des Roheisens (ca. 97%) wird jedoch zu Stahl weiterverarbeitet. Stahl ist eine schmiedbare Legierung des Eisens mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7%. Die unerwünschten Begleiter (Si, P, S) werden so weit wie möglich entfernt. B u. T LD SM SauerstoffFrischen WindFrischen Allg. Baustahl Massestahl HerdFrischen Qualitätsstahl ElektroStahl Edelstahl Edelstahl Name der Legierung Gusseisen Zusammensetzung Eisen + 1,7-4% Kohlenstoff Eigenschaften spröde, bricht bei Stoß oder Schlag, gießbar Verwendung Kanalisationsrohre, Herdplatten, Maschinenteile Kohlenstoffstahl 0,2-1,7% Kohlenstoffanteil hart und elastisch, gut schmiedbar und walzbar Werkzeug- und Baustahl, Eisenbahnschienen Chromstahl "Ferrochrom" 78-98% Eisen + 2-22% Chrom + 1-1,3% Silizium besonders hart, hitze-, rost- und chemikalienbeständig Schlagwerkzeuge, Kugeln, Maschinenteile Nickelstahl "Ferronickel" 64-98% Eisen + 35,5% Nickel + 0,2% Kohlenstoff + 0,2% Silizium zäh, dehnbar, rostbeständig, erhöhter elektrischer Widerstand Drahtseile, Achsen, Wellen und Zahnräder für Maschinen, Widerstandsdrähte Invarstahl 35,5% Nickelanteil Wärmebeständig Widerstände für Präzisionsmessinstrumente 54-55% Eisen + 25% Chrom + 20% Nickel +0,5% Silizium + 0,12% Kohlenstoff 75-98% Eisen + 0,8-25% Mangan + 0,5% Silizium + 0,1-1,5% Kohlenstoff sehr hart und sehr zäh, gut schweißbar, hitze-, rost-, und chemikalienbeständig fest, zäh, härtbar, schmiedbar und wärmebeständig Panzerplatten, Eisenbahnräder, Achsen, chemische Apparate 90-98% Eisen + 1-5% Molybdän + 1,5-5% Chrom + 0,6-0,8% Kohlenstoff 85-98% Eisen + 0,5-15% Silizium + 0,1-1,7% Kohlenstoff fest, rostbeständig, elastisch, wenig dehnbar, sehr wärmebeständig säurebeständig, fest, härtbar, elastisch, gut verarbeitbar Transformatoren, Motorenbleche, Säurebehälter 71% Eisen + 20% Chrom + 8% Nickel + 0,2% Silizium + 0,1% Kohlenstoff 70-98% Eisen + 2-18% Wolfram + 2,5% Chrom + 0,6-0,8% Kohlenstoff gut schweißbar, sehr hart, rostund säurebeständig, Waschmaschinen, Kochgeschirr, Besteck, Armbanduhren sehr hart, zäh und hitzebeständig Schneidewerkzeuge, Schnelllaufteile für Maschinen (FeNi36) Chromnickelstahl Manganstahl "Ferromangan" Molybdänstahl "Ferromolybdän" Siliziumstahl "Ferrosilizium" V2A-Stahl Wolframstahl "Ferrowolfram" 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Schneidewerkzeuge, Schienen, Maschinenbauteile Zahnräder, Achsen, Wellen, Stahlfedern für Kfz und Uhren Version 3 BET 2 1 11 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE LEGIERUNGEN EISEN-LEGIERUNGEN Seite 28 Entwicklung der Technologie zur Stahlerzeugung und Stahlumwandlung 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE WIDERSTANDSMATERIAL Seite 29 2.1.12 Widerstandsmaterial 2.1.12.1 Eigenschaften Je nach Einsatz werden ganz verschiedene Anforderungen an das Widerstandsmaterial gestellt. Bei den Widerständen von Leitermaterialien wünscht man sich einen kleinen Temperaturkoeffizienten. Die elektrische Leitfähigkeit soll klein sein Widerstände für Regler sollen einen hohen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen Metalle und ihre Legierungen weisen positive Temperaturkoeffizienten auf Kohle, Halbleiter und Metalloxide weisen negative elektrische Temperaturkoeffizienten auf Wheatstonsche Messbrücke für die Bestimmung von Kleinen Widerständen Hoher Schmelzpunkt Möglichst eine kleine Längenausdehnung 2.1.12.2 Einteilung Widerstandsmaterial Man unterscheidet zwischen folgenden Widerstansmaterialien: Präzisionswiderstände Belastungswiderstände Heizwiderstände Technische Widerstände Hochleistungswiderstand, Belastungswiderstand Motoren-Anlasswiderstand Obwohl die Leitung auch einen Widerstand besitzt gehört dieser nicht zu den Widerstandsmaterialien, denn dieser Widerstand ist zwar vorhanden aber nicht erwünscht. Leitungswiderstand Internationale Bezeichnung CH-N1Z1Z1-U(-R) TT-Kabel NIN Kabel E30 nach DIN 4102 T12 Internationale Kabelbezeichnungen siehe unter obiger NIN-Nummer. Wir werden uns mehr mit den Isolationen der Leitungen auseinandersetzen müssen, da die Isolierung der Leitungen von grosser Wichtigkeit bei den Elektro-Installationen ist. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE WIDERSTANDSMATERIAL 2.1.12.3 Seite 30 Anwendungen Heizwiderstände für Wärmeapparate müssen bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sein. Die Festigkeit soll keine zu grosse Einbusse erfahren. Von den Legierungen wird KupferNickel (Konstantan) bevorzugt. Heizungswiderstände werden für - Elektrospeicher Bodenheizungen Direktheizkörper, Tauchsieder Haartrockner (Föhn) Backofen, Kochplatte verwendet. Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen (stark Eisenhaltig) und Konstantan-Panzerheizung Blitzkochplatte, Massekochplatte (Roter Punkt) mit integriertem Bimetallschalter für Überhitzungsschutz (<7 Minuten) Elektrische Fussbodenheizung Direktheizkörper für Badezimmer Technische Widerstände Aussenfühler mit NTC-Widerstand NTC = „Negativer Temperatur- Coeffizient“ Kleinleistungswiderstände für elektronische Schaltungen (Festwiderstände) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Hochleistungswiderstände in Aluminiumgehäuse Laborwiderstand Potentiometer, Regulierwiderstand mit drei Abgriffen für Spannungsregulierung Version 3 BET 2 1 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER STOFFE WIDERSTANDSMATERIAL Seite 31 2.1.12.4 Farbschlüssel für Festwiderstände Es gibt sieben E-Reihen: E3, E6, E12, E24, E48, E96 und E192. n = 3 ⋅ 2a a ∈ {0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6} Die Zahl nach dem Kennbuchstaben E bedeutet die Anzahl der Werte für eine Dekade. Als Faktor, um einen Wert zu berechen, ergibt sich bei der Reihe E12 aus: n 10 m n = 12 m ∈ {0 ,1 ,2 ,...., 11} Für Widerstände kleiner Leistung werden die nebenstehenden Reihen verwendet. Beispiel: Von einem Festwiderstand mit 470Ω und einer Toleranz von ±10% soll der Farbschlüssel bestimmt werden! Gelb Violett Braun Silber 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 1 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE Seite 32 2.1.13 Isolierstoffe 2.1.13.1 Eigenschaften bzw. Zweck Isolierstoffe dienen vornehmlich folgenden Zwecken Gruppierung der Isolierstoffe Isolation spannungsführender Teile gegenüber der Umgebung Isolation zwischen spannungsführenden Teilen Isolierte Befestigung und Durchführung spannungsführender Teile Unterbrechen des Stromflusses beim Öffnen von Stromkreisen Unterscheidung der Isolierstoffe Feste Isolierstoffe Flüssige Isolierstoffe Gasförmige Isolierstoffe Elektrische Anforderungen an Isolierstoffe Bereits geringe Konzentrationen von Asbeststaub in der Luft können die Entstehung von Lungenkrankheiten wie Pleuraplaque, Asbestose, Lungenkrebs oder Mesotheliom (ein Krebs des Brust- oder Bauchfelles) fördern. Hoher Isolationswiderstand Hohe Durchschlagfestigkeit Grosse Krichstromsicherheit Kleine Dielektrizitätskonstante Geringe Verluste Mechanische Anforderungen an Isolierstoffe Asbesthaltige Dichtungen in einem PT100Temperatursensor (Baujahr 1966) Gute mechanische Festigkeit Schlagfest Gute Bearbeitbarkeit Glatte, saubere Oberfläche Klemmensockel aus Keramik (Isolierstoff) Chemische Anforderungen an Isolierstoffe Chemikalienbeständig Feuchtigkeitsbeständig Witterungsbeständig Gute Wärmebeständigkeit Schwer entflammbar Schwer brennbar Alterungsbeständig Gute Wärmeleitfähigkeit 2.1.13.2 Zellulose Kunststoffe Diese Stoffe liegen zwischen den natürlichen Werkstoffen und den synthetischen Werkstoffen (Kunststoffe, Plaste). 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Asbest besteht aus Silikaten verschiedener Zusammensetzung. Es ist ein in Fasern aufspaltbarer Kristall. In der Elektrotechnik wurde Asbest verwendet, wo neben der lsolierfähigkeit ein hitzeund feuerbeständiger Stoff verlangt wurde. Die dielektrischen Eigenschaften sind nicht sehr gut. Achtung Asbest darf heute nicht mehr verbaut werden! Bitte beachten Sie beim Rückbau alter Anlagen darauf, ob nicht Asbest verwendet wurde. Diese Situation ist gefährlich für die Gesundheit, denn Asbeststaub lagert sich in der Lunge ab und ist Krebsgefährdend. Version 3 BET 2 1 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE 2.1.13.3 Seite 33 Anorganische Isolierstoffe Anorganische Isolierstoffe spielten in den Anfängen der Elektrotechnik eine Grosse Rolle. Heute werden noch folgende anorganischen Isolierstoffe verwendet: Isolation durch Luft und durch Keramik in einer UmspannStation eines Hochspannungsnetzes Luft Glimmer Leistungstransistor im TO-3Gehäuse, durch eine Glimmerscheibe elektrisch isoliert auf einem AluminiumKühlkörper aufgeschraubt Asbest Keramik (Porzellan, Steatit) Glas Glimmer (Aluminosilikat) ist ein Mineral, welches in Form von unregelmässigen Kristallen auftritt. Die Kristalle lassen sich in Plättchen und Platten von 0,006 - 3mm Dicke aufspalten. Eternit Pical Gase Keramik besteht meist aus erdigen, meist schwer schmelzbaren Massen die bei Raumtemperatur geformt werden und durch Brennen (Sintern) bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit und Härte erhalten. Als Rohstoffe werden hauptsächlich siliziumhaltige Verbindungen und Metalloxide verwendet. NEOZED Schraubkopf Porzellan Klemme Glimmer aus Quarz, Bauxit und Magnesit erreicht zum Teil bessere Eigenschaften als Naturglimmer. Keramische Einbettmassen werden für Isolation von Heizwendeln in Kochplatten und Heizstäben verwendet. Sie sind Massen aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Speckstein und für hohe Temperaturen Zirkonoxid. Keramik Kondensator Als Anwendung von Porzellan seien Isolatoren für Hoch- und Niederspannung, Durchführungen, Klemmenkörper, Sicherungselemente und Patronen, Fassungsringe, Schalter, Steckdosen, Dosen und Keramikkondensatoren, Kochfelder erwähnt. Glashütten verarbeiten Quarzsand (SiO2), Kalk (CaCO2), Soda (Na2CO3) und Glaubersalz (Na2SO4+H20) zu einem Gemenge, das bei 1500..1600°C zum Dünnfluss geschmolzen wird. Durch eine Öffnung einer Trennwand im Ofen, nahe dem Boden, gelangt das Glas von der Schmelzzone in die Arbeitszone. Hier wird, bei 900°C, das geläuterte Glas im Handbetrieb oder vollautomatisch entnommen. Die Formgebung erfolgt durch Blasen, Pressen, Walzen und Ziehen. Freiluftisolatoren aus Porzellan Oxidkeramik findet Verwendung z.B. als Chipwiderstand, Trimmer, Thermo-Druckkopf oder als Substrat (Unterlage) bei der Herstellung von integrierten Schaltungen. Klemmenbrett mit Steatit- oder Keramiksockel Glasfaserkabel für die Kommunikationstechnik Eternit ist ein Asbestzementwerkstoff Glas- oder Keramik-Isolatoren 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Pical Eternit ähnlicher Stoff Glaskolben von Lampen Sockel aus Porzellan Version 3 BET 2 1 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE 2.1.13.4 Seite 34 Natürliche Organische Isolierstoffe Wichtige natürliche organische Isolierstoffe sind: P G Papier Textilien Gummi Verguss- und Tränkmassen Isolieröle Abgewandelte organische Naturstoffe: Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) Zellulose-Erzeugnisse Organische Isolierstoffe sind aus Makromolekühlen aufgebaut. Man unterscheidet: Makromolekulare Naturstoffe (Makro = Gross - griechisch) Chemisch abgewandelte Naturstoffe Synthetische Stoffe Synthetische Stoffe nennt man auch Kunststoffe oder Plaste. Kohlenstoffverbindungen sind „Organische Verbindungen“ Die maschinenglatten und kalandrierten Papiere werden im Transformatoren und Wandlerbau als Wicklungsisolation verwendet. Neben direkter Verwendung wird Papier mit Öl, Lack und Wachs imprägniert. Es dient auch als Träger hochwertiger anderer Isolierstoffe, die mit Lacken und Kunstharzen aufgeklebt werden. (Zellulose-Kunststoffe) Die maschinenglatten und azetylierten Papiere dienen bei Hoch- und Niederspannungskabeln als Isolation (PPb). Die Isolierzwischenlage für Wickelkondensatoren wird vielfach aus Papier gemacht. Textilien Textilien als Leiterisolation (heute weniger), Bandagieren von Wicklungen, Ausfüllen von Kabelleitungen, Kennfäden für Leitungen. B Baumwolle H Hanf J Jute S Seide Isolieröl verbessert auch die Isolationswerte von Papier und Pressspan. Gummiisolierte Leitung mit Stecker Ölgetränkte Papierkabel und ölgetränkte Isolationen in Hochspannungsapparaten zeugen davon. Neuerdings haben sich auch die Silikonöle und Diphenylchlorid, die schwer oder nicht brennbar sind, eingeführt. Transformator mit Ölkühlung Schwefelhexafluorid SF6 ist ein gasförmiger lsolierstoff. Es wird in gekapselten Hochspannungsanlagen verwendet. Die Anlagen werden sehr kompakt, so dass sie in Gebäuden und Kavernen installiert werden können. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Sie dienen dem Ausgiessen von Armaturen für Papierbleikabel, dem Vergiessen von Apparateteilen, Spulen und Wicklungen, zum Abdichten von Einführungen. Kunstharze, speziell die Äthoxylinharze, werden immer mehr eingesetzt. Version 3 BET 2 1 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE 2.1.13.5 Seite 35 Kunststoffe / Plaste Ausgangsstoffe der Kunststoffe Eigenschaften der Kunststoffe 3 Leichter als Leichtmetall (0,9...1 kg/dm ) Wasserbeständig Wenig wärmeleitend, Wärmeisolierend Elektrisch isolierend, schlecht leitend Chemisch beständig, korrosionsfest Nicht hygroskopisch Leicht färbbar Schlecht wärmebeständig (120°C) Die Synthese der Monomere über die − − − Polymerisation (PE, PS,PVC,PTFE) Polykondensation (Nylon, Phenoplaste, Phenolharze) Polyaddition (PU) führt zu den Makromolekülen der Kunststoffe. Unter dem Begriff Kunststoffe fasst man alle jene Stoffe zusammen. die auf künstlichem d.h. synthetischem Wege (durch Zusammenfügen kleinster Elemente) hergestellt werden. Hygroskopie (v. griech. hygrós „feucht, nass“ und skopein „anschauen“) bezeichnet in der Chemie und Physik die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Umgebung (meist in Form von Wasserdampf aus der Luftfeuchtigkeit) zu binden. Elastomere Thermoplaste Aus anorganischem Quarz (SiO2) und organische Elementen, vor allem dem Chlormethyl (CH3CI) entsteht Silikon Polivynilchlorid, PVC Acetylen C2H2 und Salzsäuregas HCI 250... 3000 Einzelmoleküle Polyäthylen, PE Äthylen C2H4 ist Gas von Erdölraffinerie 700... 3000 Einzelmoleküle Silikon Duroplaste Polyamid, PA Polystyrol, PS 300...5000 Einzelmoleküle Phenoplaste, Bakelit CO-H-Verbindung Isoliergriff aus Polypropylen Aminoplaste Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff Polyäthylenterephtalat PET Leiterplatte aus Epoxydharz, Araldit Polyacrylat bis 50000 Einzelmoleküle 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Polyacrylat, Plexiglas Version 3 BET 2 1 13 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE / PLASTE Seite 36 Von besonderer Bedeutung für die Herstellung der Kunststoffe sind die Makromoleküle, Moleküle, die aus einer Vielzahl von Einzelmolekülen (...30´000) aufgebaut sind. Die Verbindung vom Einzelmolekül zum Makromolekül kann dabei auf folgende Arten geschehen: Naturstoffe abgewandelt Kunststoffe aus Naturstoffen „Zellulose-Kunststoffe“ Polymerisation Polymerisation heisst der Vorgang, bei dem gleichartige Einzelmoleküle (Monomere) zu einem Riesenmolekül (Polymer) aneinandergereiht werden. Die so entstandenen Kunststoffe heissen Polymerisate. Die entstandenen Stoffe heissen Polykondensate. Polykondensation Polykondensation ist die Verbindung vieler Grundmoleküle mit je einem weiteren Molekül zu einem Riesenmolekül, wobei beim Zusammenschluss einzelne Atome abgespalten werden. Sie verbinden sich zu kleineren Molekülen (z.B. Wasser) und verlassen den sich bildenden Stoff. Polyaddition Polyaddition ist die Vereinigung vieler Grundmoleküle durch das Anlagern weiterer verschiedenartiger Moleküle ohne Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen. Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, die mit zunehmender Erwärmung erweichen, plastisch und in einzelnen Fällen sogar flüssig werden. Bei Abkühlung werden sie wieder fest, bei Unterkühlung sogar spröde. Polyvinilchlorid Polyäthylen Polyamid (Nylon) Polytetrafluorethylen (Teflon) Polystyrol Polyacrylate (Plexiglas) Polypropylen Polyäthylenterephtalat (PVC) (PE) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Duroplaste Einmal geformt, den plastischen Zustand durchlaufen erhärten Duroplaste bei einer bestimmten Temperatur endgültig. Sie lassen sich nicht mehr erweichen. Sie bestehen aus Kunstharzen. Phenoplaste (Bakalite) Aminoplaste Epoxydharze (Araldit) (PF) (UF) (EP) (PA) (PTFE) (PS) (PMMA, PAN) Vom Einzelmolekül zum Makromolekül. Durch Aufbrechen eines Stranges der Doppelbindung bei einem Einzelmolekül verbinden sich durch die frei gewordenen Valenzen die Einzelmoleküle zu Makromolekülen. (PVDF,PP) (PET) Elastomere Kunststoffe mit gummiähnlichem (elastischem) Verhalten heissen Elastomere. Elastomere bestehen aus langen Polymerketten, die durch Vulkanisation vernetzt sind, wie z.B. Naturkautschuk, Styrol-ButadienKautschuk, Nitrikautschuk und Chloroprenpolymerisate. Die Elastomere können aber auch im Polyadditionsverfahren, z.B. als Polyurethanelastomere, hergestellt werden. Synthetische Elastomere Styro-Butadien-Gummi Acryl-Butadien-Gummi Bytyl-Gummi Ethylen-Propylen-Gummi Fluor-Gummi Silikon-Gummi Die entstandenen Stoffe heissen Polyaddukte (SR) Ausgangsprodukte/Rohstoffe für die Kunststoffherstellung Elemente Wertigkeit Kohlenstoff C Atom schematisch Elemente Wertigkeit 4 Chlor Cl 1 Wasserstoff H 1 Silizium Si 4 Sauerstoff O 2 Schwefel S 2 Stickstoff N 3 Atom schematisch (SBR) (NBR) (IIR) (EPM) (FPM) (Q, SI) Version 3 BET 2 1 13 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EINTEILUNG DER WERKSTOFFE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE / PLASTE Seite 37 Alle diese chemischen Vorgänge werden beeinflusst durch Wärme und Druck, aber auch durch Katalysatoren. d.h. durch zusätzliche Stoffe, die allein durch ihre Anwesenheit den Ablauf des Vorganges beeinflussen. Bausteine der Kunststoffherstellung Harnstoffmolekül CH4ON2 Vinylchloridmolekül C2H3Cl Art der Moleküle Verhalten Festigkeitsverhalten bei Temperatur Eigenschaften Thermoplastisch wärmeverformbar, schweissbar, Thermoplast Die Molekülketten sind nicht miteinander vernetzt. Sie ähneln einem Wattebausch. weich Zersetzung Fadenmolekül (fadenförmige Makromoleküle) Festigkeit fest teigig flüssig Temperatur Thermoplast Verzweigte Moleküle (wenige Vernetzungsstellen) Thermoplastisch Thermoplast Die Molekülketten sind sehr weitmaschig vernetzt. Sie können durch kleine Kräfte gedehnt werden und federn wieder zurück. Zersetzung fest Festigkeit Temperatur Elastomer Vernetzte Moleküle (viele Vernetzungsstellen) Weite Vernetzung elastisch Elastomere Enge Vernetzung duroplastisch Duroplast Die Molekülketten sind engmaschig vernetzt. Dies lässt keine Formänderungen zu. Zersetzung Die grundlegenden Eigenschaften der Makromoleküle hängen weitgehend von der Gestalt der Makromoleküle ab. Solche Moleküle können in Form von Fäden, Verzweigungen oder Netzen auftreten. Struktur des Stoffes schematisch Festigkeit Arten der Makromoleküle und ihr Verhalten: Aufbau schematisch Silikon-Makromolekül (Anstelle des Siliziums Si werden auch Al, P, Ti verwendet) Temperatur Duroplast Der Aufbau der Kabel bzw. die verwndete Isolationen der Leitungen ist von grosser Wichtigkeit bei dem Bau der Elektro-Installationen. Kabelbezeichnungen Internationale Bezeichnung CH-N1Z1Z1-U(-R) Kabel FE180/E30 Halogenfreie Starkstromkabel mit verbesserten Brandschutzeigenschaften für Installationen in Gebäuden, Tunnel und Industrieeinrichtungen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch TT-Kabel NIN Kabel E30 nach DIN 4102 T12 Internationale Kabelbezeichnungen siehe unter obiger NIN-Nummer. Version 3 BET 2 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE UNTERSCHIED PHYSIK UND CHEMIE Seite 38 2.2 Begriffe der Chemie und Werkstoffkunde 2.2.1 Unterschied Physik und Chemie Chemische Reaktionen - physikalische Vorgänge Im täglichen Leben lassen sich vielfältige Veränderungen von Stoffen beobachten. Ob es sich dabei um physikalische oder chemische Vorgänge handelt, sollen folgende Beispiele zeigen: Wasser wird zu Eis: Durch Erwärmen wird daraus wieder Wasser. Änderung des Aggregatzustandes, kann auf physikalische Weise rück-gängig gemacht werden. physikalischer Vorgang Eis schmilzt Durch Abkühlen wird wieder Eis daraus. Änderung des Aggregatzustandes, kann auf physikalische Weise rückgängig gemacht werden. physikalischer Vorgang Salz wird in Wasser gelöst: Wenn Wasser verdunstet, bleibt das Salz wieder übrig. Ein Gemenge kann durch physikalische Methoden getrennt werden. physikalischer Vorgang Erdbeerfruchtpulver wird durch Trocknen von Erdbeeren hergestellt Im Vakuum wird das Wasser zum Verdampfen gebracht Die festen Stoffe bleiben übrig, das Wasser verdampft. physikalischer Vorgang Aus roten Rüben wird der Farbstoff gewonnen Mit heißem Wasser wird der Farbstoff herausgelöst Das Wasser wird verdampft, der Farbstoff bleibt übrig. physikalischer Vorgang Eisen wird mit Schwefel gemischt: Mit einem Magnet lässt sich Eisen abtrennen. Ein Gemenge kann durch physikalische Methoden getrennt werden physikalischer Vorgang Papier verbrennt Wie sollte man diese Reaktion rückgängig machen Andere Stoffe mit anderen Eigenschaften sind entstanden. chemische Reaktion Ein Ei wird gekocht Daraus wird nie wieder ein rohes Ei! Wie sollte man das rückgängig machen? chemische Reaktion Brausepulver wird in Wasser gelöst Es bildet sich bei dieser Reaktion ein Gas, das aus der Lösung verschwindet. Wenn man das Wasser verdunsten lässt wird daraus kein Brausepulver mehr (probier das ruhig aus). chemische Reaktion Ein Gemenge aus Eisen und Schwefel wird längere Zeit erhitzt Nach der Reaktion gibt es einen anderen Stoff mit anderen Eigenschaften, Eisen lässt sich nicht mehr mit dem Magnet herausholen Das entstandene Eisensulfid lässt sich bestenfalls auf chemische Weise wieder trennen aber das ist kompliziert und funktioniert kaum 100%ig. chemische Reaktion 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE UNTERSCHIED PHYSIK UND CHEMIE Seite 39 Physikalische Vorgänge lassen sich auf physikalische Weise rückgängig machen, da die Stoffe dabei nur ihre Form oder ihren Aggregatzustand ändern. Chemische Reaktionen lassen sich nicht auf physikalische Weise rückgängig machen, da dabei andere Stoffe entstehen. 1) Sand, Salz und Wasser werden gemischt. Handelt es sich um einen physikalischen Vorgang oder um eine chemische Reaktion? Könnte man das Ganze rückgängig machen? Wie könnte man dies tun? 2) Mehl, Wasser, Butter und Backpulver werden im richtigen Verhältnis gut gemischt, in eine Form getan und im Backrohr längere Zeit erhitzt. Handelt es sich um einen physikalischen Vorgang oder um eine chemische Reaktion? Könnte man das Ganze rückgängig machen? Wie könnte man dies tun? 3) Ein Nagel liegt einige Monate im Freien. Wie sieht er vorher aus, wie nachher? Was wird mit dem Nagel vermutlich passieren? Handelt es sich um einen physikalischen Vorgang oder um eine chemische Reaktion? Könnte man das Ganze rückgängig machen? Wie könnte man dies tun? Michael Faraday 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.2 Seite 40 Materie Die unzähligen verschiedenen Stoffe wie Holz, Metall, Steine, Glas, Kunststoffe, Lebensmittel, Luft, Wasser unterscheiden sich in ihren Eigenschaften, Formen, Farben usw. Für alle diese Millionen verschiedener Materialien gibt es den Begriff Materie. Unter Materie versteht man also jeden Stoff, der uns umgibt. Auch wir selber bestehen aus Materie. Schon sehr früh versuchte der Mensch, die Geheimnisse der Materie zu erforschen, und er erkannte bald, dass alle vorkommenden Stoffe auf ein paar wenigen Grundstoffen aufgebaut sind. Jeder Stoff, der nicht schon selbst Grundstoff ist, besteht aus zwei oder mehreren Grundstoffen. Jede Materie lässt sich in Grundstoffe zerlegen, diese bezeichnet man als Elemente. Es gibt 92 in der Natur vorkommende Elemente. Man spricht daher auch von natürlichen Elementen. Im Gegensatz dazu kennt man noch einige künstliche Elemente, die im Labor hergestellt werden können und die für uns keine praktische Bedeutung besitzen. Atom Bausteine der Materie: Elektron Ladung Masse Ladung Masse Ladung Masse Proton Neutron 2.2.3 e m e m m -19 = = = = -1,602x10 As -28 9,109x10 g -19 1,602x10 As -24 1,672x10 g keine -24 = 1,675x10 g Das Molekül Mehrere gleichartige Teilchen untereinander zu einem größeren Teilchen verbunden werden als Molekül bezeichnet. Im engen Sinn und im allgemeinen Sprachgebrauch der Chemie sind Moleküle elektrisch neutrale Teilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind. Die Atome bilden einen in sich abgeschlossenen Verband und sind durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft. Die Atombindung (auch kovalente Bindung, Elektronenpaarbindung oder homöopolare Bindung) ist eine Form der chemischen Bindungen und ist als solche für den festen Zusammenhalt von Atomen in vielen chemischen Verbindungen verantwortlich. Atombindungen bilden sich besonders zwischen den Atomen von Nichtmetallen aus. Bei Atombindungen spielt die Wechselwirkung der Außenelektronen (Valenzelektronen) der Elektronenhüllen der beteiligten Atome die tragende Rolle. Ein Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimmten Reinstoffes. Metall + Nichtmetall = Ionenbindung Metall + Metall = Metallbindung 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Zwischen Nichtmetallen und Metallen wirken hingegen ionische und zwischen Metallen metallische Bindungen. Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.4 Seite 41 Zellulose-Kunststoffe Wir verstehen darunter Kunststoffe, die auf der Grundlage von Zellulose aufgebaut wurden. Da die Zellulose aus Pflanzlichen Stoffen wie Holz gewonnen wird, gehört sie zu den natürlichen Werkstoffen. Durch besondere Behandlung entsteht daraus ein Kunststoff. USB-Stick aus Pressspan Diese Stoffe liegen also zwischen den natürlichen Werkstoffen und den synthetischen Werkstoffen (Kunststoffe, Plaste). Es gibt u.a. folgende Zellulose-Kunststoffarten: Pressspan (Papier+Harz) Lackpapier Zellulose-Nitrat Zellulose-Acetat (Zellstoff+Essigsäure) Die Zellulose-Kunststoffe bzw. seine Anwendungen siehe unter dem Kapitel der Papiere aufgeführt. Lackpapier Klebstoffsysteme und Kitte beruhen auf einer Cellulose-Nitratbasis Kunststoff-Folienkondensatoren Celluloseacetat dient z. B. als Dielektrikum bei Metall-Lack-Kondensatoren 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.5 Seite 42 Begriffslexikon der Kunststoffe Chemisches Recycling Thermisches Recycling Duroplaste Rohstoff-Recycling, gebrauchte Kunststoffe werden in «synthetisches Rohöl» oder andere petrochemische Grundstoffe zurückgeführt. Aus diesen neuen Rohstoffen lassen sich wiederum neuwertige Kunststoffe herstellen. Energie-Recycling, Kunststoffe, die nicht wieder verwertbar sind, können thermisch genutzt werden. In einem Kilogramm Kunststoff steckt der gleiche Energiegehalt wie in einem Kilogramm Heizöl. Die thermische Verwertung kann in Industriebetrieben als Ersatz für Kohle oder Heizöl oder in Kehrichtverbrennungsanlagen erfolgen. Ausgehärtete Kunststoffe, die sich bei Temperaturänderungen nur minimal verändern (Polyurethan, Epoxid). Elastomere Formfeste, aber elastisch stark verformbare Kunststoffe. Kunststoffe Werkstoffe aus sehr grossen und sehr langen Molekülen. Sie entstehen durch chemische Umwandlung von Naturprodukten wie Erdöl oder auch vollsynthetisch. Ihre Eigenschaften beruhen in erster Linie auf dem strukturellen Aufbau und erst in zweiter Linie auf der chemischen Zusammensetzung. Kleine, in der Regel sehr reaktionsfähige Moleküle, die sich zu Polymerisaten verbinden können. Monomere Polyethylen Aus Ethylen hergestelltes Polymerisat. Man unterscheidet P. hoher Dichte und P. niedriger Dichte. Ein bedeutender, vielseitig einsetzbarer Kunststoff. Polymerisat Substanzen, die durch Polymerisation aus Monomeren gewonnen werden. Polymerisation Eine chemische Reaktion, die zum Aufbau von sehr grossen Molekülen führt. Polypropylen Aus Propylen durch à Polymerisation hergestellter Kunststoff. Polystyrol Aus Styrol durch Polymerisation hergestellter Kunststoff. Polyvinylchlorid PVC, hergestellt durch Polymerisation von Vinylchlorid. PVC ist ein bedeutender thermoplastischer Kunststoff. Pyrolyse Thermische Zersetzung (Kracken) von chemischen Stoffen, z.B. Erdöl. Recycling Wiederverwertung von Erzeugnissen durch à stoffliches Recycling, à chemisches Recycling oder à thermisches Recycling. Stoffliches Recycling Werkstoff-Recycling, Material-Recycling, Downcycling, das Umschmelzen gebrauchter Kunststoffe zu wieder einsetzbarem Granulat. Daraus lassen sich Produkte aus recyclierten Kunststoffen mit brauchbaren technischen Eigenschaften herstellen. Ungesättigter aromatischer Kohlenwasserstoff, der im Steinkohlenteer und in vielen Nahrungsmitteln vorkommt. S. entsteht auch bei der à Pyrolyse von Erdöl. Thermoplastische Kunststoffe, fliessen beim Erwärmen und erstarren beim Abkühlen. (Polyethylen, PVC, etc.) Styrol Thermoplaste 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE FREIE ELEKTRONEN 2.2.6 Seite 43 Freie Elektronen In Metallen liegen die Atome dicht beisammen. Ein Valenz-Elektron des Atomes A kann gleich weit vom Kern eines Nachbaratomes B entfernt sein wie vom eigenen Kern. Das Elektron E wird von beiden Atomkernen gleich stark angezogen und verhält sich daher neutral. Ein solches Elektron wird als freies Elektron bezeichnet. Da in Metallen die Atome sehr eng beisammen liegen, kommt es hier oft zur Bildung von freien Elektronen. Die freien Elektronen können ohne äußere Einflüsse nicht aus dem Stoff austreten. Wir sprechen daher in der Atomlehre, in Bezug auf die freien Elektronen, von «quasi» freien Elektronen. In festen Leitern können sich nur die freien Elektronen frei bewegen, die Atome sitzen unverrückbar fest. Die Wanderung der freien Elektronen bringt es mit sich, dass die Atome einmal zuwenig, einmal zuviel Elektronen besitzen. Dadurch wird ihr Ladungsgleichgewicht zwischen dem positiven Kern und den negativen Elektronen gestört. Das Atom wirkt dann nach außen hin elektrisch geladen. Atome mit Elektronenüberschuss erscheinen nach aussen hin negativ (Anion). Atome mit Elektronenmangel erscheinen nach aussen positiv (Kation). Diese Atome „Atomreste“ nennt man auch „Jonen“. In flüssigen und gasförmigen Stoffen sind auch die Atome beweglich. Besitzen nun solche frei beweglichen Atome infolge von Elektronenüberschuß oder Elektronenmangel eine elektrische Ladung, so sind sie auch der Wirkung elektrischer Kräfte bzw. Felder ausgesetzt. Unter solchem Einfluss beginnen sie, ähnlich den freien Elektronen, zu «wandern». 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE FREIE ELEKTRONEN Seite 44 Da Atome nun aber Materie sind, wird durch ihre Wanderung Materie bewegt. Solche positiv oder negativ geladenen Atome (Atomreste) bezeichnet man als Ionen (Einzahl = Ion). wandernde Elektronen Jonen spielen besonders in flüssigen und gasförmigen Stoffen eine wichtige Rolle. Sie bewegen sich unter dem Einfluss von elektrischen Kräften. Man spricht dann vom Jonenstrom. Das Besondere am Jonenstrom ist, dass dabei Materie bewegt wird. + - - + Schnittebene + Atomreste (Jonen) + - - + + - Cu-Leiter In Metallen wandern die Elektronen. „Elektronenstrom“ Wichtig Elektronen können wandern. Wandernde Elektronen heisst transportieren elektrischer Ladung. Bewegung elektrischer Ladung bezeichnet man als das Fliessen eines elektrischen Stromes. Die Ursache, dass ein Strom fliessen kann ist die Kraftquelle des elektrischen Kreises. Um einen stromdurchfossenen Leiter ist immer ein Magnetfeld vorhanden. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE Seite 45 2.2.7 Stoffumwandlungsvorgang Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang bei dem chemische Spezies ineinander umgewandelt werden, bzw. genauer: bei dem aus einem oder mehreren „Edukten“ (auch „Reaktant“ bzw. „Reaktanten“ genannt), ein oder mehrere „Produkte“ entstehen. Dabei wird von den Edukten Energie abgegeben oder aufgenommen. Das Produkt bzw. die Produkte haben andere chemische und physikalische Eigenschaften als das Edukt bzw. die Edukte. Die gezielte Herstellung von Produkten mit gewünschten Eigenschaften ist die Hauptaufgabe der chemischen Industrie. 2.2.7.1 Endotherme Reaktion Als endotherm werden in der Chemie Reaktionen bezeichnet, deren Standardenthalpiedifferenz ∆H positiv ist. Die Enthalpie H ist die Summe aus der Inneren Energie eines Systems und dem Produkt aus Druck und Volumen. Sie ist der Wärmegehalt eines Systems bei konstantem Druck. Eine endotherme Reaktion ist demnach eine Reaktion, bei der Energie in Form von Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird. Sie stellt das Gegenteil einer exothermen Reaktion dar. 2.2.7.2 Exotherme Reaktion Als exotherm bezeichnet man in der Chemie einen Vorgang, meist eine chemische Reaktion, bei dem Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Den Gegensatz dazu bildet die endotherme Reaktion. Bei einer exothermen Reaktion ist die so genannte Reaktionsenthalpie ∆H negativ. Die Enthalpie H ist die Summe aus der inneren Energie eines Systems und dem Produkt aus Druck und Volumen. Sie ist der Wärmegehalt eines Systems bei konstantem Druck. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.8 Seite 46 Elektronegativität Die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden wesentlich von seinen Fähigkeiten beeinflusst, eigene Elektronen abzugeben oder Elektronen anderer Atome aufnehmen zu können. Dies wird durch die Elektronegativität angegeben. Elektronegativität (EN) ist ein relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in einer chemischen Bindung Elektronenpaare an sich zu ziehen (Linus Pauling). Sie wird unter anderem von der Kernladung und dem Atomradius Je grösser der EN-Unterschied der beiden Atome, bei der Bindung, je polarer ist die Bindung. ∆ EN > 1,7 ∆ EN < 1,7 11. Dezember 2014 www.ibn.ch bestimmt. Ionenbindung Elektronenpaar- bzw. Atombindung Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.9 Seite 47 Oktettregel Mit Ausnahme der Edelgase kommen alle Elemente in der Natur nicht als freie Atome, sondern nur in Form von Verbindungen vor. Die meisten Atome haben offenbar das Bestreben, sich zu verbinden. Man nahm an, dass die Atome der anderen Elemente ebenfalls eine edelgasähliche Elektronenhülle (Achterschale, Elektronenoktett) anstreben und in einer Verbindung, durch eine Umgruppierung der Elektronen, auch erreichen. Merke Ursache einer chemischen Bindung ist das Bestreben der Atome, eine möglichst stabile und daher energiearme Elektronenanordnung zu erlangen, indem sie eine edelgasähnliche Elektronenhülle bilden. Es werden folgende Bindungsarten unterschieden: • Die Ionenbindung • Die Atombindung • Die Metallbindung 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.10 Seite 48 Ionen Ionen besitzen nach aussen hin eine elektrische Ladung. Merke Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Atomgruppen; die Zahl ihrer Elektronen ist grösser oder kleiner als die Zahl ihrer Protonen. Die Ionen „wandern“ bei einer Elektrolyse zu den Elektroden (Ion = griechisch = wandern). 2.2.10.1 Kation 2.2.10.2 Anion Merke Merke Positiv geladene Ionen Negativ geladene Ionen werden Kationen werden Anionen genannt. genannt. Liste von Kationen Liste von Anionen Ladungszahl Positives Ion Ladungszahl Negatives Ion (Kation) (abgegebene Elektronen) (Anion) (Aufgenommene Elektronen) [Na]+ 1+ [Cl]- 1- [Mg] 2+ [O] 2- 2- [Al]3+ 3+ [S]2- 2- 2+ Metalle Nichtmetalle Metalle geben Elektronen ab. Nichtmetalle nehmen Elektronen auf. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.11 Seite 49 Ionenverbindung Eine Möglichkeit für ein Atom, den Edelgaszustand zu erreichen, besteht darin, die ihm auf die Zahl Acht fehlenden Elektronen aufzunehmen oder die Elektronen eines nicht vollständig gefüllten Elektronenniveaus abzugeben. Die entgegengesetz geladenen Ionen ziehen sich gegenseitig an. Die starken elektrostatischen Kräfte sind umso stärker: • • je grösser die Ladung der Jonen ist je kleiner der Abstand der Ionen ist Durch gegenseitige Anziehung entsteht ein regelmässig geordnetes Kristallgitter (Ionengitter) Dieser Vorgang kann sehr heftig ablaufen, wie die Reaktion von metallischem Natrium mit Chlorgas zeigt. Das Endprodukt der Reaktion ist Kochsalz. Versuch 2Na + Metall Cl2 2NaCl Nichtmetall Verbindung Beispiel Kochsalz-Kristallgitter Eigenschaften von Ionenverbindungen: • In Ionenverbindungen wirken zwischen den einzelnen Ionen starke elektrostatische Anziehungskräfte. • Ionenverbindungen haben: ∗ Hohen Schmelzpunkt ∗ Hohen Siedepunkt ∗ Grosse Sprödigkeit • Im festen Zustand sind Ionenverbindungen Nichtleiter • Beim Lösen in Wasser oder beim Schmelzen zerfällt das Ionengitter in frei beweglichen Ionen. • Lösungen und Schmelzen sind elektrische Leiter zweiter Klasse. Wichtig zu wissen welche Eigenschaft der Reaktionspartner bei einer Jonenbindung hat: Metallatom Nichtmetallatom Kleine EN Grosse EN Abgabe der Elektronen Valenzelektronen Aufnahme, so dass die äusserste Schale acht Elektronen besitzt (Oktettregel) EN = Elektronegativität Anwendungen • Porzellan 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG 2.2.12 Seite 50 Atom- oder Elektronenpaarbindung Merke: Werden zwei Atome durch ein beiden Atomen gemeinsames Elektronenpaar (oder auch durch mehrere Elektronenpaare) verbunden, so nennt man die Bindung Elektronenpaarbindung oder auch Atombindung. Die Atombindung entsteht durch Nach John Dalton (1766-1844) bestehen alle Stoffe aus Atomen Kalottenmodelle einiger Atome und Moleküle Reaktion von Nichtmetallatomen. Prinzip Einfach besetze Elektronenwolken überlappen gegenseitig, es entsteht dabei gemeinsame, doppelt besetzte Elektronenwolken (Elektronenpaare), l Bindungslänge r Atomradius α Bindungswinkel Atome können durch ein, zwei oder drei gemeinsame Elektronenwolken miteinander verbunden sein: Einfachbindung H-H, Cl-Cl, H-Cl Doppelbindung O=O, O=C=O Dreifachbindung N N H-C , C-H sodass für beide Atome die Oktettregel erfüllt ist. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG Seite 51 2.2.12.1 Atom- oder Elektronenpaarbindung in Molekülen Die Gestalt der Moleküle Es ist für viele Zwecke wichtig, sich ein Bild von der räumlichen Anordnung der Atome in den Molekülen zu machen. Für einfache Fälle ist dies leicht abzuleiten, wenn man sich bewusst ist, dass dem „Oktett“ vier Wolken entsprechen. Eigenschaften der Molekülverbindungen 1. Moleküle sind elektrisch neutrale Teilchen, die sich gegenseitig nur schwach anziehen. 2. Molekülverbindungen haben: - tiefen Schmelzpunkt - tiefen Siedepunkt 3. Molekülverbindungen sind mehr oder weniger flüchtige Substanzen. 4. Die Bindungskräfte zwischen Nichtmetallatomen sind kleiner als bei Ionenverbindungen, sodass Die Elekktronenwolken des WasserMoleküls sind nach den Ecken eines unregelmässigen Tetraeders gerichtet, da die Wasserstoffkerne sich abstossen. bei Wärmeeinwirkung die Substanzen oft leicht zersetzen (Erwärmen von Zucker) Beispiel an der Verbindung: Wasser Wasserstoff Atomkern Teile Eigenschaft 1 Proton Masse/+ 0 Neutronen nur Masse Hülle Teil Eigenschaft 1 Elektron kleine Masse/- Sauerstoff Atomkern Teile Eigenschaft 8 Protonen Masse/+ 8 Neutronen nur Masse Hülle Teil Eigenschaft 8 Elektronen kleine Masse/- Die Hülle besteht aus Schalen auf denen sich mehr oder weniger Elektronen befinden. Auf der äussersten Schale befinden sich die 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Valenz-Elektronen. Version 3 BET 2 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG Seite 52 2.2.12.2 Atom – oder Elektronenpaarbindung in Nichtmetallen Die Mehrzahl der Nichtmetalle bildet zweiatomige Moleküle, in denen die Atome durch Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen verbunden sind. Vorkommen Roter Phosphor Reibfläche von Zündholzschachteln Nur die Edelgase verbinden sich untereinander nicht und existieren in allen Aggregatszuständen als voneinander unabhängige Teilchen. Phosphorverbindungen Knochensubstanz Kohlenstoff in der Ebene angeordnet Graphit Kohlenbürsten von Universalmaschinen Universalmaschine Diamant Kohlenstoffgitterverbindung Erdöl Methan, Äthan, Propan, Butan, Isobutan Kunststoffe PVC, PE Gleichstrommotor an Wechselstrom betrieben (Stromwendung im Rotor über Kollektor welcher über Kohlenbürsten mit Strom versorgt wird) PVC-Rohr 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.13 Seite 53 Metallbindung Die Metallbindung ist der Bindungstyp in Metallen. Metalle haben eine kleine EN (0,7 bis 1,9) Die Atomrümpfe der Metallatome bilden ein Kristallgitter. Metalle sind Kristallin. Zwischen den Atomrümpfen befindet sich das „Elektronengas“, bestehend aus den Valenzelektronen der Metallatome. Die Valenzelektronen können sich nahezu frei zwischen den Atomrümpfen bewegen. Die Atomrümpfe sind positiv geladen während das Elektronengas eine negative Ladung darstellt. Darstellung der Metallbindung Mit der Modellvorstellung lassen sich einige charakteristische Eigenschaften der Metalle erklären: 1. Elektrische Leitfähigkeit durch die frei beweglichen Elektronen. 2. Verformbarkeit durch Gleiten der Atomebenen. Plastische Verformung von Metallen durch Gleiten dichtest besetzter Ebenen übereinander (z.B. bei Zugbeanspruchung oder beim Hämmern und Walzen) Plastische Verformung von Metallen durch Gleiten dichtest besetzter Ebenen übereinander (z.B. bei Zugbeanspruchung oder beim Hämmern und Walzen) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.14 Seite 54 Atomeinheit u (u=Unit) Die Atommasse, früher Atomgewicht, ist die Masse eines Atoms. Sie kann wie jede Masse in der SIEinheit Kilogramm (kg) angegeben werden. Für Berechnungen ist es aber oft praktischer, die Atomare Masseneinheit u (früher mit amu, atomic mass unit, bezeichnet) zu verwenden. Diese ist der zwölfte Teil der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops C12. Der Zahlenwert der in u angegebenen Atommasse, aber ohne die Maßeinheit, wird oft als relative Atommasse (engl. atomic weight) bezeichnet und formal als eine eigene, dimensionslose Größe aufgefasst, nämlich als das Massenverhältnis des jeweiligen Atoms zu einem gedachten Atom der Masse 1,00 u. Zum Unterschied von der relativen Atommasse wird die in kg, g oder u angegebene Masse auch absolute Atommasse (engl. atomic mass) genannt. Für praktische Zwecke (Berechnungen) besteht zwischen der relativen und der in u angegeben absoluten Atommasse kein Unterschied. (1 u (sprich: 1 unit) = 1,66056*10-27 kg) Name Formelzeichen genaues Gewicht zur Vereinfachung meistens verwendet Neutron n 1,008 664 915 79 u 1u Elektron e− 0,000 5485 799 11 u 0u Elektron p+ 1,007 276 466 88 u 1u Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms und ist etwa 10’000 bis 100’000 mal kleiner als die Elektronenhülle, konzentriert aber in sich mehr als 99,9 % der Masse/Energie des gesamten Atoms. Die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern heißt deshalb auch Massenzahl. Sie können sich die Kernkraft - oder auch "starke Wechselwirkung" genannt, wie eine Feder vorstellen. Je weiter man zwei Kernteilchen (Protonen, Neutronen), zwischen denen die Kraft wirkt, voneinander trennt, desto stärker zieht diese Kraft die beiden Kernteilchen wieder zusammen. Die Neutronen im Kern werden auch als Kernkitt bezeichnet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.15 Seite 55 Klassifikation der Orbitale Orbitale werden meistens anhand der vier Quantenzahlen n, l, ml und s klassifiziert., manchmal auch durch n, l, j und mj, wobei gilt: • n (Hauptquantenzahl, Wertebereich: n = 1, 2, 3, …) beschreibt das Hauptenergieniveau, welches ein Elektron besitzt. Es entspricht gewissermaßen den Schalen des Bohrschen Atommodells. Die Hauptquantenzahl beschreibt einen Bereich, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr hoch ist. Je größer n wird, desto weiter entfernt vom Atomkern bewegt sich das Elektron, zudem erhöht sich dessen potentielle Energie. Die maximale Anzahl der Elektronen in einer Schale 2 ergibt sich als 2n . • l (Nebenquantenzahl, Bahndrehimpulsquantenzahl) beschreibt den Bahndrehimpuls des Elektrons und damit die „Form“ des Orbitals. Häufig findet man in der Literatur die Buchstaben s, p, d, f, g als Bezeichnung für die Nebenquantenzahl, abgeleitet aus den englischen Adjektiven für die korrespondierenden Spektrallinien: sharp, principal, diffuse, fundamental (danach wird alphabetisch fortgesetzt). Die Anzahl der Unterschalen ist gleich der Hauptquantenzahl. Für n = 3 sind also drei Unterschalen möglich l = 0, 1, 2. Die Anzahl der Orbitale pro Unterschale ist begrenzt. Darstellung der d-Orbitale • m (Magnetquantenzahl, beschreibt die räumliche Ausrichtung, die das Orbital bezüglich eines äußeren Magnetfeldes einnimmt. Die resultierenden Orbitale sind energetisch gleich, nur wenn von außen ein Magnetfeld angelegt wird, lassen sie sich unterscheiden. • s (Spin(magnet)Quantenzahl - ihre Existenz deutet man als Betrachtungswinkel (Spin) der Elektronen. So kann ein Orbital zwei Elektronen aufnehmen, die einen gegenläufigen Spin besitzen (Pauli-Prinzip). Die Spinquantenzahl wird oft auch nur mit m der reinen Spinquantenzahl bezeichnet oder auch verwechselt. Vereinfachte Form eines p-Orbitals. Färbung steht für das Vorzeichen der Wellenfunktion 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEGRIFFE DER CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 2.2.16 Seite 56 Synthese Als Synthese (spätlateinisch synthesis, von griechisch sýnthesis - die Zusammensetzung, Zusammenfassung, Verknüpfung) bezeichnet man den Umsatz (die Vereinigung) von zwei oder mehr Elementen (Bestandteilen) zu einer neuen Einheit. 2.2.17 Analyse Eine Analyse ist eine systematische Untersuchung, bei der das untersuchte Objekt oder Subjekt in seine Bestandteile zerlegt wird und diese anschließend geordnet, untersucht und ausgewertet werden. Dabei dürfen die Vernetzung der einzelnen Elemente und deren Integration nicht außer Acht gelassen werden. 2.2.18 Isotope Als Isotope bezeichnet man Nuklide in ihrem Verhältnis zueinander, wenn ihre Atomkerne gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Die Isotope eines und desselben Elements haben also verschiedene Massenzahlen, verhalten sich aber chemisch weitgehend identisch. Die Bezeichnung Isotop ist älter als der allgemeinere Begriff Nuklid und wird daher nach wie vor oft gleichbedeutend mit Nuklid benutzt. Es existieren in der Natur drei verschiedene Uran-Isotope mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Die Neutronenzahl ergibt sich aus der Differenz zwischen Massenzahl und Ordnungszahl. Die Atommasse ist eine Zahl, die sich in Relation auf das Kohlenstoff-Isotop-12 (C-12) bezieht. Sie ist nicht identisch mit der Massenzahl, da die Bezugseinheit "u" sich auf ein Zwölftel des Elements Kohlenstoff bezieht. Zum Vergleich: Das Element Wasserstoff besitzt die Atommasse u=1,00794 und eben gerade nicht u=1. Die künstlich hergestellten Radio-Isotope (Radionuklide) sind radioaktiv, d.h. die Atome zerfallen nach und nach und wandeln sich in andere Elemente um. Die Halbwertszeit gibt den radioaktiven Zerfall an: Beträgt die Halbwertszeit von radioaktivem Plutonium-244 siebzig Millionen Jahre, dann sind erst nach dieser Zeit die Hälfte der Atome zerfallen. Andere Radionuklide besitzen eine sehr kurze Halbwertszeit, die nur wenige Minuten beträgt. Diese sind bei Atomversuchen oder bei Abfällen aus Kernkraftwerken weniger problematisch. Uran wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth aus dem Mineral Pechblende isoliert. Seine Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt. Eine besondere Bedeutung erhielt Uran erst nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938: Das Uranisotop 235U ist durch thermische Neutronen spaltbar, es ist die einzige bekannte natürlich vorkommende Substanz, die zu einer KernspaltungsKettenreaktion fähig ist. Deshalb wird es in Kernkraftwerken und Kernwaffen als Primärenergieträger genutzt und hat eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE Seite 2.3 Gewinnung und Bearbeitung der Stoffe 2.3.1 Rohstoffabbau 2.3.1.1 Bergbau 57 Kupfer, Gold und Türkise wurden um 3000 v. Chr. in Ägypten abgebaut. Wahrscheinlich gab es gegen 3000 v. Chr. schon Erzgruben in Indien und China. Um 2500 v. Chr. begann die Kupferförderung in Mitteldeutschland. Eisenerz wurde ab etwa 800 v. Chr. in den Alpen abgebaut. In Mitteldeutschland liegt ein Ofen aus der La-Tène-Zeit in Wilnsdorf Zeugnis von Bergbau um 500 v.Chr. ab. Der Abbau von Steinkohle ist seit dem 9. Jahrhundert in England bekannt. 2.3.1.2 Übertagabbau Tagebau (in Österreich auch Tagbau) ist ein Oberbegriff aus dem Bergbau. Es handelt sich um eine Örtlichkeit, in der oberflächennah Bodenschätze gewonnen werden, ohne dass Schächte und/oder Stollen angelegt werden. Spezielle Bezeichnungen für Tagebaue lauten z. B. „Sandgrube“, „Kiesgrube“ oder „Steinbruch“ (bei Festgesteinen). Grundsätzlich ist ein Tagebau ohne Wasserhaltung lediglich bis zum Grundwasserspiegel möglich. Die Gewinnung von Werksteinen im Tagebau lässt sich bis in die Steinzeit zurückverfolgen. 2.3.1.3 Erznamen Magneteisenstein Eisenglanz Weichmanganerz Hartmanganerz Chromerz Titaneisen Titanerz Magnetit Fe3O4 Hämatit Fe2O3 Pyrolusit MnO2 Psilomelan (Ba,H2O)4Mn10O20 Chromit FeCr2O4 Ilmenit FeTiO3 Rutil auf Hämatit TiO2 Nickelerz Nickelmagnetkies Speiskobalt Kobaltglanz Wolframerz Wolframerz Molybdänerz Népouit (Ni,Mg)6[(OH)8|Si4O10] Pentlandit (Fe,Ni)9S8 Skutterudit (Co,Ni)As3 Cobaltit CoAsS Wolframit (Fe,Mn)WO4 Scheelit auf Glimmer CaWO4 Molybdänit auf Quarz MoS2 Vanadiumerz Vanadiumerz Kupferglanz Kupferkies Aluminiumerz Aluminiumerz Bleiglanz Vanadinit Pb5(VO4)3Cl Carnotit K2(UO2)2(VO4)2·3H2O Chalkosin Cu2S Chalkopyrit CuFeS2 Gibbsit Al(OH)3 Diaspor AlO(OH) Galenit PbS Weissbleierz Zinkblende Zinnerz Zinnkies Magnesiumerz Magnesiumerz Kassiterit SnO2 Stannin Cu2FeSnS4 Magnesit MgCO3 Kieserit MgSO4 * 4 H2O Zinkspat Cerussit PbCO3 Sphalerit ZnS Smithsonit ZnCO3 Lithium Spodumen (LiAl(SiO3)2 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE EISENMETALLE 2.3.2 Seite 58 Eisenmetalle Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind. 2.3.2.1 Der Hochofen Hochofenerzeugnisse Das gewonnene Roheisen wird entsprechend seiner Zusammensetzung in zwei Arten unterteilt und unterschiedlich weiterverwendet: Hochofenanlage Weisses Roheisen Graues Roheisen Roheisen Das Roheisen wird im Hochofen aus Erzen gewonnen. Aus den Eisenerzen, (Eisenoxyden) durch Reduktion. Als Energieträger und Reduktionsmittel dient überwiegend Koks (Kohle, Kohlenstoff) und zur Schlackebildung und Senkung der Schmelztemperatur verschiedene Zuschlagstoffe wie Quarzsand und Kalk. Roheisen kann ohne Wärmebehandlung, wegen seinem hohen Kohlenstoffgehalt, nicht weiterverarbeitet werden. „Weißes Roheisen“ enthält Eisenbegleitern wie - Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Schwefel auch einen großen Anteil an Mangan. Dieser bewirkt zum einen eine weiße, strahlige Bruchfläche und zum anderen eine Verbindung von Kohlenstoff und Eisen zu Eisencarbid. Weißes Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Stahlerzeugung Beim „Grauen Roheisen“ überwiegt neben den anderen Eisenbegleitern vor allem das Silizium. Dieser bewirkt, dass sich der Kohlenstoff beim Abkühlen als Graphit ausscheidet, was sich in einer grauen Bruchfläche bemerkbar macht. Graues Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von Gusseisen. Hochofen Produkte aus Roheisen Roheisen ist hart und spröde, daher technisch nicht verwendbar, weil es einen zu hohen Kohlenstoffgehalt hat. Es muss daher weiterverarbeitet werden: Gusseisen Je nach Zusammensetzung unterscheidet man: 1. Gusseisen 2. Temperguss 3. Legiertes Gusseisen Verwendung: Kurbelwellen, Radnaben, Schwungräder Stahlguss Maschinenteile von schwieriger Form, die besonders fest und zäh sein müssen, werden aus Stahl gegossen. Verwendung: Druckbehälter, Traggestelle, Brenndüsen 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE EISENMETALLE 2.3.2.2 Seite Vom Roheisen zum Stahl Die Stahlerzeugung aus Roheisen hat den Zweck, alle Beimengungen die im Überfluss vorhanden sind, zu beseitigen. Dies geschieht durch Verbrennung. Das flüssige Roheisen wird in Schienenfahrzeugen, Torpedopfannen, ohne große Wärmeverluste über größere Entfernungen zum Stahlwerk transportiert. Jede Fe-C Legierung deren C-Gehalt kleiner als 1,7% ist und die ohne besondere Wärmebehandlung schmied- und schweissbar ist, bezeichnet man als Stahl. 59 Weißes Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Stahlerzeugung und wird in einem Blasstahlwerk („Stahlkocherei“) durch Einblasen von Sauerstoff von seinen unerwünschten Begleitstoffen und einem Großteil des Kohlenstoffs befreit. Diese verlassen den glutflüssigen, fertigen Stahl entweder als Gase (Schwefeldioxid, Kohlendioxid) oder mit den Zuschlägen als Schlacke (Kalzium- und Mangansilicate oder -phosphate). Roheisen B u. T LD SM SauerstoffFrischen WindFrischen Schrott HerdFrischen ElektroStahl Das Roheisen enthält noch einen hohen Kohlenstoffgehalt von 4% bis 6%, ist spröde (wie Glas) und nicht verformbar und kann nur als Gusseisen verwendet werden. Roheisen Fe C Mn Stahl Si P S Fe C Mn. Ni,, Mo, Si, W, Cr,V Si P S Der größte Teil des Roheisens (ca. 97%) wird jedoch zu Stahl weiterverarbeitet. Stahl ist eine schmiedbare Legierung des Eisens mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7%. Die unerwünschten Begleiter (Si, P, S) werden so weit wie möglich entfernt. Allg. Baustahl Qualitätsstahl Massestahl Edelstahl Zwei Verfahren beherrschen heute die Stahlherstellung, das Sauerstoffaufblasverfahren im Oxygenstahlwerk und das Lichtbogenverfahren im Elektrostahlwerk. Zange aus Werkzeugstahl (Qualitäts- oder Edelstahl) Stahleigenschaften Dichte: 7,85 kg/dm3 Schmelzpunkt: 1500°C härtbar magnetisierbar Edelstahl Pinzette aus rostfreiem Stahl. Dieses Material ist eine Legierung mit Chrom und hat seinen Magnetismus praktisch verloren. Edelstahl (EN 10020) ist eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad, zum Beispiel Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet. 2.3.2.2.1 Sauerstoffaufblasverfahren Sauerstoff-frischen Schrott in einen Konverter ("Großer Topf") zu flüssigem Roheisen gegeben. Von oben wird mit einer wassergekühlten Lanze (Rohr) Sauerstoff auf die Schmelze geblasen, wodurch störende Begleitstoffe (C, Si, P, S) oxidieren. Durch Zusatz von Calciumoxid werden diese Oxide zu einer flüssigen Schlacke, die auf der Eisenschmelze schwimmt. Durch Einsatz von Schrott aus dem eigenen Betrieb und aus dem Handel (Alt- und Sammelschrott; Autowracks usw.) spart man Energie und Rohstoffe. Dieses Recyclingverfahren wird in der Stahlindustrie seit Jahrzehnten angewendet. Um die Qualität des Stahls gezielt zu verbessern, werden Proben entnommen und analysiert. Danach erfolgt kontrollierte Zudosierung von Zuschlägen (z.B. von Chrom und Nickel), damit der Stahl die gewünschten Eigenschaften annimmt. 2.3.2.2.2 Lichtbogenverfahren Linz-Donawitz- oder Der Lichtbogenofen ist ein feuerfestes Ofengefäß mit Deckel, Elektroden und einer Kippvorrichtung. In den LD-Verfahren eingebrachten Schrott führt man 2 Elektroden ein. Durch Anlegen einer hohen Spannung entsteht ein Lichtbogen, der den Schrott zum Schmelzen bringt. Es tritt hierbei keine oxidierende Flamme auf. Elektro-Stahl-Verfahren So kann man teure Legierungsmetalle zusetzen und damit auch hochwertige Edelstähle erzeugen, ohne große Verluste der teuren Beimengungen durch Oxidation hinnehmen zu müssen. Verformbar im erwärmten Zustand durch Schmieden, Walzen, Pressen und Ziehen Flacherzeugnisse ( Bänder und Bleche), Profilerzeugnisse (Träger, Schienen und Drähte) und nahtlose Stahlrohre Stahllegierungen mit bis zu 25% Ni: große Zähigkeit, sehr reißfest, Invarstahl, dehnt sich beim Erwärmen praktisch nicht aus (ca. 36% Ni). Cr-, Ni-Stahl: rostfrei hart, für Panzerplatten, Eisenbahnräder und Achsen, insbes. V2AStahl und Nirosta. Edelstahl ist ein Sammelbegriff für besonders korrosionsbeständige Stähle. Diese Stähle enthalten im allgemeinen mindestens 12% Chrom und sind beständig gegen oxidierende Angriffsmittel. Höhere Chromgehalte und weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Titan oder Niob verbessern die Korrosionsbeständigkeit. Diese Zusätze beeinflussen auch die mechanischen Eigenschaften ElektroLichtbogen-Ofen 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE EISENMETALLE 2.3.3 Seite 60 Nichteisen-Metallgewinnung Als Metalle oder Leiter werden Werkstoffe verwendet, bei welchen schon bei Zimmertemperatur sehr viele freie Elektronen vorhanden sind. 2.3.3.1 Erze der unedlen Metalle Unedle Metalle kommen in der Natur immer in Form von Verbindungen mit Sauerstoff, Schwefel oder Kohlenstoff vor. Solche Verbindungen werden Erze genannt. Blei-Zink-Erz Metallerze in Verbindung mit Sauerstoff Oxide oder Steine • • Zinkstein Braunstein Schwefel Kohlenstoff Sulfide oder Glanz, Kies, Blende • • • Kupferkies Zinkblende Bleiglanz Carbonate oder Spate • • Braunstein MnO2 Kupferkies Zinkspat Bleispat Zinkblende Rösten mit Wärme und Sauerstoff Bleiglanz Überführen in Zinkspat Metalloxide Hüttenmännische Gewinnung Spodumen- Lithium (LiAl(SiO3)2 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE EISENMETALLE 2.3.3.1.1 Seite 61 Elektrolytisch Wir unterscheiden hier 3 Verfahren: Ausfällen Elektrolyse aus Metallsalzlösungen Schmelzflusselektrolyse Prozess Metalle werden aus Metallsalzlösungen durch Zugabe von besser löslichen Stoffen durch Ausfällen gewonnen. Metalle werden aus Metallsalzlösungen mittels Elektrolyse gewonnen. Metalle werden in der Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Anwendung Zinn, Zementkupfer Zinn, Zementkupfer Aluminium, Magnesium 2.3.3.1.2 Metallkeramisch Zuerst wird das Metall in einem der oberen chemischen Verfahren gewonnen danach pulverisiert und unter Wärme und Druck „zusammengebackten“, dem so genannten Sintern. Anwendung Hartmetalle: Wolfram, Molybdän, Tantal 2.3.3.1.3 Alumiumthermisch Metalle, die mit Kohle Karbide bilden werden mit Aluminiumpulver reduziert. Dabei werden feingepulverte oxidische Metallerze mit Aluminiumpulver in feuerfesten Tiegeln mit Wärme reduziert. Anwendung: Chrom, Mangan, Titan 2.3.3.1.4 Waschen Metalle, die in der Natur in reiner Form vorkommen werden herausgewaschen. Dabei wird die grosse Dichte dieser Metalle ausgenützt. Anwendung: Gold, Platin, Palladium. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE Seite 62 2.3.4 Bearbeitungsverfahren von Metallen Durch den körnerförmigen Aufbau der Metalle lassen sich auf unterschiedliche Weise bearbeiten. Das zu wählende Verfahren ist stark vom Werkstoff und der zu erreichenden Form abhängig. Durch Legieren werden die spezifischen Bearbeitungseigenschaften verändert. WarmKnetverformung Kalt – Knetverformung Spanabhebende Verformung Beispiele Schmieden, Walzen Stauchen, Prägen, Ziehen, Biegen Bohren, Feilen, Fräsen, Sägen, Dekolletieren Druckguss, Sandguss und Kokillenguss Definition Unter Druck und Wärme oberhalb der Kristallisations- Temperatur Verformen mit bleibender Verfestigung. Unter Druck und bei Zimmertemperatur Verformen ohne bleibende Verfestigung. Formveränderung durch Abtragen von Material. Flüssiges Metall in eine Form giessen und abkühlen. Draht strecken für die Verdrahtung Löcher bohren für die Befestigung Anwendungen aus der Praxis Giessen Sintern Pulverisiertes Metall unter hohem Druck und Wärme zusammenbacken. Die Bearbeitung der Materialien ist Sache der Praxis und wird im Schulunterricht nicht spezifisch behandelt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE 2.3.5 Seite 63 Gefügeaufbau der Metalle Die Bruchfläche von Stahl zeigt sich bei starker Vergrösserung nicht als einheitliche Fläche, sondern als Anhäufung vieler kleiner Körner. Eine solche Anhäufung bezeichnet man als Gefüge. Die Bruchfläche von Stahl weist ein Körniges Gefüge auf. Bei ca. 500facher Vergrösserung sind die Körner sichtbar. Sie bestehen aus Kristallen Dieses wachsen der Körner geht nach ganz bestimmten Gesetzmässigkeiten vor sich. Stahl hat wie all Metalle im festen Zustand, eine kristalline Struktur. Die Atome sind zu einem regelmässigen Gitter angeordnet und werden an ihren Plätzen durch Bindungskräfte festgehalten. Zum Beispiel hat das Eisenkristall hat die Form eines Würfels oder Wolfram ein Körper mit sechseckiger Grundfläche. Diese Körner wachsen beim Abkühlen des flüssigen Stahles aus der Schmelze. Bei Abkühlen geht das flüssige Metall nicht plötzlich in den festen Zustand über, vielmehr bilden sie sich in der Schmelze an vielen Stellen Körnen, welche die Erstarrung einleiten. Die um den Kern entstehenden Körnern wachsen solange bis sie durch das Wachstum der benachbarten Körnern behindert werden. Sobald die Körner aneinanderstossen hört das Wachsen auf, es entstehen die Korngrenzen. Mit Hilfe der Röntgenstrahlen lässt sich das Kristallgitter nachweisen Innerhalb eines solchen Würfels kann Stahl verschiedene Formen annehmen. Die Eigenschaften der Metalle werden durch die unterschiedlichen Formen beeinflusst. Kubisch-raumzentriertes Gitter (a-Eisen, Ferrit) Kubisch-flächen-zentriertes Gitter (c-Eisen) Wolfram hat ein Körper mit sechseckiger Grundfläche. Diese Konstruktion macht den Werkstoff sehr hart. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE 2.3.6 Seite 64 Halbmetalle Silizium Hochreines kristallines Silizium ist derzeit das für die Mikroelektronik am besten geeignete Grundmaterial; weniger hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften, als vielmehr der chemischen, physikalischen und technisch nutzbaren Eigenschaften von Silizium und der seiner Verbindungen (Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, usw.). Alle gängigen Computerchips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Indium, Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silizium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silizium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung Silicon Valley („Silizium-Tal“) für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Wichtigkeit des Siliziums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin. Transistor Diode Computerchip Speicher Triac Diac Silizium ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen (Isolatoren) auf. Reines, elementares Silizium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Silizium ist ein Elementhalbleiter. Germanium Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor; Clarke-Wert (= Durchschnittsgehalt in der Erdkruste): 1,5 g/t. Es wird als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen gefunden (Mansfelder Kupferschiefer). Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit, Canfieldit, Germanit und Reniérit. Polykristalines Solarsilizium Germaniumerz Renierit Selen Industriell gewinnt man Selen als Nebenprodukt bei der elektrolytischen Kupfer- und Nickelherstellung aus dem Anodenschlamm durch Abrösten. Die Reduktion zum elementaren Selen erfolgt durch Schwefeldioxid. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE 2.3.7 Seite 65 Nichtmetalle Nichtmetalle (früher auch Metalloxide genannt) sind chemische Elemente der Gruppen 14 bis 18 des Periodensystems der Elemente (Edelgase sowie direkt links vor den Edelgasen) denen die typischen metallischen Eigenschaften fehlen wie gute :Elektrische und thermische Leitfähigkeit, Glanz, Härte und gute Formbarkeit. Nichtmetalle entsprechend der vorstehenden Definition sind: Sauerstoff Technisch wird Sauerstoff heute fast ausschließlich durch Rektifikation von Luft gewonnen. Das Verfahren wurde 1902 zunächst von Carl von Linde entwickelt (Linde-Verfahren) und von Georges Claude wirtschaftlich rentabel gestaltet. Geringe Mengen ergeben sich als Nebenprodukt bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser. Kohlenstoff Mögliche Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung sind Anthrazitkohle, Steinkohle, Koks (karbonisierte Steinkohle), Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Torf, Holz und Holzkohle (karbonisiertes Holz). Stickstoff Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft in Luftzerlegungsanlagen mit einer Reinheit von bis zu 99,99999% gewonnen. Schwefel Früher bildete das gediegene Mineral eine wichtige Quelle für Schwefel. Phosphor Dazu wird in elektrischen Lichtbogenöfen Calciumphosphat in Form der Mineralien Phosphorit oder Apatit mit Koks und Quarzsand auf 1400 °C erhitzt und so zu weißem Phosphor umgesetzt. Halogene Halogene lassen sich nur durch elektrochemische Vorgänge gewinnen, da es kein Element und keine Verbindung gibt, die ein größeres Redox-Potential hat und dieses oxidieren könnte (z.B: Oxidation, weil Elektronenabgabe von 2 F− zu F2, andere Halogene dito). Alle Halogene lassen sich neben der elektrochemischen Darstellung (z. B. Chloralkalielektrolyse) auch mit Oxidationsmittel wie MnO2 (Braunstein), KMnO4 (Kaliumpermanganat) herstellen. Edelgase Mit Ausnahme eines Teils des Heliums und der radioaktiven Elemente erfolgt die Gewinnung der Edelgase ausschließlich aus der Luft. Sie fallen als Nebenprodukte bei der Gewinnung von Stickstoff und Sauerstoff im Linde-Verfahren an. Wasserstoff Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H2 sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt. Weiterhin wird auch Wasserstoff zu den Nichtmetallen gezählt, da es die oben genannten Eigenschaften ebenfalls nicht aufweist. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 4 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE ERDE ALS ROHSTOFFLIEFERANT 2.4 Bedeutung und Wert der Stoffe 2.4.1 Erde als Rohstofflieferant Seite 66 In dieser Tabelle finden Sie eine Liste der Elemente und ihre Häufigkeit in der Erdkruste. Die Erdkruste bildet den äußeren Teil der Erde und reicht ca. 35 - 40 km ins Erdinnere. Ihre Zusammensetzung ist sehr vielgestaltig. Die wichtigsten Elemente nach Atom-Prozent geordnet sind Sauerstoff (60,4%), Silizium (20,4%) und Aluminium (6,3%). Darauf folgen Wasserstoff (2,9%), Natrium (2,6%), Calcium (1,9%), Eisen (1,9%), Magnesium (1,8%), Kalium (1,4%) und Titan (0,2%). Diese zehn Elemente bilden 99,8% der Erdkruste. Wenn man die Elemente der Erdkruste nach Gewichtsprozent ordnet, fällt in Vergleich zur Verteilung nach Atomprozent eine Verschiebung der Anteile auf: Sauerstoff (46,6%), Silizium (27%) und Aluminium (8%) sind zwar immer noch die drei häufigsten Elemente, dafür ist nun aber Eisen (6%) an die vierte Stelle gerückt, gefolgt von Magnesium (4%), Calcium (2,4%), Kalium (2,3%) und Natrium (2,1%). 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 4 1 % 6,00 7,57 27,0 0,06 2,90 46,60 0,18 0,007 0,0023 0,01 4,00 2,40 0,15 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE ERDE ALS ROHSTOFFLIEFERANT Seite Material Herkunftsländer % Eisenerz Roheisen China, Frankreich, Japan, Taiwan, Russland, Italien, USA, GB, Brasilien, Kanada, Ukraine, Belgien, D, Südafrika, Südkorea, Australien, Indien, Niederlande Aluminiumerz Aluminium Australien, China, Indien, Guinea, Jamaika Roheisen Stahl NL, USA, Ukraine, Japan, Südkorea, China, GB, D Germanium Südwest-Afrika Silizium Kohlenstoff Nickel 0,14 2,90 USA, D, China, Südkorea, Norwegen, Japan 0,11 Deutschland 0,40 Neukaledonien, Philippinen, Griechenland, UdSSR, Brasilien, Venezuela, Kuba, Norwegen, China, Deutschland., Indien, Mexiko Katanga, Indonesien, Marokko, Kanada, Neukaledonien. Zink Deutschland, Polen, Italien, Spanien, Jugoslawien Schweden USA, UdSSR, Kanada, Australien Zinn Südostasien, Indonesien, Australien, China, Bolivien, Russland, Malaysia, Thailand, Portugal 2,10 Kupfer Chile, Kongo, Kanada, USA 0,73 Magnesium Frankreich, Deutschland, Polen1) 2,30 Kalzium Frankreich, Deutschland, Polen1) 0,02 Phosphor Frankreich, Deutschland, Polen1) 0,0018 0,01 Barium Material Herkunftsländer Wolfram China, Russland, Kanada, Österreich, Portugal Silber USA, Mexiko, Peru, Russland, Südafrika, Australien Gold Südafrika, Südrhodesien, Russland, Kanada, USA, Mexiko, Philippinen, Australien Mangan Kalahari Südafrika, Australien, China, Gabun, Brasilien, Ukraine, Indien, Mangankrusten Tiefsee Wasserstoff Chrom Russland, Südafrika, Kasachstan, Indien, Simbabwe, Indien, Brasilien, Simbabwe, Türkei, Finnland Titan Australien, Skandinavien, Kanada, Nordamerika, Malaysia, Südafrika, China, Norwegen Keramik Sauerstoff Kobalt Baumwolle China, Indien, USA, Pakistan, Brasilien, Usbekistan, Türkei, Australien, Turkmenistan, Griechenland, Syrien, Argentinien, Burkina Faso, Mexiko, Ägypten Glimmer USA, China Gummi Thailand, Indonesien, Malaysia, Indien, China, Elfenbeinküste Nigeria, Liberia Natrium Frankreich, Deutschland, Polen1) Schwefel Frankreich, Deutschland, Polen1) Kalium Frankreich, Deutschland, Polen1) Chlor Frankreich, Deutschland, Polen1) Blei China, Schweden, Australien, Kasachstan, USA, Marokko, Peru, Russland, Mexiko, Iran, Kanada, Nordkorea, Irland, Bulgarien, Indien, Türkei, Polen, Rumänien, Südafrika, Brasilien 1) Frankreich, Deutschland, Polen 1) 2,90 11. Dezember 2014 www.ibn.ch 67 Steinsalzabbau Vorkommen Vorkommen in der Erdkruste Version 3 BET 2 4 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE UMWELTSCHUTZ Seite 68 2.4.2 Umweltschutz 2.4.2.1 Philosophie Umweltschutz Die Umweltsituation stellt sich bedrohlich dar. Schlagworte wie Treibhauseffekt, Klimawandel, CO2Ausstoß, Luftverschmutzung, Waldsterben, Versteppung von Landschaften, Abholzung tropischer Regenwälder, Müllberge, Ozonloch, Gewässer-Verschmutzung, Vergiftung von Böden in der Natur, saurer Regen, Artensterben, Grundwasserverschmutzungen, Smogalarm, Tschernobyl und die ungelöste Endlagerung von Atommüll sowie allgemeiner Raubbau an nicht erneuerbaren Rohstoffen sind heute in aller Munde. Der Traum vom unbegrenzten wirtschaftlichen Wachstum und ein triumphierender Fortschrittsglaube scheinen in eine tiefe Krise geraten zu sein. Wann ist die Belastungsgrenze der Erde erreicht und wie groß ist der Wert der Natur tatsächlich? Schon in Studien wie “Die Grenzen des Wachstums” an den Club of Rome (1972), dem Bericht “Global 2000” an den amerikanischen Präsidenten Carter (1980) oder dem sog. “Brundlandt-Bericht” der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (1987) ist auf die drohende Zerstörung der natürlichen Lebensbedingungen des Menschen durch die zunehmende Umweltverschmutzung und Ausbeutung der Natur aufmerksam gemacht worden Dabei handelt es sich bei der Umweltzerstörung keineswegs um ein rein neuzeitliches “Phänomen”: Platon 447-347 v. Chr. Schon Griechen und Römer haben durch ihren Schiffsbau ganze Küstenregionen des Mittelmeeres entwaldet und dadurch verödet. Schon der Philosoph Platon soll vor den schädlichen Folgen des Abholzens der attischen Berge für die Wasserversorgung und Bodenbestände Athens gewarnt haben. Was sich im Vergleich zu damals jedoch drastisch verändert hat, ist das Ausmaß der Umweltzerstörung und deren Langzeitwirkungen, die der Mensch heute mit Hilfe seiner technischen und wirtschaftlichen Macht zu bewirken imstande ist. Doch obwohl die Rohstoffvorräte und die Regenerationskräfte der Erde begrenzt sind, folgt der Mensch nach wie vor einer Philosophie des Raubbaus an der Erde auf Kosten kommender Generationen. Nach wie vor werden Rohstoffe in der Wirtschaft verbraucht oder verbrannt, die nicht wieder zu ersetzen sind. Durch die gegenwärtigen Produktionsverfahren von Unternehmen und die Konsumgewohnheiten der Gesellschaft wird die natürliche Umwelt in einem Ausmaß verschmutzt, verstrahlt und vergiftet, dass sich der Mensch langfristig selbst seiner natürlichen Lebensgrundlage entledigt. Die Formel “nach uns die Sintflut” gilt im wahrsten Sinne des Wortes; folgt man den Prognosen, wonach sich die Erdatmosphäre durch den Treibhauseffekt weiter erhitzen wird. Dann wäre ein Abschmelzen der Pole unweigerlich mit einem Anstieg des Meeresspiegels verbunden. Täglich sollen bei der Arbeit folgende Fragen gestellt werden: - Wie kann ein Ausgleich zwischen Ökologie und Ökonomie gefunden werden? - Unternehmen müssen bei der Wahl der Betriebsmittel und der Arbeitsprozesse die Umweltbelastung berücksichtigen. - Der Kunde muss auf umweltfreundlichere Methoden aufmerksam gemacht werden. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 4 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE UMWELTSCHUTZ 2.4.2.2 Seite 69 Stoffkreisläufe, Ressourcen und Recycling Vermeiden Wenn man Stoffe erst nicht braucht sind dies die besten Massnahmen für den Umweltschutz. Vermindern Abfälle bei der Verarbeitung sollen möglichst klein gehalten werden. Verwerten Da dies aber nicht immer möglich ist, so soll man Stoffe und Betriebsmittel einsetzen, welche sich einfach wieder verwenden oder verwerten lassen. Das verbrennen der Reststoffe ist wohl besser als das deponieren. Entsorgen Abstufungen des Recycling Abfallvermeidung Vorbereitung zu Wiederverwendung Stoffliche Verwertung Energetische Verwertung Deponieren. Als Stoffkreislauf bezeichnet man in der Ökologie eine periodische Umwandlung von chemischen Verbindungen, in deren Verlauf – nach einer Reihe von chemischen Reaktionen – erneut der Ausgangsstoff entsteht. In Ökosystemen gibt es diverse Stoffkreisläufe, zum Beispiel einen Kohlenstoffkreislauf, einen Stickstoffkreislauf , einen Schwefelkreislauf und einen Phosphor-Kreislauf. Für die Betrachtung der Stoffkreisläufe in einem Ökosystem ist auch der Stoffaustausch mit abiotischen Speichern wie der Atmosphäre und den Sedimenten in Gewässern von Bedeutung. Meist bestehen selbstregulierend wirkende Fließgleichgewichte zwischen den Systemkompartimenten, aus denen ein Stoffkreislauf besteht. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 4 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE UMWELTSCHUTZ STOFFKREISLÄUFE, RESSOURCEN UND RECYCLING Seite 70 Unter Aluminiumrecycling wird das Sammeln und Wiederverwerten von Aluminiumteilen verstanden. Aluminium ist ein Metall, dessen Eigenschaften auch nach seiner Nutzung in einem Produkt nicht beeinträchtigt werden, so dass Aluminium beliebig oft ohne Qualitätsverlust wiederverwertet werden kann. Der hohe Metallwert bleibt erhalten und bildet einen ausreichenden wirtschaftlichen Anreiz, das Metall auch tatsächlich am Ende seiner Nutzungsphase zu erfassen, aufzubereiten, zu schmelzen und erneut in gleicher bzw. vergleichbarer Weise zu nutzen. Kupferrecycling ist die industrielle Wiederverwertung von Altkupfer. Recyceltes Kupfer besitzt dieselbe Qualität wie der Primärrohstoff. Für die bei der Kupferproduktion anfallenden kupferhaltigen Reststoffe bestehen geschlossene Verwertungswege. Begleitmetalle in den Sekundärrohstoffen werden getrennt und zu Produkten verarbeitet. Die Ablagerung von Stoffen auf Deponien wird damit weitgehend vermieden. Unter Batterierecycling wird die stoffliche Wiederverwertung von Batterien verstanden. Für gebrauchte Batterien besteht per Gesetz eine Rückgabepflicht für Verbraucher und eine Rücknahmepflicht für Handel, öffentlichrechtliche Entsorgungsträger, Hersteller und Importeure. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 4 2 2 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE UMWELTSCHUTZ STOFFKREISLÄUFE, RESSOURCEN UND RECYCLING 2.4.3 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Seite 71 Materialkreislauf im eigenen Betrieb beschreiben Version 3 BET 2 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE Seite 72 2.5 Eigenschaften der Werkstoffe Um Werkstoffe zweckmässig einzusetzen, müssen ihre Eigenschaften umschrieben werden und miteinander verglichen werden. Dazu sind eindeutige Begriffe notwendig. Diese Werkstoffbegriffe sind teilweise genormt. Man unterscheidet Begriffe, die das mechanische, das chemische und das physikalische Verhalten kennzeichnen. Mechanische Eigenschaften Chemische Werkstoffeigenschaften - Festigkeit (Zug, Druck, Biegung, Scherung, Torsion) - Elastizität (Dehnbarkeit) - Plastizität - Härte (Sprödigkeit, Duktilität) - Dichte - Korrosionsbeständigkeit Oxidations- , Reduktionsverhalten Heizwert Brennbarkeit Spannungsreihe Giftigkeit Abbaubarkeit Elektronegativität Säurebeständigkeit Laugenbeständigkeit Optisch-akustische Eigenschaften - UV-Beständigkeit Lichtbrechung Lichtreflexion (Glanz) Transparenz Schallabsorption Schallreflexion Thermische Eigenschaften - Schmelzpunkt Siedepunkt (Verdampfung) Hitzebeständigkeit Wärmeleitung Wärmekapazität Wärmeausdehnung Elektrische Eigenschaften - Elektrizitätskonstante (Dielektrizität) Elektrische Leitfähigkeit Magnetische Eigenschaften Durchschlagfestigkeit Spannungsreihe Kriechstromfestigkeit Isolationswiderstand Technologische Werkstoffeigenschaften - Bearbeitbarkeit (Formen, Fügen, Vergüten, Veredeln) - Umformbarkeit (Kalt, Warm) - Gießbarkeit - Zerspanbarkeit - Schweissbarkeit - Härtefähigkeit Ökologische Werkstoffeigenschaften - Rohstoffverbrauch bei Herstellung - Transport, Verarbeitung und Gebrauch - Energieverbrauch bei Herstellung, - Recyclingfähigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE Seite 73 2.5.1 Festigkeit Festigkeit ist die Widerstandsfähigkeit, welche feste Stoffe einer Trennung oder Verformung durch äussere Kraft entgegensetzen. Die Festigkeit ist abhängig von der Zusammenhangskraft zwischen den Molekülen, die als Kohäsion bezeichnet wird. Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft und beschreibt den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff einer plastischen Verformung oder Trennung entgegensetzt. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden die technisch relevanten Festigkeitskennwerte ermittelt. Je nach Werkstoff, Werkstoffzustand, Temperatur, Belastung und Belastungsgeschwindigkeit können unterschiedliche Festigkeiten erreicht werden. Zug Druck Biegung Scherung Torsion Seile Kupplung Säulen Mauerwerk Brücken Blattfedern Schrauben Antriebswelle Feder 2.5.2 Elastizität Als Elastizitätsgrenze eines Materials oder Werkstoffes bezeichnet man die Größe der mechanischen Spannung, bei deren Überschreiten eine nicht reversible Dehnung oder Stauchung bzw. plastische Verformung auftritt. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist es der Punkt, in dem die Spannungskurve vom linearen Verlauf abweicht. Dieser Punkt ist aber nicht eindeutig definiert, sondern von der Messmethode abhängig. Die Elastizitätsgrenzwerte werden neben anderen Materialwerten für die Berechnung und Bestimmung der Festigkeit und Stabilität mechanischer Konstruktionen verwendet. Der Zugversuch dient dazu, an einem Werkstoff den Widerstand gegen das Zerreissen festzustellen, womit man auch gleichzeitig sein Verhalten gegenüber verformenden Kräften erhält. Prüfkörper und Durchführung des Versuches sind weitgehend genormt. Die Prüfung erfolgt mittels hydraulisch angetriebenen Zerreissmaschine. Unter Der Einwirkung einer Zugkraft auf den Probestab wird dieser gereckt, bis er schliesslich reisst. Er verlängert sich dabei. Die auftretenden Kräfte und Verlängerungen werden gemessen und aufgezeichnet. Aus der Belastung des Probestabes und dem ursprünglichen Querschnitt erhält man die Spannung. P: Proportionalitätsgrenze Bis hier ist der Werkstoff elastisch, d.h. er geht bei Entlastung wieder in die Ausgangsstellung zurück. Wird dieser Punkt überschritten, so bleibt eine bleibende Verformung zurück. S Streckgrenze, Elastizitätsgrenze Die Streckgrenze S ist ein Werkstoffkennwert und bezeichnet diejenige Spannung, bis zu der ein Werkstoff bei einachsiger und momentenfreier Zugbeanspruchung keine sichtbare plastische Verformung zeigt. B: Bruchgrenze Hier tritt die höchste Kraft bzw. Spannung auf. Z: Zerreissgrenze Hier bricht das Material. Berechnungsbeispiel: 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE 2.5.3 Seite 74 Plastizität Die Plastische Verformung oder Plastizität beschreibt die Fähigkeit fester Stoffe sich unter einer Krafteinwirkung irreversibel zu verformen (zu fließen) und diese Form nach der Einwirkung beizubehalten. Im Gegensatz dazu würde ein elastischer Stoff seine ursprüngliche Form wieder einnehmen und ein spröder Stoff mit sofortigem Versagen reagieren - man spricht von Sprödbruch (Keramiken, kubischraumzentrierte Metalle bei tiefen Temperaturen). Sowohl Bruch als auch plastische Verformung sind immer auch mit elastischer Verformung verbunden. 2.5.4 Dichte Die Dichte (genauer: Massendichte) eines Körpers ist das Verhältnis seiner Masse zu seinem Volumen. Sie wird zum Beispiel in Gramm pro Kubikzentimeter oder Kilogramm pro Liter angegeben. Anschaulich gesagt, beschreibt sie, ob der Körper bezogen auf ein bestimmtes Volumen leicht wie eine Feder oder schwer wie ein Stein ist. Zerteilt man einen Körper, der gleichmäßig aus demselben Material zusammengesetzt ist, dann erhält man Teile mit anderen Massen, anderer Form und anderer Größe. Aber das Verhältnis der Masse m zum Volumen V, die Dichte ρ= m V kg 3 dm hat bei den Teilen denselben Wert wie bei dem ursprünglichen Körper. Die Dichte ist eine für das Material des Körpers charakteristische, von seiner Form und Größe unabhängige Eigenschaft. 2.5.5 Die Härte Die Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines festen Körpers. Die Härte ist einerseits abhängig vom molekularen Aufbau, andererseits von der mechanischen Spannung. Sprödigkeit Die Sprödigkeit sagt aus, in welchem Maß sich ein Werkstoff plastisch verformen lässt, bis er schließlich bricht. Eine hohe Sprödigkeit besitzen meist Materialien großer Härte, wie beispielsweise Diamant, Carbide, Nitride, Salze, Keramiken. Im Gegensatz dazu stehen duktile Werkstoffe, wie viele Metalle und Kunststoffe. Diese sind vergleichsweise weit plastisch verformbar, bis sie schließlich brechen. Die Fähigkeit zur plastischen Verformbarkeit des Werkstoffs fällt mit sinkender Temperatur, die Sprödigkeit nimmt also zu. Mit Hilfe des Zugversuches kann die Sprödigkeit eines Werkstoffes festgestellt werden. Spröde Werkstoffe zerreißen im Zugversuch beim Erreichen der Elastizitätsgrenze ohne oder nur mit geringer plastischer Verformung. Duktilität Duktilität (aus dem Lateinischen von ducere (ziehen, führen, leiten) abgeleitet) ist die Eigenschaft eines Werkstoffes, sich bei Überbelastung stark plastisch zu verformen, bevor er versagt. Beispielsweise bricht Glas ohne erkennbare Verformungen; Stahl hingegen kann sich um bis zu 26 % plastisch verformen (je nach Stahlsorte, siehe auch Baustahl), bevor er reißt. Gold ist so duktil, dass es sich auf eine Dicke von wenigen Atomlagen austreiben lässt, s. Blattgold. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE 2.5.6 Bearbeitbarkeit 2.5.6.1 Formen Seite 75 Als Verformung oder Deformation eines Körpers bezeichnet man in der Kontinuumsmechanik die Änderung seiner Form infolge der Einwirkung einer äußeren Kraft. Die Deformation kann als Längenänderung oder als Winkeländerung in Erscheinung treten. Die der äußeren Kraft entgegengesetzte Kraft des Körpers ist der Verformungswiderstand. Verformung teilt man in: - plastische Verformung oder irreversible Verformung - elastische Verformung oder reversible Verformung 2.5.6.2 Fügen Mit dem Begriff Fügen nach DIN-Norm (DIN 8593) bezeichnet man in der Fertigungstechnik das dauerhafte Verbinden von mindestens zwei Bauteilen. Die DIN 8593 unterteilt das Fügen in neun Gruppen, in denen die verschiedenen Fügeverfahren zusammengefasst werden. - An- und Einpressen Fügen durch Urformen Fügen durch Umformen Fügen durch Schweißen Fügen durch Löten Kleben Verschrauben Schrumpfen (siehe auch Übermaßpassung) - Textiles Fügen 2.5.6.3 Verbindungselemente Stifte, Schrauben Niete, Passfedern Keile, Nägel Pressverbinder Kabelschuhe Garnen, Fäden, Vliesen, Halb- und Fertigprodukte aus textilen Faserstoffen, Nähen, Knüpfen Vergüten Vergütung bezeichnet die Kombination aus Härten und Anlassen von Stahl bei höheren Temperaturen, um mit dieser Wärmebehandlung das Material mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hohen Zähigkeitseigenschaften zu versehen. Der Vergütungsprozess erfolgt zusätzlich zum Härte- und Anlassprozess. 2.5.6.4 Veredeln Veredelung oder das Veredeln ist ein Prozess, bei dem etwas in etwas Höherwertiges umgewandelt wird. Das kann etwa rein kosmetisch sein, oder aber die Produktivität steigern. Veredelungen werden in nahezu jeder produzierenden Branche durchgeführt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT Seite 76 2.5.7 Korrosionsbeständigkeit Korrosion (von lat. corrodere, „zernagen“) allgemein ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder Systems führen kann. Korrosion tritt an Metallen auf, der Begriff ist jedoch ebenfalls gebräuchlich in anderen Gebieten, etwa der Geologie und der Medizin. Die wohl bekannteste Art von Korrosion ist das Rosten, also die Oxidierung von Metallen. 2.5.7.1 Korrosionsbeständigkeit Wasserwärmer Da für die Wasserversorgungen immer mehr eine Mischung von verschiedenen Wassersorten (Quell-, Grund-, Seewasser) verwendet wird, kommt es durch den hohen Gehalt an Sauerstoff und Kohlensäure im Wasser immer mehr zu Korrosionserscheinungen in den Boilern. Beim emaillierten Boiler zum Beispiel entstehen in der Emaillierung durch die unterschiedliche Ausdehnung des Stahl und des Emails feine Haarrisse, die einer mehr oder weniger schnellen Korrosion unterworfen sind. Um die Korrosionswirkung zu verhindern und die Lebensdauer der Boiler zu verlängern, sind im Behälter eine oder mehrere Anoden aus einer Magnesiumlegierung angebracht. Das Magnesium dieser Anode weist ein ausgesprochen negativelektrochemisches Potential in Bezug auf dasjenige der andern Metalle des Apparates auf. Wenn sich im Wasserwärmer eine Anode befindet, wird die korrosive Wirkung des Wassers auf die Anode geleitet, deren Material langsam aufgebraucht wird. In diesem Zusammenhang spricht man vom kathodischen Korrosionsschutz, weil die Magnesiumschutzanode die Kathode das heisst, den Stahlboiler schützt. Heutzutage sind fast alle Boiler emailliert und mit Magensiumschutzanoden ausgerüstet. Damit kann die natürliche Aggressivität des Wassers korrigiert werden. Auch plastifizierte und zementierte Boiler, Boiler aus Chromstahl und sogar schwarze Stahlboiler können mit der Magnesiumschutzanode kathodisch gegen Korrosion geschützt werden und bewirken zusätzlich eine positive Wirkung auf die Kalkstruktur. Korrosion (Rost) in einem Zementbeschichteten Stahlboiler. Verbrauchte Anode in einem emaillierten Boiler. Nach Abnützung der Schutzanode entsteht Korrosion (Rost). Durch den Einbau von Magnesiumschutzanoden wurde die Korrosion gestoppt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT 2.5.7.2 Seite 77 Korrosionsbeständigkeit Rohre und Kabel 2.5.7.2.1 Korrosionsbeständige Metallrohre Rostfreier Stahl ist ein allgemeinsprachlicher Ausdruck für eine Gruppe von korrosions- und säurebeständigen Stahlsorten. Diese Stähle sind auch bekannt unter der korrekteren Bezeichnung nichtrostender Stahl. 2.5.7.2.2 Korrosionsbeständiges Thermoplast-Material Kommen in der Natur nicht vor und sind künstlich hergestellt. Sie sind witterungsbeständig, beständig gegen viele Chemikalien, sind hygienisch einwandfrei, haben eine glatte Oberfläche, sind leicht herzustellen, haben ein geringes Gewicht, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe elektrische Leitfähigkeit. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE ISOLATIONSWIDERSTAND Seite 78 2.5.8 Isolationswiderstand ohmschen Widerstand Der Isolationswiderstand entspricht dem hoch Er muss sehr Materal und sein. Er ist von den des Isolators . Abmessungen (Kabelmantel, Drahtisolation,..) abhängig. Zur Messung des Isolationswiderstandes wird zum Vergleich ein Würfel von 1cm Kantenlänge eingesetzt. Die Messelektroden liegen beidseitig auf einer Fläche von 1cm2 auf, die gemeinsame Schichtdicke beträgt 1cm. Der Isolationswiderstand wird in Ω oder MΩ gemessen. Es ergibt sich die Einheit: 2 M Ω ⋅ cm2 4 Ω ⋅ mm oder M Ω ⋅ cm ferner gilt 1 Ωcm = 10 ⋅ cm m Für Angaben nur in Ω oder MΩ muss über das Ausmass des gemeinsamen Prüfobjektes eine Aussage gemacht werden. In Hausinstallationen gelten für die Ermittlung der Isolationswiderstände die Bestimmungen nach NIN. Fachteil NIN Compact Die aktuellen vorgeschriebenen Isolationswerte sind auch unter Prüfen und Messen Kapitel 13.17.2.3 aufgeführt. Prinzipschaltbild einer symmetrischen Leitung: L C R G Induktivität Kapazität Widerstand Querleitwert 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Berechnung des maximal notwendigen Isolationswiderstandes, damit der Personenschutz erfüllt ist: [H] = Henry [F] = Farad [Ω] = Ohm [S] = Siemens Version 3 BET 2 5 9 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER STOFFE DURSCHLAGFESTIGKEIT Seite 79 2.5.9 Durchschlagfestigkeit Als Durchschlagsspannung gilt der Effektivwert einer sinusförmigen Wechselspannung von 50 Hz, bei dem der Durchschlag erfolgt. Je nach Art und Güte des lsolators erfolgt vor dem Durchschlag ein Überschlag zwischen den spannungsführenden Teilen. Prüfen mit 5o Hz Effektivwert: 1, T 2, H R F P Zwei in Kaskade geschaltete Prüftransformatoren zur Erreichung hoher Prüfspannungen. Die Transformatoren können auch einzeln verwendet werden. ReguIiertransformator Hochspannungstransformator Schutzwiderstand Messfunkenstrecke Prüfobjekt, Prüfling Material kV mm Glimmer Porzellan Steatit Aluminiumoxid Luft Transformatorenöl Naturgummi Papier trocken Papier ölimprägniert Hartpapier Phenoplast Polystyrol Polyäthylen Polyvinylchlorid Polytetrafluoräthylen Polyamid 30-50 30-35 30-40 -100 1,5-2 8-15 15-20 7-10 30-50 20-60 3-10 10-40 10-35 15-40 15-40 5-30 Die Durchschlagfestigkeit wird bestimmt aus Durchschlagsspannung dividiert durch Dicke des Prüfkörpers. Sie wird gemessen in: kV kV oder cm mm Die Ermittlung ist nicht einfach. Folgende Faktoren spielen dabei eine Rolle: Elektrodenform Prüfkörperdicke Werkstoffart Anzahl Versuche Temperatur Feuchtigkeitsgehalt 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE 2.5.10 Seite 80 Die Dielektrizitätszahl Die Dielektrizitätszahl εr zeigt für einen bestimmen Verwendungsbereich die Eignung des Materials als lsolierstoff (Dielektrikum). Ein Kondensator vermag bei sonst gleichen Bedingungen mit höherem εr des verwendeten Isolierstoffes eine grössere Elektrizitätsmenge zu speichern. Seine Kapazität nimmt um den Faktor εr zu. Tabelle von Dielektrizitätszahlen einiger Isolierstoffe: Material εr [1] Material Glimmer Transformatorenöl Hartpapier Gläser 4-8 2 - 3,2 4 - 6,5 5 - 12 Luft Papier Steatit εr [1] 1 1,8 - 2,6 5,5 - 6,5 Die Dielektrizitätszahl von Isolatoren muss möglichst klein sein. Wesen der Dielektrizitätskonstante: 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE WÄRMEBESTÄNDIGKEIT Seite 81 2.5.11 Wärmebeständigkeit Wärmebeständig bis zu einer bestimmten Temperatur ist ein Stoff, wenn sich dabei seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften nicht in einer dem Verwendungszweck nachteiligen Weise ändert. Für die höchstzulässige Erwärmung sind nach IEC sieben Klassen vorgesehen. Diese sind: Klasse Klasse Höchszulässige nach nach Temperatur VKF IEC [°C]] 70 90 105 120 130 155 180 >180 Y A E B F H C Beispiele PVC Baumwolle, Papier ungetränkt Baumwolle, Papier imprägniert Hartpapier mit Phenolharz Pressmassen, Melamin, Phenol Glimmer mit organischen Trägern Glimmer mit anorganischen Trägern Glimmer, Quarz, Porzellan Nach NIN F1.4.5 u.f. werden nachfolgende Begriffe definiert. Die erwähnten Brennbarkeitsgrade sind gemäss Wegleitung für Feuerpolizeivorschriften der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (VKF). 2.5.11.1 Brennbar Brennbar (mittelbrennbar) ist ein Stoff, der nach der Entflammung ohne zusätzliche Wärmezufuhr selbständig weiterbrennt. Als „Brennbar“ gelten Stoffe des Brennbarkeitsgrades 4. Mittelbrennbare Stoffe werden dem gleichen Brennbarkeitsgrad zugeteilt. 2.5.11.2 Leichtbrennbar Leichtbrennbar ist ein Stoff, der durch ein Streichholz entflammt werden kann und ohne zusätzliche Wärmezufuhr selbständig weiter brennt. Als „Leichtbrennbar“ gelten Stoffe der Brennbarkeitsgrade 1 bis 3. 2.5.11.3 Nichtbrennbar Nichtbrennbar ist ein Stoff, der nicht entflammt werden kann. Als „Nichtbrennbar" gelten Stoffe der Brennbarkeitsgrade 6q und 6. Schutzkasten oder Nischen aus brennbarem Stoff, welche mit nichtbrennbarem und wärmeisolierendem Stoff ausgekleidet sind, gelten im Sinne dieser Bestimmungen als nichtbrennbar. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE WÄRMEBESTÄNDIGKEIT 2.5.11.4 Seite 82 Nichtbrennbar und wärmeisolierend Nichtbrennbar und wärmeisolierend ist ein Bauelement, das nicht entflammt werden kann und die Wärme schlecht leitet. Damit ein Stoff als nichtbrennbar und wärmeisolierend eingestuft werden kann, muss er einen Brennbarkeitsgrad 6q oder 6 und folgenden Wärmedurchlasswiderstand aufweisen: R ≤ 0,07 m 2 °C W NIN 2.5.11.5 Ermittlung des Wärmedurchlasswiderstandes Nichtbrennbar und wärmeisolierend ist ein Bauelement, das nicht entflammt werden kann und die Wärme schlecht leitet. Damit ein Stoff als nichtbrennbar und wärmeisolierend eingestuft werden kann, muss er einen Brennbarkeitsgrad 6q oder 6 und folgenden Wärmedurchlasswiderstand aufweisen: R= l m 2 °C λ W NIN m 2 °C W [m] R Wärmedurchlasswiderstand l Materialdicke λ Wärmeleitfähigkeit W m°C Die in nachfolgender Tabelle aufgeführten Produkte erfüllen diese Forderung, so fern die Dicke für das gewählte Produkt in der Kolonne „handeIsübIiche Dicken“ derjenigen in der Kolonne „Mindest-Dicke“ entspricht. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 5 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE WÄRMEBESTÄNDIGKEIT Seite 83 l = R⋅λ m 2 °C W [m] = W ⋅ m°C Beispiel: Wie dick muss eine PicalPlatte sein, damit dieses Material als nichtbrennbar und wärmeisolierend gilt? Lösung: l = R⋅λ= l = 0,07 m 2 °C W ⋅ 0,147 = W m°C l = 0,01029 m l = 10,29 mm NIN 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 6 2.6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE OXIDATION UND REDUKTION Seite 84 Oxidation und Reduktion Im Jahre 1783 gelang es dem Franzosen Antoine Lavoisier (17431794), den Verbrennungsvorgang aufzuklären. Er erkannte, dass die Verbrennung von Stoffen eine Reaktion mit Sauerstoff ist. Entsprechend dem französischen Namen „oxygène“ für Sauerstoff wurden der Vorgang als Oxidation und die Verbrennungsprodukte als Oxide bezeichnet. Merke Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen von einem Reaktionspartner zum anderen übertragen. Stark elektronegative Elemente wie Sauerstoff und die Halogene haben ein grosses Bestreben, Elektronen aufzunehmen. Sie sind deshalb gute Oxidationsmittel. Zur Abgabe von Elektronen neigen Elemente mit weniger Aussenelektronen und geringer Elektronegativität, vor allem die Alkali- und Erdalkalimetalle, Wasserstoff, aber auch Kohlenstoff. Sie sind deshalb gute Reduktionsmittel. Merke Oxidationsmittel sind Substanzen, die Elektronen aufnehmen; sie oxidieren andere Stoffe, wobei sie selbst reduziert werden. Reduktionsmittel sind Stoffe, die Elektronen abgeben; sie werden dabei selber oxidiert. Merke Als Oxidation bezeichnet man heute jede Reaktion, bei der einem Teilchen Elektronen entzogen werden. Umgekehrt versteht man unter einer Reduktion einen Vorgang, bei dem Elektronen aufgenommen werden. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE OXIDATION UND REDUKTION Seite 85 Beispiel Redoxreaktion Fe 2O3 + Eisenoxid 3CO 2 Fe Kohlenmonoxid Eisen Reduktion von Eisenerz (Eisenoxid) im Hochofen. Dabei ist das Kohlenmonoxid das Reduktionsmittel. 3CO 2 + Kohlendioxid Beispiel Redoxreaktion Mg Magnesium + 2+ O Mg MagnesiumKation Sauerstoff Die Reaktion des Magnesiums mit Sauerstoff führt zu einer Jonenbindung. Die beiden Aussenelektronen des Magnesiumatoms wechseln zum Sauerstoffatom über. 2- + O SauerstoffAnion Reduktions- und Oxidationsmittel Auch Elektrolysen sind Redoxreaktionen. Dabei wirkt eine Elektrode (der Minuspol) als „Reduktionsmittel“, indem sie Elektronen abgibt, die andere Elektrode als „Oxidationsmittel“, sie nimmt Elektronen auf. Wichtig: Bei der Untersuchung von chemischen Reaktionen ist die Oxidationszahl ein wichtiges Hilfsmittel. Auch hier spielen die Valenzelektronen eine wichtige Rolle. Die Gruppennummer der Hauptelemente entspricht der Oxidationszahl unter Berücksichtigung der EN des Verbindungselementes. Die Regeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen: Sauerstoff hat die Oxidationszahl (-II). Fluor hat stets die Oxidationszahl (-I) Metalle haben immer positive Oxidationszahlen. Wasserstoff in Verbindung mit Metallen hat die Oxidationszahl (+I). Die Summe der Oxidationszahlen ist immer Null. Die Summe der Oxidationszahlen eines mehratomigen Ions ( SO4 2− , CO32 − , ..) ist gleich seiner Ladung. Bei einatomigen Ionen ist die Oxidationszahl gleich der Ladung des Ions. Die Oxidationszahl bezieht sich immer auf ein einzelnes Atom. Merke Ändern sich die Oxidationszahlen der an der Reaktion beteiligten Atome, so liegt eine „Redoxreaktion“ vor. Beispiel Redoxreaktion bei der Herstellung von Wasserstoff aus Zink und Schwefelsäure: +I +VI -II Zn + H2 S O4 0 11. Dezember 2014 www.ibn.ch 0 H2 +II +VI -II + Zn S O4 Die Oxidationszahl von Zink ändert sich von 0 auf +II, d.h. das Atom gibt zwei Elektronen ab, es wird oxidiert. Die Wasserstoffatome ändern ihre Oxidationszahl von +I auf 0, d.h. sie nehmen je ein Elektron auf, sie werden reduziert. Version 3 BET 2 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE OXIDATION UND REDUKTION 2.6.1 Seite 86 Die Stärke von Oxidations- und Reduktionsmittel Um den Ablauf von Redoxreaktionen vorhersagen zu können, benötigt man ein Mass für die Stärke der oxidierenden oder reduzierenden Wirkung eines Stoffes. Versuche mit anderen Metallen und deren Ionen zeigen, dass die Ionen umso stärkere Oxidationsmittel sind, je edler das entsprechende Metall ist. + 2Ag + Cu Die Normalspannungen bildet ein Mass für die Leichtigkeit der Elektronenabgabe bzw. -aufnahme. Das Metall gibt umso leichter Elektronen ab, je unedler es ist. Je negativer sie ist, umso leichter gibt die reduzierte Form eines Redoxpaares (das Metallatom) Elektronen ab. Die Elektronenübertragung findet an der Oberfläche des Metalls statt. 2+ Cu + Zn 2+ 2Ag + Cu Je positiver sie ist, umso leichter nimmt die oxidierte Form eines Redoxpaares (das Metallion) Elektronen auf. 2+ Cu + Zn Luigi Galvani 9. September 1737 - 4. Dezember 1798 Italienischer Arzt, Anatom und Biophysiker Merke Zwei leitend verbundene Metalle, die in einen gemeinsamen Elektrolyten eintauchen, bilden ein galvanisches Element. Dabei bildet das unedlere Metall den Minuspol und löst sich auf. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE KORROSION UND KORROSIONSSCHUTZ Seite 87 2.7 Korrosion und Korrosionsschutz Eisen enthält stets Kohlenstoff. Befindet sich auf der Oberfläche eines Eisenstücks eine Elektrolytlösung, so bildet der Kohlenstoff der Pluspol, das Eisen den Minuspol des Lokalelementes - das Eisen löst sich auf. Wird das Eisen mit einer Schutzschicht versehen mit einem unedleren Metall, so wird das unedlere Metall zum Minuspol und dadurch dieses Metall abgebaut. Korrosionsschutz in der Praxis durch: Reinheit der Metalle bei der Gewinnung Ausschluss von Wasser und Sauerstoff Aktiver Korrosionsschutz 2.7.1.1 Korrosionsschutz bei Warmwassererwärmern Heutzutage sind fast alle Boiler emailliert und mit Magensiumschutzanoden ausgerüstet. Damit kann die natürliche Aggressivität des Wassers korrigiert werden. Auch plastifizierte und zementierte Boiler, Boiler aus Chromstahl und sogar schwarze Stahlboiler können mit der Magnesiumschutzanode kathodisch gegen Korrosion geschützt werden und bewirken zusätzlich eine positive Wirkung auf die Kalkstruktur. Korrosion (Rost) in einem Zementbeschichteten Stahlboiler. Verbrauchte Anode in einem emaillierten Boiler. Nach Abnützung der Schutzanode entsteht Korrosion (Rost). Durch den Einbau von Magnesiumschutzanoden wurde die Korrosion gestoppt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 8 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE DIE ELEKTROLYSE 2.8 Seite 88 Die Elektrolyse Elektrolysen sind Redoxreaktionen, bei denen eine Elektrode als „Reduktionsmittel“ wirkt, indem sie Elektronen abgibt, die andere Elektrode nimmt Elektronen auf, an ihr finden Oxidationen statt. Anwendung der Elektrolyse Gewinnung von Chlor und Natronlauge Gewinnung sehr reiner Metalle (Cu, Pb, Sn) Gewinnung unedler Metalle (Na, Ka, Ma, Al) Herstellung von Metallüberzügen (Galvanisierung) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 9 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE SÄURE- UND BASEN-REAKTION Seite 89 2.9 Säure- und Basen-Reaktion 2.9.1 Definitionen Reaktionen bei welchen Protonen übertragen werden, nennt man Protolyse. Säuren sind Stoffe, deren Teilchen Wasserstoffionen (Protonen) abgeben. Basen sind Stoffe, deren Teilchen Wasserstoffionen (Protonen) aufnehmen. Basen sind Protonennehmer bzw. Protonenakzeptoren Beispiel einer Protolyse: 2H H2SO4 + 2H2O Beobachtung: + 2+ 2H3O + SO4 Im vorliegenden Fall wirkt das Wasser als Base Schwefelsäure Merke: Eine Protolyse kann nur stattfinden, wenn neben einer Säure eine Base vorhanden ist, die das Proton der Säure aufnimmt. Nach der Brönsted-Definition handelt es sich bei den Begriffen Säure und Base nicht um Stoffklassen, sondern um eine bestimmte Reaktionsart von Stoffen: nämlich, ob ein Stoff Protonen abgibt (Säure) oder ob ein Stoff Protonen aufnimmt (Base). Die Säure- bzw. Base-Definition ist nicht auf das Lösungsmittel Wasser beschränkt. In der Regel hat man es jedoch mit wässerigen Lösungen zu tun. Bei der Angabe sauer oder alkalisch benutzt man das Wasser als Bezugssystem und bezeichnet das reine Wasser, das gleiche Mengen H3O+ -Ionen und OH- -Ionen enthält als neutral. Sauer bedeutet einen Überschuss an H3O+ -Ionen. Alkalisch bedeutet einen Überschuss an OH- -Ionen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 9 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE SÄURE- UND BASEN-REAKTION Seite 90 2.9.2 Der pH-Wert Die eigentlichen Verursacher der Säurewirkung sind die H3O+ -Ionen. Es ist deshalb sinnvoll, zur Be+ schreibung des sauren oder alkalischen Charakters von Lösungen die H3O -Ionenkonzentration zu verwenden. Diese Überlegung führte zur Einführung des so genannten pH-Wertes: lateinisch: potential hydrogeni = Kraft des Wasserstoffes 2.9.3 Berechnung des pH-Wertes + -7 Reines Wasser hat eine Ionen-Konzentration (H3O ) von c=10 mol/Liter Definition: Die Menge eines Stoffes, die 6x1023 Teilchen enthält bezeichnet man als ein mol. Berechnung: Der pH-Wert ist der negative Zehnerlogarithmus der H3O+-Ionenkonzentration einer Lösung: pH=-log10 c (H3O+) Der pH-Wert kann Werte von 0 bis 14 einnehmen. Wasser ist neutral und hat den pH-Wert 7. alkalisch neutral sauer PH-Wert 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Merke: Demnach kann man die Protolyse als Säure-Base-Reaktion bezeichnen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 10 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE VORTRÄGE „VERWENDUNG BERUFSRELEVANTER STOFFE“ 2.10 Seite 91 Vorträge „Verwendung Berufsrelevanter Stoffe“ Nachfolgend sind alle Materialien aufgelistet, welche beim Einsatz und bei der Anwendung für die Elektrobranche von Bedeutung sind. Für die Einzelnen Materialien werden die Lernenden Vorträge vorbereiten und das in der Praxis vorkommende und verwendete Material im Klassenverband möglichst anschaulich vorstellen. Arbeitsauftrag Termin der Abgabe INHALTLICH (WICHTIG) Die Kurzfassung der Referate müssen in der Woche 2 abgegeben werden. Das Vortragen der Arbeit erfolgt nach den abgemachten Terminen (siehe Hausaufgaben sowie nachfolgender Plan). Der Inhalt soll möglichst die Theorie (Schulwissen) mit der Praxis - mit Anwendungen, Material und Bildern der praktischen Elektrotechnik verbinden. Themenspezifische Kenndaten sind in Tabellen darzustellen. Es soll möglichst wenig Text (Stichworte) geschrieben werden. Der Aufbau des Vortrages erfolgt nach den Kriterien „Vortrag“. Bewertung Die Bewertung erfolgt nach den abgegebenen Kriterien „Bewertung Referat“. Die stichwortartige Auflistung wird besser bewertet. Für Anschauungsmaterial („BEGREIFFEN“) und Bilder aus der Praxis geben wir Ihnen mehr Punkte. Benotung Gemäss Bewertungsblatt. Die Note zählt zum zweiten Semester – Bearbeitungstechnik. Verteiler Eine Kopie der Kurzfassung wird an alle Lernenden abgegeben. Bearbeitung Die Bearbeitung erfolgt als Einzelarbeit. Für die Inhaltliche Aufteilung steht eine Lektion in der Schule zur Verfügung. Die weitere Bearbeitung erfolgt zu Hause. Unterlagen Für die Unterlagensammlung sehen die interne Bibliothek, die Unterlagenmappe der Schule, das Fachbuch „Fachkunde Elektrotechnik“ und das Internet zur Verfügung (Bei allen Inhalten ein Quellenverzeichnis führen – woher kommt meine Information). Vortrag Ihre Arbeiten präsentieren Sie im Klassenverband (Bewertung nach Kriterien Referat). Super wäre eine Powerpoint-Präsentation (Wenn Sie wollen zeige ich Ihnen wie es geht). Für das Referat stehen diverse Medien (Internet, Video, Beamer, Projektor und Wandtafel) bereit. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE KENNZEICHNUNG DER GEFAHRENSTOFFE 2.11 Seite 92 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe 2.11.1 Gesetzliche Grundlage Neues Symbol für giftigen Stoff 813.1 Chemikaliengesetz, ChemG Bundesgesetz vom 15. Dezember 2000 über den Schutz vor gefährlichen Stoffen und Zubereitungen 813.11 Chemikalienverordnung, ChemV Verordnung vom 18. Mai 2005 über den Schutz vor gefährlichen Stoffen und Zubereitungen Hersteller / Herstellerpflichten Wer in der Schweiz Chemikalien herstellt, muss verschiedene Vorschriften beachten. Bei den spezifischen Herstellerpflichten nach Chemikalienrecht steht die Selbstkontrolle im Vordergrund: Chemikalien müssen hinsichtlich ihrer Gefahren beurteilt und entsprechend eingestuft, verpackt und gekennzeichnet werden. Für die meisten gefährlichen Chemikalien besteht zudem eine Meldepflicht. Für neue Stoffe gilt eine Anmeldepflicht, für Biozidprodukte und Pflanzenschutzmittel eine Zulassungspflicht. Handel / Abgabe Wer mit Chemikalien handelt, hat - abhängig von seinen Aktivitäten - Vorschriften bis hin zu den spezifischen Herstellerpflichten zu erfüllen. Für den Händler existiert keine rechtliche Definition. Die Herstellerpflichten obliegen den Direkt- oder Generalimporteuren sowie Händlern, die Chemikalien umfüllen, unter eigenem Namen oder Handelsnamen oder für eigene Verwendungszwecke vermarkten. Verwendung Für alle Verwender gilt eine grundsätzliche Sorgfaltspflicht: Die gefährlichen Eigenschaften müssen beachtet werden und die zum Schutz des Menschen und der Umwelt erforderlichen Massnahmen sind zu treffen. Berufliche oder gewerbliche Verwender sollten insbesondere dem Sicherheitsdatenblatt Rechnung tragen. Die Kennzeichnung (Etikette) gefährlicher Chemikalien ist auch von Privatpersonen zu beachten, insbesondere die Gefahrenhinweise (R-Sätze, resp. H-Sätze) und Sicherheitshinweise (S-Sätze, resp. P-Sätze). Die Vorschriften über die Lagerung gelten grundsätzlich auch für Privatpersonen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Die vollständige Umstellung auf die neuen Gefahrensymbole erfolgt in der Schweiz schrittweise. Bis Ende 2017 werden im Handel deshalb auch noch Produkte mit den bisherigen EU-Symbolen auf orangem Grund anzutreffen sein. GiftKlasse 1 Besonders gefährliche Gifte und stark ätzende Stoffe Giftschein Giftbuch 2 Besonders gefährliche Gifte und stark ätzende Stoffe Giftschein 3 Starke Gifte und ätzende Stoffe 4 Weniger gefährliche Stoffe 5 Schwache Gifte 5S Schwache Gifte (Reinigungsmittel) Version 3 BET 2 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE KENNZEICHNUNG DER GEFAHRENSTOFFE 2.11.2 Seite 93 Warnschilder Die sind meist auf der Rückseite eines chemischen Produktes angebracht: die Gefahrensymbole, die Ihnen Auskunft über die möglichen Risiken im Umgang mit dem Produkt geben. Deshalb gilt stets vor dem Kauf das Symbol beachten. Jetzt, da die Schweiz sich den internationalen Kennzeichen anpasst, sollte man sich die 9 neuen Symbole genauer ansehen und gleich auch einprägen: Neue Symbole Beschreibung des Symboles Alte Symbole E Beschreibung des Symboles GHS 01 Explosiv Explosionsgefährliche Stoffe Instabile Sprengstoff, Sprengstoffe, Divisionen 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 Self-Stoffe und Gemische, Typen A, B, Organische Peroxide, Typ A, B Gefahr Explosion ist unter bestimmten Bedingungen möglich. Durch Wärme, Reibung, einen Schlag oder eine Initialzündung kann eine Explosion ausgelöst werden. GHS 02 Hochentzündlich Gefahr oder Achtung F bzw. F+ Brennbare Gase, Kategorie 1, Entzündbare Aerosole, Kategorien 1, 2 Brennbare Flüssigkeiten der Kategorien 1, 2, 3, Entzündbare feste Stoffe, Kategorien 1, 2 , Self-Stoffe und Gemische Stoffe, Typen B, C, D, E, F Pyrophore Flüssigkeiten, Kategorie 1, Pyrophore Feststoffe, Kategorie 1 Self-Stoffe und Gemische Kategorien 1, 2 Stoffe und Gemische, die in Berührung mit Wasser entzündbare Gase der Kategorien 1, 2, 3 ergeben, Organische Peroxide, Typen B, C, D, E, F F F+ Leicht- bzw. hochentzündliche Stoffe Entzünden sich von selbst oder an heissen Gegenständen. Können mit Wasser leicht entzündliche Gase bilden. Durch eine Zündquelle können leicht brände entstehen. Dämpfe von Flüssigkeiten sowie Gas und Aerosole können sogar Explosionen verursachen. GHS 03 O Brandfördernd Brandfördernde Stoffe Oxidierenden Gasen, Kategorie 1 Oxidierende Flüssigkeiten, Kategorien 1, 2, 3 Oxidierende Feststoffe der Kategorien 1, 2, 3 Gefahr oder Achtung Andere brennbare Stoffe können entzündet werden. Ausgebrochene Brände werden gefördert. Ein Brand kann unterhalten und verstärkt werden, auch wenn keine Luft (Sauerstoff) vorhanden ist. Ein Brand kann auch neu entstehen. GHS 04 Gas unter Druck Komprimierte Gase, verflüssigte Gase, Tiefgekühlt verflüssigte Gase, Gelöste Gase. Es besteht Explosionsgefahr und Berstgefahr. Achtung C GHS 05 Ätzend Ätzende Stoffe Korrosiv gegenüber Metallen, Kategorie 1 Verätzung der Haut, Kategorien 1A, 1B, 1C Schwere Augenschädigung, Kategorie 1 Gefahr Zerstörung des Hautgewebes nach Berührung. Ätzende Eigenschaften verursachen bleibende Schädigungen von Haut und Augen. T bzw. T+ GHS 06 Giftige Stoffe Hochgiftig Gefahr Akute Toxizität (oral, dermal, Inhalation), Kategorien 1, 2, 3 Erhebliche Gesundheitsschäden durch Einatmen, Verschlucken oder Aufnahme durch die Haut möglich. Sehr geringe oder geringe Mengen sind tödlich oder rufen unmittelbare schwere Gesundheitsschäden hervor. T T+ GHS 07 Vorsicht gefährlich Xn bzw. Xi Akute Toxizität (oral, dermal, inhalativ), Kategorie 4, Hautreizungen, Kategorien 2, 3 Sensibilisierung durch Hautkontakt, Kategorie 1, Spezifische Zielorgan-Toxizität nach einmaliger Exposition, Kategorie 3 , Reizung der Atemwege, Narkotische Wirkungen Achtung Giftige Stoffe Sehr giftige Stoffe Xn Gesundheitsschädliche Stoffe Gesundheitsschäden durch Einatmen, Verschlucken oder Aufnahme durch die Haut möglich. Xi Es können die verschiedensten Auswirkungen auf die Gesundheit hervorgerufen werden, z.B. Hautrötungen, Atemwegsreizungen, Hautallergien. Reizende Stoffe Reizwirkung auf Augen, Haut und Atmungsorgane. GHS 08 Gesundheitsschädigend Sensibilisierung der Atemwege, Kategorie 1, Keimzellmutagenität, Kategorien 1A, 1B, 2, Karzinogenität, Kategorien 1A, 1B, 2, Reproduktionstoxizität, Kategorien 1A, 1B, 2, Spezifische Zielorgan-Toxizität nach einmaliger Exposition, Kategorie 1, 2 Spezifische Zielorgan-Toxizität bei wiederholter Exposition, Kategorien 1, 2 Gefahr oder Achtung Schwere chronische Gesundheitsschäden können verursacht werden, z.B. Organschädigungen und Atemwegsbeschwerden. N GHS 09 Gewässergefährdend Akute Gefahren für die aquatische Umwelt, Kategorie 1 Chronische aquatische Umwelt, Kategorien 1, 2 Achtung Akute oder chronische Schäden an der Umwelt sind möglich, wenn der Stoff ins Wasser gelangt. Umweltgefährdende Stoffe Giftig bzw. sehr giftig für Wasserorganismen. In Gewässern längerfristige schädliche Wirkungen möglich. In der nichtaquarischen Umwelt giftig für Pflanzen, Tiere insbesondere Bienen, und Bodenorganismen. Gefahr für die Ozonschicht. Die vollständige Umstellung auf die neuen Gefahrensymbole erfolgt in der Schweiz schrittweise. Bis Ende 2017 werden im Handel deshalb auch noch Produkte mit den bisherigen EU-Symbolen auf orangem Grund anzutreffen sein. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE KENNZEICHNUNG DER GEFAHRENSTOFFE 2.11.3 Seite 94 Aufbewahrung von Giften Grundsatz: Unter Verschluss halten! Bei der Lagerung von giftigen Stoffen sind die Verordnungen und Richtlinien genau zu beachten. Das Lagern und Verarbeiten muss über verschlossene Behälter erfolgen. Die Vorgesetzten prüfen in regelmässigen Abständen, welche Giftstoffe in ihrem Einflussbereich gelagert werden. Sie beschränken die Lagerung von Giften auf ein absolutes Minimum. Gifte der Klasse 1 und 2 sind in eigens gekennzeichneten, verschliessbaren Schränken oder Lagerräumen, welche mit entsprechenden Warnschildern versehen sind, unter Verschluss aufzubewahren. Bei allfälligem Aussfliessen darf das Gift weder aus dem Schrank noch aus dem Lagerraum austreten. 2.11.4 Entsorgung von giftigen Stoffen Bei der Entsorgung von giftigen Stoffen sind die eidgenössischen Verordnungen und Richtlinien genau zu beachten. Reinigungs- und Lösungsmittel dürfen nicht in die Abwasseranlage gelangen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 11 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE KENNZEICHNUNG DER GEFAHRENSTOFFE 2.11.5 Seite 95 Bezug von Giften Der Bezug von Giften der Klasse 1 und 2 kann nur mit einem Giftschein erfolgen. Bei der Verwendung von Giften der Klasse 1 muss ein Buch, gemäss Art. 26 - 30 der Giftverordnung, über den Einsatz geführt werden. 2.11.6 Arbeiten mit giftigen Stoffen Bei der Verarbeitung sind die Verordnungen und Richtlinien genau zu beachten. Das Rauchen während der Arbeit mit Reinigungs- und Lösungsmitteln ist verboten! Die Vorgesetzten prüfen in regelmässigen Abständen, welche Giftstoffe in ihrem Einflussbereich verwendet werden. Sie beschränken den Einsatz von Giften und die Giftmengen auf ein absolutes Minimum. Arbeiten, bei welchen mit der Entwicklung von giftigen Dämpfen, Gasen oder Stäuben zu rechnen ist, sind spezielle Kapellen oder mit Atemschutzmasken ausführen. Die Vorgesetzten giftstoffverarbeitenden Arbeitsgruppen sind für das Einhalten der Vorschriften verantwortlich. Sie haben ihre Mitarbeiter über die Gefahren der verwendeten Gifte und das richtige Verwenden der Schutzmittel regelmässig zu instruieren. An Arbeitsplätzen, an welchen Gifte verarbeitet oder gelagert werden ist das aufbewahren oder einnehmen von Speisen und Getränken verboten. Es müssen beim Arbeiten mit Giften der Klasse 1 und 2 separate Kleider verwendet werden. Die Stassenkleider sind in verschlossenen Schränken aufzubewahren. Kommt man mit den Kleidern mit Giften in Berührung, so sind diese unverzüglich auszuziehen und der Körper ist mit Wasser abzuwaschen. Je nach Giftart Schutzmittel tragen, wie: • • • • • Schutzbrille Atemschutzmaske Gummihandschuhe Schürze Stiefel 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIEL 2.12 Seite 96 Widestandsmaterial Man unterscheidet zwischen folgenden Widerstandsmaterialien: Präzisionswiderstände Belastungswiderstände Heizwiderstände Technische Widerstände Obwohl die Leitung auch einen Widerstand besitzt gehört dieser nicht zu den Widerstandsmaterialien, denn dieser Widerstand ist zwar vorhanden aber nicht erwünscht. Leitungswiderstand 2.12.1 Präzisionswiderstände Präzisionswiderstände weisen eine Konstanz der elektrischen Eigenschaften über lange Zeit auf. Sie haben je nach Herstellerwerk Phantasienamen. Die Genauigkeit liegt im Bereich von 0.1 % bis 0,5 % Tabelle von Präzisionswiderständen Name Karma Manganin Konstantan Isotan Zusammensetzung NiCuAlSiMn Cu84,Ni4,Mn12 Cu55Ni45 Cu55Ni44Mn1 γ α Sm mm2 1 ° C 0,75 2 2 1,5 0,00002 0,000015 0,00004 0,000015 Temperaturbereich [° C ] 20 - 100 15 - 60 20 - 600 20 - 600 Anwendungen Präzisionswiderstände werden in - Messbrücken und für Widerstandsnormale, Messdrähte Messleitungen in Kryostaten (Kühlgerät für tiefe Temperaturen) verwendet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.2 Seite 97 Belastungswiderstände Anlasswiderstände Anlasswiderstände werden u. a. eingesetzt für Drehstrommotoren mit Käfigläufer (Ständeranlasswiderstände) , für Drehstrommotoren mit Schleifringläufer (Läuferanlasswiderstände) oder als Anlasswiderstände für Gleichstrommotoren. Belastungswiderstände sind: Anlasswiderstände Regulierwiderstände Diese Widerstände sind für nicht zu hohe Ansprüche gebaut und werden aus den nachfolgenden Materialien hergestellt. Datenblatt1 Tabelle von Belastungswiderständen Name Temperguss Neusilber Hytemco Nickelin Konstantan Zusammensetzung FeC CuNiZn NiFe CuNi 30Mn Cu55Ni45 γ α Sm mm2 1 ° C 7 3 - 4,5 5 2,5 2 0,004 0,03 0,0045 0,00015 0,00004 Temperaturbereich [° C ] 20 - 150 20 - 250 20 - 100 - 500 20 - 600 Anwendungen Belastungswiderstände werden für - Ständeranlasswiderstände für Drehstrommotor mit Käfigläufer Läuferwiderstände Bremswiderstände für Frequenzumrichermotoren Anlasswiderstände für Gleichstrommotoren verwendet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.3 Seite 98 Heizwiderstände Heizwiderstände für Wärmeapparate müssen bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sein. Die Festigkeit soll keine zu grossen Einbussen erfahren. Von den Legierungen wird KupferNickel (Konstantan) bevorzugt. Heizwiderstände Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen (Stark Eisenhaltig) Tabelle von Heizwiderständen aus Metall-Legierungen Name Chronin Nichrome Ferrochronin Kanthal Konstantan Zusammensetzung CrNi FeCrNi FeCrCuAl Cu55Ni45 γ α Sm mm2 1 ° C 0,9 - 1,1 0,0002 1150 0,9 - 1 0,7 2 0,00017 0,00006 0,00004 1050 1400 20 - 600 Höchstzul. Temperatur [° C ] Anwendungen Heizungswiderstände werden für - Elektrospeicher Direktheizkörper, Tauchsieder Haartrockner (Föhn) Backofen, Kochplatte verwendet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.4 Seite 99 Nichtmetall-Legierungen Neben den metallischen Legierungen werden Heizelemente auf Kohlenstoff-Siliziumbasis hergestellt. Sie eignen sich für Temperaturen bis 1400°C. Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizient sind. Thermistoren oder NTC-Widerstände Sie bestehen aus Kohle Halbleitern Metalloxiden Tabelle von NTC-Belastungswiderständen: Name Kohle Metalloxid Metalloxid Metalloxid Zusammensetzung C Fe3O4 MgTi TiNiCr γ α Sm mm2 1 ° C Höchstzul. Temperatur [° C ] -0,0003 Anwendungen Thermistoren findet man in - Aussenfühlern Infolge vermehrt frei werdender Elektronen im warmen Zustand nimmt mit steigender Temperatur der Widerstand ab. Der Name NTC = „Negativer Temperatur- Koeffizient“ lässt auf diese Eigenschaft schliessen. Für temperaturabhängige Steuerungen und für Kompensationsschaltungen werden heute Thermistoren in grosser Zahl gebraucht. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.5 Seite 100 Technische Widerstände Diese finden zahlreiche Anwendung in elektrischen Schaltungen, als Vorschaltwiderstände Spannungsteiler Strombegrenzungen Laborwiderstände [3] Für Schule-Einrichtungen entwickelt. Ob als Fest-, Schiebe- oder Stellwiderstand – alle Laborwiderstände sind komplett mit Bodenplatte und Gummifüßen, berührungssicheren RUHSTRAT-Klemmen und Erdungsklemme, sowie einer Schutzabdeckung ausgestattet. Man unterscheidet bei den technischen Widerständen zwischen: Datenblatt 6 2.12.5.1 Festwiderstände Festwiderstände haben einen abgeglichenen, festen Widerstandswert. Sind sie drahtgewickelt, so verwendet man Konstantan oder für Präzisionswiderstände Manganin. Für hohe Widerstandswerte bei kleinen Leistungen erfolgt die Ausführung als Masse- oder auch als Schichtwiderstand. Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (Tantal/Wolfram) 0,3 Ω - 3,32 MΩ 0,5 W und 0,7 W (Datenblatt 2) Metallglasur-Gehäuse radial 2.12.5.2 Regulierwiderstände Regulierwiderstände ermöglichen eine Widerstandsänderung, zum Beispiel durch Änderung der wirksamen Drahtlänge (b,c) oder durch Zu- bzw. Abschaltung von einzelnen Widerstandsstufen (d). Man braucht sie, um in einem Stromkreis den Strom zu regulieren. Wird der vom Strom durchflossene Widerstandsteil grösser gemacht, ergibt sich eine Abnahme der Stromstärke. Potentiometer [3] Stufenlos verstellbar da ringförmig, bieten diese Widerstände Flexibilität auf kleinem Raum. [4] Datenblatt1 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL AUSSEHEN VON WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.6 Seite 101 Aussehen von Widerstandsmaterial 2.12.6.1 Hochleistungswiderstände Hochleistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (auch induktionsarme Ayrton-Perry-Wicklungen verfügbar) 0,1 Ω - 35,7 kΩ 7,5 W – 250 W (Datenblatt 1) Hochleistungswiderstand [3] Chromlegierten, hitzebeständigen Stahlblech-Widerstände Hochleistungswiderstand [3] Drahtwiderstand oder Band Isotan CuNi44, Konstantan Siehe Anwendung „Grossanlage Lastwiderstand“ Aluminiumgehäuse 2.12.6.2 Mittlerer Leistungsbereich Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,056 Ω - 82 kΩ 4,0 W – 17 W (Datenblatt 1)) Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,2 Ω - 100 kΩ 3,0 W – 20 W (Datenblatt 1)) Gehäuse Keramik axial Gehäuse Keramik (Metox) Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,056 Ω - 30 kΩ 1,0 W – 3 W (Datenblatt 1)) Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 36 kΩ 2,0 W – 8 W (Datenblatt 1)) Gehäuse Keramik AMP-Anschlüsse Gehäuse Speziallack Silikonbasis axial (*) Material momentan unbekannt 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,51 Ω - 10 kΩ 15 W – 40 W (Datenblatt 1)) 1) Gehäuse Speziallack Silikonbasis radial Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 2 kΩ 1 W – 7,2 W (Datenblatt 1)) Gehäuse Speziallack Silikonbasis axial, schwer entflammbar Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar Version 3 BET 2 12 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL AUSSEHEN VON WIDERSTANDSMATERIAL Seite 102 2.12.6.3 Kleinleistungswiderstände Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (Tantal/Wolfram) 0,3 Ω - 3,32 MΩ 0,5 W und 0,7 W (Datenblatt 2) Kleinleistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 2,4 kΩ 0,75 W und 1,5 W (Datenblatt 1)) Metallglasur-Gehäuse radial Gehäuse Glasfaserträger isoliert Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (Tantal/Wolfram) 0,3 Ω - 3,32 MΩ 0,5 W und 0,7 W (Datenblatt 2) Kleinleistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 1,0 kΩ 0,75 W und 1,5 W (Datenblatt 1)) Metallglasur-Gehäuse vertikal Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (mit Dünnschichtwiderstand Nickel/Chrom) 1,0 Ω - 1,0 MΩ 1,0 W – 3,0 W (Datenblatt 4) Kleinleistungswiderstand [1] Metalloxidwiderstand (Zinkoxid) 0,22 Ω - 10 MΩ 1,0 W – 4,0 W (Datenblatt 3) radial Gehäuse Glasfaserträger Kleinleistungs-Widerstände [1] SMD-Widerstand (*) 0,16 Ω - 10 MΩ 0,25 W und 1 W (Datenblatt 1)) Gehäuse unbekannt Gehäuse radial (*) Material momentan unbekannt 1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar SMD =SMD steht für Surface Mounted Device [2] 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL AUSSEHEN VON WIDERSTANDSMATERIAL Seite 103 2.12.6.4 Niederohm-Widerstände In zahlreichen Anwendungsfällen der Elektrotechnik (Schaltregler, Schaltnetzteile, Frequenzumrichter) werden Leistungwiderstände mit sehr niedrigen Widerstandswerten benötigt. Niederohmwiderstand [1] Drahtbrücke (*) 0,003 Ω - 0,1 Ω 0,5 W – 9 W (Datenblatt 1)) Niederohmwiderstand [1] Stromsensor (*) 0,0005 Ω - 0,068 Ω 01,0 W – 7 W (Datenblatt 1)) Niederohmwiderstand [1] (*) 0,005 Ω - 0,62 Ω 1,5 W (Datenblatt 1)) Mit oder ohne Keramikgehäuse ohne Gehäuse Gehäuse axial, gegurtet Niederohmwiderstand [1] Metallband (*) 0,05 Ω - 3,3 Ω 2,0 W – 10 W (Datenblatt 1)) Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,056 Ω - 82 kΩ 4,0 W – 17 W (Datenblatt 1)) Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,056 Ω - 30 kΩ 1,0 W – 3 W (Datenblatt 1)) Gehäuse unbekannt Gehäuse Keramik axial Gehäuse Speziallack Silikonbasis axial Niederohmwiderstand [1] Leistungs SMD-Widerstand (*)2) 0,003 Ω - 0,05 Ω 2,0 W – 10 W (Datenblatt 1)) Gehäuse unbekannt (*) Material momentan unbekannt 1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar 2) Leistungs SMD-Widerstände in Metallband-, Draht- und Schichttechnologie für Strommess-Anwendungen, reine Leistungs- sowie Präzisionsapplikationen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL AUSSEHEN VON WIDERSTANDSMATERIAL Seite 104 2.12.6.5 Spezial Widerstände Umpresste Drahtbrücke [1] Maximale Belastbarkeit 10 A Null Ohm (Datenblatt 5) Gehäuse radial 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL ANWENDUNGEN WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.7 Seite 105 Anwendungen Widerstandsmaterial Schaltregler [5] Schaltnetzteile [6] Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzgerät ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Spannung wandelt. Es kann damit z.B. aus der Netzspannung (Wechselspannung) eine Gleichspannung erzeugt werden (AC/DC-Wandler). Das Schaltungsprinzip funktioniert auch mit einer Gleichspannung am Eingang, wenn eine kleinere oder größere Ausgangsspannung gewünscht ist (DC/DC-Wandler). Frequenzumrichter [7] Die Frequenzumrichtertechnik hat sich auf dem Antriebsmarkt durchgesetzt. Die Anschaffungskosten sind circa fünfmal grösser als die entsprechenden mechanischen Schalter. Die Mehrkosten lassen sich jedoch in vielen Applikationen durch Energieeinsparungen in vernünftiger Zeit amortisieren. [8] Dämmerungsschalter [9] Als Dämmerungsschalter bezeichnet man ein elektrisches Betriebsmittel, das die Aufgabe hat einen Schaltkontakt zu betätigen, wenn ein einstellbarer Helligkeitswert unter- oder überschritten wird. Elektronische Schaltungen Anlasswiderstände [10] Kombinierte Last [3] Auf Wunsch wird den Lastwiderständen auch eine induktive und/oder kapazitive Komponente beigestellt um verschiedene Lasten mit unterschiedlichen Phasenverschiebungswinkeln oder um bestimmte Blindleistungen bei Generatoren, Schalt-, Schütz- und Kontrollbelastungen, zu simulieren. Prüfwiderstände [3] Stark vereinfachte Darstellung. Grossanlage mit Lastwiderstand [3] Individuell einstellbarer Widerstand. Datenblatt1) Datenblatt1) 1) Datenblatt1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL ANWENDUNGEN WIDERSTANDSMATERIAL Laborwiderstände [3] Für Schule-Einrichtungen entwickelt. Ob als Fest-, Schiebe- oder Stellwiderstand – alle Laborwiderstände sind komplett mit Bodenplatte und Gummifüßen, berührungssicheren RUHSTRAT-Klemmen und Erdungsklemme, sowie einer Schutzabdeckung ausgestattet. Seite Entladewiderstände [3] Mit Entladewiderständen werden induktive und kapazitive Bauelemente bzw. Batterien entladen. Bei Batterien werden sie dazu verwendet festzustellen, welche Restkapazität eine vorher voll aufgeladene Akkumulatorenbatterie noch hat. Datenblatt 6 106 Dämpfungswiderstände [3] Dämpfungswiderstände sind Bestandteil von Einschaltstromdämpfungen. Besonders im Transformatorenbau werden Dämpfungswiderstände zur Begrenzung des Einschaltstromes eingesetzt. Mit Einschaltstromdämpfungen werden Einschaltströme standardmäßig auf den 3,5fachen Nennstrom begrenzt. Datenblatt1) Datenblatt1 Bremswiderstände [3] Bremswiderstände sind in der Lage, sowohl kurzzeitige Laststöße, als auch die gewünschte Dauerleistung aufzunehmen (z. B. Bremswiderstände für Frequenzumrichterantriebe). Für kleinere Antriebe werden häufig Widerstandselemente und für größere Antriebe Stahlgitterwiderstände eingesetzt. Anlasswiderstände Anlasswiderstände werden u. a. eingesetzt für Drehstrommotoren mit Käfigläufer (Ständeranlasswiderstände) , für Drehstrommotoren mit Schleifringläufer (Läuferanlasswiderstände) oder als Anlasswiderstände für Gleichstrommotoren. Datenblatt1 Datenblatt1 Potentiometer [3] Stufenlos verstellbar da ringförmig, bieten diese Widerstände Flexibilität auf kleinem Raum. Erdungswiderstand [3] In Mittelspannungsnetzen mit niederohmiger Sternpunkterdung (Nospe) begrenzen unsere Erdungswiderstände einen auftretenden Erdschlussstrom auf einen maximal zulässigen Wert, bis die zugehörigen Schutzrelais den fehlerbehafteten Stromkreis abgeschaltet haben. Erdungswiderstände werden komplett gemäß den Anforderungen des Kunden ausgeliefert, mit einem Stromwandler, Nullast- oder Lastschalter usw. Heizwiderstände Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen Datenblatt1 [4] Datenblatt 1) 1 Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.8 Seite 107 Anwendungen Leitungswiderstände Die Leitungswiderstände sind zwar auch widerstandsmaterial, müssen aber gegenüber dem Widerstandsmaterial möglichst einen Gute Leitfähigkeit aufweisen. Motorenwicklungen bzw. Stator- und Rotorstäbe sind meist aus Kupfer Klein-Transformatoren bzw. deren Wicklungsdrähte sind meist aus Kupfermaterial Kabel bzw. deren Leitungsmaterial für Verlängerungen und Apparateanschlüsse sind meist aus Kupfer Netzkabel bzw. deren Leiter sind aus Kupfer oder Aluminium Gross-Transformatoren bzw. deren Primär- und Sekundärwicklungen sind meist aus Kupfer. Auch die Verbindungsleitungen sind Aus Kupfer. Leitungsverbindungen in Schaltern und Steckdosen Installationskabel für grössere Leistungen müssen richtig dimensioniert werden, dass der Leitungswiderstand und damit der Spannungsabfall möglichst klein gehalten werden. Leitungsdrähte Kleinverteiler in Wohnung 1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 12 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE WIDERSTANDSMATERIAL 2.12.9 Seite 108 Farbschlüssel für Festwiderstände Es gibt sieben E-Reihen: E3, E6, E12, E24, E48, E96 und E192. n = 3 ⋅ 2a a ∈ {0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6} Die Zahl nach dem Kennbuchstaben E bedeutet die Anzahl der Werte für eine Dekade. Als Faktor, um einen Wert zu berechen, ergibt sich bei der Reihe E12 aus: n 10 m n = 12 m ∈ {0 ,1 ,2 ,...., 11} Für Widerstände kleiner Leistung werden die nebenstehenden Reihen verwendet. Beispiel: Von einem Festwiderstand mit 470Ω und einer Toleranz von ±10% soll der Farbschlüssel bestimmt werden! Gelb Violett Braun Silber 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE 2.13 Seite 109 Isolierstoffe Isolierstoffe sind in der Elektroindustrie nicht wegzudenken, da der Personenschutz (Lebewesen) und der Sachenschutz ohne diese Stoffe gar nicht realisierbar wären. 2.13.1 Gruppierung der Isolierstoffe 2.13.2 Zweck der Isolierstoffe Isolierstoffe dienen vornehmlich folgenden Zwecken: 1. 2. 3. 4. Isolation spannungsführender Teile gegenüber der Umgebung Isolation zwischen spannungsführenden Teilen Isolierte Befestigung und Durchführung spannungsführender Teile Unterbrechen des Stromflusses beim Öffnen von Stromkreisen 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE 2.13.3 Seite 110 Unterscheidung der Isolierstoffe Der Stromfluss zwischen Teilen mit ungleicher Spannung soll möglichst klein sein. Man unterscheidet bei den Isolierstoffen zwischen: Festen Isolierstoffen Flüssige Isolierstoffe Gasförmige Isolierstoffe Bei den festen Isolierstoffen ist die mechanische Eigenschaft wichtig, da diese bei den Konstruktionen berücksichtigt werden müssen. 2.13.4 Kenngrössen der Isolierstoffe Bei den elektrischen Eigenschaften sind folgende Begriffe wichtig, wenn die Isolierstoffe betrachtet werden: Isolationswiderstand Durchschlagspannung Durchschlagfestigkeit Dielektrizitätszahl Wärmebeständig 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANFORDERUNGEN AN ISOLIERSTOFFE 2.13.5 Seite 111 Anforderungen an Isolierstoffe 2.13.5.1 Anforderungen elektrischer Natur Hoher Isolationswiderstand Hohe Durchschlagfestigkeit Grosse Krichstromsicherheit Kleine Dielektrizitätskonstante Geringe Verluste 2.13.5.2 Anforderungen mechanischer Natur Gute mechanische Festigkeit Schlagfest Gute Bearbeitbarkeit Glatte, saubere Oberfläche 2.13.5.3 Anforderungen physikalischer Natur Gute Beständigkeit gegen chemische Einflüsse Feuchtigkeitsbeständig Witterungsbeständig Gute Wärmebeständigkeit Schwer entflammbar Schwer brennbar Alterungsbeständig Gute Wärmeleitfähigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 2.13.6 Seite 112 Anorganische Isolierstoffe Anorganische Isolierstoffe spielten in den Anfängen der Elektrotechnik eine Grosse Rolle. Heute werden noch folgende anorganischen Isolierstoffe verwendet: Luft Glimmer Asbest Keramik Glas Eternit Pical Die anorganischen Stoffe werden für den Einsatz in der Elektrotechnik als Schichtgewebe, Hartgewebe hergestellt. 2.13.6.1 Luft Der billige Isolierstoff Luft wurde früher häufiger eingesetzt als heute. Er hat aber nach wie vor grosse Bedeutung. Isolation durch Luft und durch Keramik in einer Umspannstation eines Hochspannungsnetzes 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK Seite 113 2.13.6.2 Glimmer Glimmer ist ein Mineral, welches in Form von unregelmässigen Kristallen auftritt. Die Kristalle lassen sich in Plättchen und Platten von 0,006 - 3mm Dicke aufspalten. Glimmer mit Turmalin Muskowit oder Kaliglimmer Es hat gute mechanische Festigkeit und Harte. Die Durchschlagfestigkeit erreicht 25 kV/mm, die Dielektrizitätszahl ist 4,8. Bei 600 - 8000C kalziniert Glimmer und verliert die mechanische und elektrische Festigkeit. Phlogopit- oder Magnesiumglimmer Dieser Glimmer kalziniert erst bei 1OOO°C, wird aber je nach Gehalt an Eisenoxid schon bei 600 - 88O°C leitend. Glimmer wird in Form von Plättchen und Scheiben für Kondensatoren, Zündkerzen, bei Heizelementen, Überspannungsableitern, Elektromaschinen und in der HF-Technik gebraucht. Kleine Glimmersplitter (Splittings) sind Ausgangsstoffe für Glimmerprodukte. Flacher Glimmerkondensator Synthetischer Glimmer Glimmer aus Quarz, Bauxit und Magnesit erreicht zum Teil bessere Eigenschaften als Naturglimmer. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK Seite 114 2.13.6.3 Asbest Asbest besteht aus Silikaten verschiedener Zusammensetzung. Es ist ein in Fasern aufspaltbarer Kristall, je nach Fundort mit stark unterschiedlichen Eigenschaften. Die Fasern wurden je nach Länge und Zähigkeit weiterverarbeitet. In der Elektrotechnik wurde Asbest dort verwendet, wo neben der lsolierfähigkeit ein hitze- und feuerbeständiger Stoff verlangt wird. Die dielektrischen Eigenschaften sind nicht sehr gut. Anwendungen Zuleitungen zu Thermoelementen, Heizwicklungen von Heizkissen- und -decken sind mit Asbestisolation versehen. Achtung Asbest darf heute nicht mehr verbaut werden! Bitte beachten Sie beim Rückbau alter Anlagen darauf, ob nicht Asbest verwendet wurde. Diese Situation ist gefährlich für die Gesundheit, denn Asbeststaub lagert sich in der Lunge ab und ist Krebsgefährdend. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK Seite 115 2.13.6.4 Keramik Unter Keramischen Stoffen versteht man allgemein Materialien, die aus erdigen, meist schwer schmelzbaren Massen bei Raumtemperatur geformt werden und durch Brennen (Sintern) bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit und Härte erhalten. Als Rohstoffe werden hauptsächlich siliziumhaltige Verbindungen und Metalloxide verwendet. Gewisse Anwendungen stellen an die keramischen Materialien besondere Anforderungen wie etwa gute dielektrische Eigenschaften auch bei sehr hohen Temperaturen, äusserst gute Masshaltigkeit der Werkstücke, minimalste Verluste bei Hochfrequenz, sehr geringe Wärmeleitfähigkeit oder grosse Dielektrizitätskonstante. Solchen Anforderungen sind Porzellan und Steinzeug nicht mehr gewachsen. Man verwendet dann das besser geeignete Steatit oder keramische Sondermassen 2.13.6.4.1 P o rze la n Au fg e b a u t a u s : K o a lin Q u a rz F e ld s p a t Aufteilung der keramischen Isolierstoffe S te in ze u g Au fg e b a u t a u s : V e rs c h ie d e n e n Tonen F e ld s p a t Q u a rz Au fg e b a u t a u s : S p e c k s te in (A l-S ilik a t) M a g n e s iu m , Al-S ilik a t 11. Dezember 2014 www.ibn.ch S te a tit K e ra m is c h e E in b e ttm a s s e n (M e ta llo x id e ) Aufgebaut aus: Al-Oxiden Magnesiumoxid Berylliumoxid Zirkonoxide Speckstein Au fg e b a u t a u s : R u til (T ita n d io x id ) T ita n a te n d e s m a g n e s iu m Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK 2.13.6.4.2 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Seite 116 Herstellung keramischer Isolatoren Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK 2.13.6.4.3 Seite 117 Porzellan Als Rohstoffe werden Kaolin, Quarz und Feldspat (Silikatminerale) verwendet. Die feingemahlenen Stoffe werden mit Wasser zu einem Brei vermischt. Gefiltert und durch Lagerung gereift, wird die Masse mehr oder weniger entwässert und anschliessend geformt: auf der Töpferscheibe oder einer Drehbank durch Giessen pulverförmig durch Pressen Die geformten, vorgetrockneten Stücke werden vorerst bei 700 bis 9000C vorgebrannt. Die rauen Stücke werden in einer dünnflüssigen Glasurmasse - ähnlich zusammengesetzt wie Porzellanmasse, aber sehr fein gemahlen - eingetaucht. Im Glattbrand bei 14000C sintern die Stoffe zusammen. Vom rohen bis zum fertig gebrannten Stück tritt ein Schwund von 16% ein. Für die technische Gestaltung ergeben sich daraus Schwierigkeiten, die nur durch lange Erfahrung gemeistert werden. Hartporzellan hat folgende Eigenschaften: Zugfestigkeit Dichte Feuerfest bis Durchschlagfestigkeit Dielektrizitätszahl Isolationswiderstand Rm ρ εr RISO 2,5...5 2.3...2.5 1670 30...35 6 1O5. .106 N/mm2 kg/dm3 °C kV/mm MΩ Anwendungen Als Anwendung seien Isolatoren für Hoch- und Niederspannung, Durchführungen, Klemmenkörper, Sicherungselemente und Patronen, Fassungsringe, Schalter, Steckdosen, Dosen und Keramikkondensatoren, erwähnt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE KERAMIK 2.13.6.4.4 Seite 118 Steinzeug Steinzeug ist die Bezeichnung für alle Arten von Tonwaren, deren Scherben beim Brand dichtbrennen bzw. verglasen oder sintern. Die notwendige Brenntemperatur hängt von der Zusammensetzung der Masse ab und liegt in der Regel bei 1200 bis 1300 °C. Scherben und Glasur sind durch den Brand mittels einer Zwischenschicht miteinander verschmolzen. Aber auch ohne Glasur ist Steinzeug nahezu wasserdicht. Dagegen wird Steingut bei geringerer Temperatur gebrannt und muss glasiert werden, um dicht zu werden. 2.13.6.4.5 Steatit Speckstein (Talk), Kaolin und Feldspat sind die Rohstoffe. Die Verarbeitung. das Formen und Brennen erfolgen gleich wie bei Porzellan. Der Verwendungsbereich lässt sich durch bestimmte Mischungen weitgehend den Erfordernissen anpassen. So wurden Spezialsorten für Träger von Heizwicklungen entwickelt, solche für die Verwendung in Hochfrequenzapparaten und Sorten für alle Apparate der Hausinstallationen. Die mechanischen und elektrischen Werte sind im Mittel in der Grössenordnung derjenigen von Porzellan. Für die oben erwähnten Sonderzwecke können aber beachtliche Verbesserungen einzelner Komponenten erreicht werden. 2.13.6.4.6 Keramische Einbettmassen Für die Isolation von Heizwendeln in Kochplatten und Heizstäben werden Massen aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Speckstein und für hohe Temperaturen Zirkonoxid verwendet. In feuchtem Zustand werden sie mit den Wicklungen eingepresst und dann getrocknet. Der Ableitstrom, auch nach längerem Betrieb und in betriebswarmem Zustand, soll klein sein. Die Durchschlagfestigkeit ebenfalls im betriebswarmen Zustand muss genügend hoch sein. Die Masse darf den Heizleiter nicht angreifen. Oxidkeramik findet Verwendung z.B. als Chipwiderstand, Trimmer, Thermo-Druckkopf oder als Substrat (Unterlage) bei der Herstellung von integrierten Schaltungen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE GLAS 2.13.6.5 Seite 119 Glas 2.13.6.5.1 Herstellung von Glas Die Glashütten verarbeiten Quarzsand (SiO2), Kalk (CaCO2), Soda (Na2CO3) und Glaubersalz 0 (Na2SO4+H20) zu einem Gemenge, das bei 15...1600 C zum Dünnfluss geschmolzen wird. Durch eine Öffnung einer Trennwand im Ofen, nahe dem Boden, gelangt das Glas von der Schmelzzone in die 0 Arbeitszone. Hier wird, bei 900 C, das geläuterte Glas im Handbetrieb oder vollautomatisch entnommen. Die Formgebung erfolgt durch Blasen, Pressen, Walzen und Ziehen. Die Scheidewand hält die Schlacke von der Glasentnahme fern. Hohlkörper werden durch Blasen erzeugt, wobei die Formgebung in Metallformen erfolgt. Isolatoren, Röhrensockel und Lampenteile werden gepresst, ebenfalls Glasziegel und andere nicht in der Elektrotechnik eingesetzte Glasteile. Glasisolatoren 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE GLAS Seite 120 Scheiben und Stäbe sowie Gespinste werden gezogen. Typische Anwendungen von Glas in der Elektrotechnik sind Lampenkolben, Röhrenkolben, Träger der Elektroden und Glühfäden, Quecksilberwippen, Gleichrichtergefässe und lsolatoren. Glasseide besteht aus unendlich langen Fasern von 5...13 µm Dicke, von denen 10O...200 miteinander versponnen werden. Zur Erzeugung der Glasseide wird fIüssiges Glas durch Düsen gepresst und mit grosser Geschwindigkeit abgezogen, gesponnen und aufgehaspelt. Glühlampenkolben von Leuchtmitteln Die Gespinste werden bei hochwertigen Drahtisolationen im Motoren- und Transformatorenbau gebraucht. Meistens werden sie mit Lacken imprägniert. Die Zugfestigkeit von Glasseide beträgt 2 900...1400 N/mm , ist also derjenigen von gutem Stahl ebenbürtig. Die Durchschlagfestigkeit von Glas und Glasfaserisolationen bewegt sich zwischen 10..25kV/mm, εr ist 3...6. Mit Glasfasern verstärkte Schichtplatten sind auch Träger gedruckter Schaltungen. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 6 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE GLAS 2.13.6.5.2 Seite 121 Aufbau und Herstellung der Glasfaser Spezielle Glassorten werden als Lichtleiter für Nachrichtenübermittlung verwendet. Der Durchmesser einer Glasfaser, bestehend aus Kern und Mantel aus zwei verschiedenen Glassorten, ist 0,125mm. An der Grenzschicht der beiden Gläser erfolgt eine vollständige Reflexion des Lichtes. Das Licht wird deshalb in der Längsrichtung fortgeleitet. Ein- und mehradrige Kabel sind mit einem mechanischen Schutzmantel umgeben. Das Ein- und Auskoppeln erfolgt mit optoelektronischen Bauelementen. Zusammenschmelzen der beiden Glassorten: 1. Düsen 2. Glas für den Mantel 3. Glas für den Kern 4. Glasfaser Ziehen einer Glasfaser: 1. Heizung mit kontrollierter Atmosphäre 2. Messung des Durchmessers 3. Überzug einer ersten Umhüllung 4. Ofen (Polymerisation der ersten Umhüllung) 5. Ziehen und Aufwickeln a) Glasrohr: Am inneren Umfang ist die zweite Glasschicht aufgedampft b) Glasfaser: Das Rohr ist beim Ziehen zur Faser zusammengeschmolzen Aufbau eines Lichtleiterkabels: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Lichtleiter Innerer Schutzmantel 1 Innerer Schutzmantel 2 Zugentlastung Äusserer Schutzmantel 1 Äusserer Schutzmantel 2 Version 3 BET 2 13 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE Seite 122 2.13.6.6 Eternit Eternit ist ein Asbestzementwerkstoff, der aus breiigem Zustand gewonnen wird. lm noch plastischen Zustand lässt sich Eternit formen und zu Platten verarbeiten. Das Abbinden (Erhärten) wird zur Steigerung der Festigkeit verlangsamt. Eternit wird nicht als Isolierstoff verwendet. Anwendungen Es eignet sich für Kabelkanäle, für Trennwände und Funkenlöschkammern, für Schalttafeln und für Zählerbretter. Stromleitende Teile dürfen nicht mit Eternit in direkte Berührung kommen. 2.13.6.7 Pical Es ist ein dem Eternit ähnlicher Stoff, durch LufteinschIüsse im Gefüge porös und leichter gemacht. Seine Wärmefestigkeit und die schlechte Wärmeleitung machen es für Montageunterlagen und zur Abdeckung von brennbaren Teilen geeignet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 2.13.7 Seite 123 Natürliche organische Isolierstoffe Hier sollen einige Werkstoffe angesprochen werden, die mehr oder weniger bearbeitete Stoffe aus der Natur sind und zu den organischen zu rechnen sind. Sie stellen also keine Rohstoffe, trotzdem spricht man hier von natürlichen Materialien. Wichtige natürliche organische Isolierstoffe sind: P G Papier Textilien Gummi Verguss- und Tränkmassen Isolieröle Isoliergase Abgewandelte organische Naturstoffe: Vulkanisierter Kautschuk Cellulose-Erzeugnisse Bemerkungen zu „Organischen Stoffen“ Kohlenstoffverbindungen werden als „Organische Verbindungen“ bezeichnet. Organische Isolierstoffe sind aus Makromolekühlen aufgebaut. Man unterscheidet: Makromolekulare Naturstoffe Chemisch abgewandelte Naturstoffe Synthetische Stoffe Makros (griechisch) = gross Synthetische Stoffe nennt man auch Kunststoffe oder Plaste. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE PAPIER Seite 124 2.13.7.1 Papier Die in der Elektrotechnik verwendeten Papiersorten sind ausschliesslich aus Holzzellstoffen hergestellt. Fein gemahlene, weiche Nadelhölzer liefern den Papierbrei der mit Chlor entfärbt (gebleicht) wird. Auf einer Siebpartie der Papiermaschine wird der Brei entwässert. Die Fasern verfilzen sich und bilden die Papierbahn, welche über Walzen geführt, getrocknet und geglättet wird. Je nach Behandlung unterscheidet man maschinenglatte, kalandrierte und azetylierte Isolierpapiere. Kalandriertes Papier wird zwischen Walzen verdichtet, azetyliertes Papier erfährt eine chemische Nachbehandlung, welche den Isolationswiderstand verbessert. Eigenschaften Zugfestigkeit εr Durchschlagfestigkeit maschinenglatt kalandriert azetyliert 60 N/mm2 80 N/mm2 --- 1,5...3,5 2 1,3...3 10 kV/mm 14 kV/mm --- Die maschinenglatten und kalandrierten Papiere werden im Transformatoren und Wandlerbau als Wicklungsisolation verwendet. Die maschinenglatten und azetylierten Papiere dienen bei Hoch- und Niederspannungskabeln als Isolation (PPb). Die Isolierzwischenlage für Wickelkondensatoren wird vielfach aus Papier gemacht. Neben direkter Verwendung wird Papier mit Öl, Lack und Wachs imprägniert. Es dient auch als Träger hochwertiger anderer Isolierstoffe, die mit Lacken und Kunstharzen aufgeklebt werden. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE PAPIER Seite 125 Pressspan, Hartpapier Hartpapier und Hartgewebe bestehen aus entsprechenden Bahne, die mit Kunstharz, meistens Phenol- und Aminoharzen, getränkt sind. Auf beheizten Pressen werden die Bahnen zur gewünschten Dicke geschichtet und bei der Aushärtetemperatur des Harzes mit hohem Druck gepresst. Die entstehenden Schichtstoffe sind von hervorragender Qualität. Stäbe, Rohre und Zylinder werden auf geheizten Walzen unter Druck gewickelt. Hartpapier wird eingesetzt im Schalttafelbau als Abdeckung elektrischer Installationen für Spulenträger, Isolierzylinder im Transformatorenbau, für die Nutenisolation von Motor- und Generatorenwicklungen und für Durchführungen. Als Richtwerte für Hartpapier gelten: Spezifischer Widerstand im Mittel 10 MΩ cm Durchschlagfestigkeit senkrecht zur Schichtung 10...20 kV/mm Dichte 1....1,4 kg/dm3 Zugfestigkeit parallel zur Schichtung Brennbarkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch 200 N/mm2 schwer brennbar Version 3 BET 2 13 7 1 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE PAPIER Seite 126 Schematische Darstellung der Papierfabrikation 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 2.13.7.2 Seite 127 Textilien Textilien für die Elektrotechnik werden aus verschiedenen Rostoffen hergestellt, nämlich aus: B H J S Baumwolle Hanf Jute Seide Die Einzelfasern werden dabei zu Fäden versponnen und meistens verwebt. Wie Papier sind auch die Textilien hygroskopisch und werden daher fast immer imprägniert. (wasseranziehend) Anwendungsbereiche Leiterisolation (heute weniger), Bandagieren von Wicklungen, Ausfüllen von Kabelleitungen, Kennfäden für Leitungen. Isolation einer Statorwicklung mit Seidenband 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE GUMMI 2.13.7.3 Seite 128 Gummi Der Heveabaum, welcher im tropischen und subtropischen Klima gedeiht, sondert einen Saft den Latex ab, welcher 35...40% Rohkautschuk enthält. In riesigen Plantagen gewonnen, wird der Latex durch Säuren behandelt, wobei er gerinnt (koaguliert). Die fein verteilten Kautschuktröpfchen ballen sich dabei zu Klumpen zusammen. Der gewaschene Kautschuk wird mit Schwefel, Füll- und Farbstoffen gemischt und nach oder während der Formgebung bei 1400C vulkanisiert. Gummiisolierte Leitung mit Stecker Zwischen den Kautschukatomen bilden sich Schwefelbrücken, welche den beim Vulkanisieren entstandenen Gummi elastischer und wärmebeständiger machen. Mit viel Schwefel erhält man Hartgummi. Der Isolationswiderstand von Gummi beträgt 108..109.MΩ cm. εr variiert zwischen 2,2...3. Gummi (G) war früher der meistverwendete Leiterisolierstoff für Leiter in den Hausinstallationen. Er wurde weitgehend durch die Thermoplaste (T) verdrängt. Die Elastizität von Gummi im Vergleich mit Kautschuk vor während erfolgter Dehnung des Kautschuk nach vor während nach erfolgter Dehnung des Gummi Die Schwefelbrücken beim Gummi verhindern das Verschieben der Fadenmoleküle. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE GUMMI Seite 129 Vom Milchsaft des Gummibaums zum Werkstoff Gummi 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE VERGUSS- UND TRÄNKMASSEN Seite 130 2.13.7.4 Verguss- und Tränkmassen 2.13.7.4.1 Übersicht Es eignen sich: Tropfpunkt [°C] Material Asphaltmassen Harzmassen wie Kolophonium Pechmassen Paraffin und Wachsmassen 2.13.7.4.2 180 120 110 80 Eigenschaften Kunstharze, nach der Härtung zum Teil unschmelzbar (Duroplaste). Von Vergussmassen müssen folgende Eigenschaften verlangt werden: Nach dem Vergiessen müssen sie blasenfreies, homogenes Gefüge aufweisen. Die Betriebstemperatur und Kälte sollen die lsolationsfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften nicht schwächen. Sie sollen die ausgegossenen Armaturen gut füllen, an Metallen haften, ein geringes Schwundmass aufweisen und feuchtigkeitsbeständig sein. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE VERGUSS- UND TRÄNKMASSEN 2.13.7.4.3 Seite 131 Anwendungen Sie dienen dem Ausgiessen von Armaturen für Papierbleikabel, dem Vergiessen von Apparateteilen, Spulen und Wicklungen, zum Abdichten von Einführungen. Kunstharze, speziell die Äthoxylinharze, werden immer mehr eingesetzt. Vor dem Vergiessen werden Harz und Härter gemischt. Endverschlüsse und Muffen für thermoplastisolierte Kabel werden daraus hergestellt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE ISOLIERÖLE 2.13.7.5 Seite 132 Isolieröle 2.13.7.5.1 Übersicht Besonders behandelte Mineralöle werden in der Elektrotechnik in Transformatoren, Schaltern, Kondensatoren und Kabeln als Isolierstoff verwendet. 2.13.7.5.2 Eigenschaften von Isolieröl Sie müssen besonderen Anforderungen entsprechen. Gutes Isolieröl weist eine Dichte von 0.89 kg/dm3 auf. Der Flammpunkt liegt über 1450C. Die Durchschlagfestigkeit beträgt 12 kV/mm. Schon geringster Wassergehalt senkt die Durchschlagfestigkeit. Aus diesem Grunde wird die Luft welche in Schaltern, Transformatoren und Kondensatoren mit dem Öl zusammentrifft über Tröckenfilter geführt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE ISOLIERÖLE Seite 133 Isolieröl verbessert auch die Isolationswerte von Papier und Pressspan. Ölgetränkte Papierkabel und ölgetränkte Isolationen in Hochspannungsapparaten zeugen davon. Neuerdings haben sich auch die Silikonöle und Diphenylchlorid, die schwer oder nicht brennbar sind, eingeführt. Transformator mit Ölkühlung lsolieröl Diphenylchlorid 1,5 Dichte kg/dm3 0,89 Durchschlagfestigkeit kV/mm 12 20 brennbar schwer brennbar, nicht brennbar 2,2 4,5...6 Bennbarkeit Dielektrizitätszahl 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE Seite 134 2.13.7.6 Isoliergase Schwefelhexafluorid SF6 ist ein gasförmiger lsolierstoff. Es wird in gekapselten Hochspannungsanlagen verwendet. Die Anlagen werden sehr kompakt, so dass sie in Gebäuden und Kavernen installiert werden können. Um eine Leistung von 3,6 GW auf engen Raum aus einer Talsperre an die Oberfläche zu bringen, setzt Yalong Hydro im Wasserkraftwerks Jinping I auf gasisolierte Übertragungsleitungen (GIL) von Siemens. Bildquelle: © Siemens AG Gasisolierte Rohrleiter bestehen aus zwei konzentrisch angeordneten Aluminiumröhren. Der Zwischenraum zwischen dem inneren Leitungsrohr und dem geerdeten Außenrohr ist mit Isoliergas gefüllt. Gasisolierte Rohrleiter übertragen maximal 5.000 A Strom bei bis zu 550 kV Spannung. Jede Leitung besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Aluminiumröhren. Der Zwischenraum zwischen dem inneren Leitungsrohr und dem geerdeten Außenrohr ist mit Isoliergas gefüllt. GIL-Systeme übertragen nicht nur höchste Leistungen auf kleinstem Raum, sie sind auch anders als Stromkabel unbrennbar. Deshalb sind sie sicher und einfach zu installieren, um Strom aus Kavernenkraftwerken oder durch Tunneln zu übertragen. Der Damm des chinesischen Wasserkraftwerks Jinping I in der Provinz Sichuan ist 305 Meter hoch, die Turbinen liegen in 230 Meter Tiefe. Ihre gesamte Leistung beträgt 3,6 Gigawatt. Insgesamt besteht die Übertragungsleitung in Jinping I aus drei parallelen GIL-Systemen mit je drei einpoligen Rohrleitungen, die im Staudamm senkrecht nach oben führen. Jedes System kann bei 550 kV Spannung 2.200 MVA Leistung transportieren. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE 2.13.8 Seite 135 Zellulose-Kunststoffe Wir verstehen darunter Kunststoffe, die auf der Grundlage von Zellulose aufgebaut wurden. Da die Zellulose aus Pflanzlichen Stoffen wie Holz gewonnen wird, gehört sie zu den natürlichen Werkstoffen. Durch besondere Behandlung entsteht daraus ein Kunststoff. Diese Stoffe liegen also zwischen den natürlichen Werkstoffen und den synthetischen Werkstoffen (Kunststoffe, Plaste). 1 Es gibt u.a. folgende Zellulose-Kunststoffarten: 1 Pressspan (Papier+Harz) 2 Lackpapier 3 Zellulose-Nitrat 4 Zellulose-Acetat (Zellstoff+Essigsäure) 1 Die Zellulose-Kunststoffe bzw. seine Anwendungen siehe unter dem Kapitel der Papiere aufgeführt. 4 2 4 3 4 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE / PLASTE 2.13.9 Seite 136 Kunststoffe / Plaste Kunststoffe beherrschen unser heutiges Leben. Sie dringen auch mehr und mehr in jene Bereiche der Technik ein. die bis vor kurzem ausschliesslich den Metallen vorbehalten waren. Unter dem Begriff Kunststoffe fasst man alle jene Stoffe zusammen. die auf künstlichem d.h. synthetischem Wege (durch Zusammenfügen kleinster Elemente) hergestellt werden. Es sind vorwiegend organische Verbindungen. die aus Makromolekülen bestehen. 2.13.9.1 Ausgangsstoffe zur Herstellung von Kunststoffen 2.13.9.2 Eigenschaften von Kunststoffen Kunststoffe sind im allgemeinen: Leichter als Leichtmetall (0,9...1 kg/dm3) Wasserbeständig Wenig wärmeleitend, Wärmeisolierend Elektrisch isolierend, schlecht leitend Chemisch beständig, korrosionsfest Nicht hygroskopisch Leicht färbbar Schlecht wärmebeständig (120°C) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE / PLASTE HERSTELLUNG DER KUNSTSTOFFE Seite 137 2.13.9.3 Herstellungsverfahren der Kunststoffe Am Aufbau eines Kunststoffes sind allgemein nur wenige Grundstoffe beteiligt, deren Atome sich im Verhältnis ihrer Wertigkeit zu Molekülen verbinden. Elemente Wertigkeit Kohlenstoff C Atom schematisch Elemente Wertigkeit 4 Chlor Cl 1 Wasserstoff H 1 Silizium Si 4 Sauerstoff O 2 Schwefel S 2 Stickstoff N 3 Atom schematisch Plaste (Kunststoffe) bestehen aus Makromolekülen, deren Einzelmoleküle organische Kohlenstoff-Verbindungen sind. Vom Einzelmolekül zum Makromolekül. Durch Aufbrechen eines Stranges der Doppelbindung bei einem Einzelmolekül verbinden sich durch die frei gewordenen Valenzen die Einzelmoleküle zu Makromolekülen. Art der Molekühle 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Verhalten Eigenschaften Festigkeitsverhalten bei Temperatur Thermoplastisch wärmeverformbar, schweissbar, Thermoplast Die Molekülketten sind nicht miteinander vernetzt. Sie ähneln einem Wattebausch. weich Zersetzung Fadenmolekül (fadenförmige Makromoleküle) Festigkeit fest teigig flüssig Temperatur Thermoplast fest Verzweigte Moleküle (wenige Vernetzungsstellen) Thermoplastisch Thermoplast Die Molekülketten sind sehr weitmaschig vernetzt. Sie können durch kleine Kräfte gedehnt werden und federn wieder zurück. Zersetzung Die grundlegenden Eigenschaften der Makromoleküle hängen weitgehend von der Gestalt der Makromoleküle ab. Solche Moleküle können in Form von Fäden, Verzweigungen oder Netzen auftreten. Struktur des Stoffes schematisch Festigkeit Arten der Makromoleküle und ihr Verhalten: Aufbau schematisch Temperatur Elastomer Version 3 BET 2 13 9 3 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE HERSTELLUNG DER KUNSTSTOFFE Seite 138 Von besonderer Bedeutung für die Herstellung der Kunststoffe sind die Makromoleküle, Moleküle, die aus einer Vielzahl von Einzelmolekülen (...30´000) aufgebaut sind. Die Verbindung vom Einzelmolekül zum Makromolekül kann dabei auf folgende Arten geschehen: Naturstoffe abgewandelt Kunststoffe aus Naturstoffen „Zellulose-Kunststoffe“ Polymerisation Polymerisation heisst der Vorgang, bei dem gleichartige Einzelmoleküle (Monomere) zu einem Riesenmolekül (Polymer) aneinandergereiht werden. Die so entstandenen Kunststoffe heissen Polymerisate. Die entstandenen Stoffe heissen Polykondensate. Polykondensation Polykondensation ist die Verbindung vieler Grundmoleküle mit je einem weiteren Molekül zu einem Riesenmolekül, wobei beim Zusammenschluss einzelne Atome abgespalten werden. Sie verbinden sich zu kleineren Molekülen (z.B. Wasser) und verlassen den sich bildenden Stoff. Polyaddition Polyaddition ist die Vereinigung vieler Grundmoleküle durch das Anlagern weiterer verschiedenartiger Moleküle ohne Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen. Die entstandenen Stoffe heissen Polyaddukte Alle diese chemischen Vorgänge werden beeinflusst durch Wärme und Druck, aber auch durch Katalysatoren. d.h. durch zusätzliche Stoffe, die allein durch ihre Anwesenheit den Ablauf des Vorganges beeinflussen. Bausteine der Kunststoffherstellung Vinylchloridmolekül C2H3Cl 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Harnstoffmolekül CH4ON2 Silikon-Makromolekül (Anstelle des Siliziums werden auch Al, P, Ti verwendet) Version 3 BET 2 13 9 4 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE EINTEILUNG DER KUNSTSTOFFE / pLASTE Seite 139 2.13.9.4 Einteilung der Kunststoffe / Plaste Die Einteilung der Kunststoffe kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden. Gebräuchlich ist die Gruppierung nach dem Verhalten in der Wärme. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTE Seite 140 2.13.9.5 Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, die mit zunehmender Erwärmung erweichen, plastisch und in einzelnen Fällen sogar flüssig werden. Bei Abkühlung werden sie wieder fest, bei Unterkühlung sogar spröde. Einige bekannte Thermoplaste wollen wir näher untersuchen. Polyvinilchlorid Polyäthylen Polyamid Polytetrafluorethylen Polystyrol Polyacrylate Polypropylen 2.13.9.5.1 (PVC) (PE) (PA) (PTFE) (PS) (PMMA, PAN) (PVDF,PP) Polyvinylchlorid Polyvinylchlorid (PVC) ist ein thermoplastischer Kunststoff, der aus Acetylen C2H2 und Salzsäuregas HCI gewonnen wird. Die beiden Stoffe werden chemisch zu Vinylchlorid, einer Flüssigkeit verbunden. Das Vinylchlorid besteht aus lauter einzelnen Molekülen, den Monomeren. Wird es bei Anwesenheit eines Katalysators, eines Beschleunigers, bestimmten Temperatur- und Druckwirkungen ausgesetzt, verbinden sich die einzelnen Vinylchloridmoleküle zu langen Ketten von 250... 3000 Molekülen, zum Polymeren des Vinylchlorides, oder eben zum Polyvinylchlorid (PVC). Damit die grossen Moleküle (Makromoleküle) nicht zerfallen, sich zersetzen, mischt man ihnen Stabilisatoren zu. PVC ist ein weisses Pulver. Seine Schmelzzone erstreckt sich von 85... 2200C, es verändert sich vom festen über den biegsamen, elastischen, plastischen zum flüssigen Zustand. PVC wird mit Farbstoffen, und wenn es für die Verarbeitung weich bleiben soll, mit Weichmachern gemischt. Man unterscheidet demzufolge: Hart-Polyvinylchlorid Weich-PVC (PVC) Verarbeitung des PVC 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTe Seite 141 Anwendungen und Eigenschaften des PVC Eigenschaften Hart-PVC Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit Eigenschaften Weich-PVC Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm 1,38 40...60 60 schwer 109-1010 3,1...3,5 40...50 1,38 20...70 60 schwer 1010 3,3...3,4 50...75 Anwendungen Kanäle Rohre Zubehörteile, Isolierband Gehäuse Handelsnamen: Symadur, Isodur Anwendungen Drahtisolationen für Hausinstallationen Kabelisolationen Isolierschläuche, Isolierband, Installationsrohre Kunstleder, Stiefel, Schutzhandschuhe Stechvorrichtungen, Folien, Schwimmerschalter Handelsnamen: Vinidur, Vinoflex, Hostalit Vestolit Mit etwa 40% Weichmachern wird PVC für viele Verwendungen eingesetzt. Die normale Mischung darf nicht bei Temperaturen über 60°C angewendet werden. Sondermischungen für erhöhte und umgekehrt tiefe Temperaturen sind erhältlich. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTe 2.13.9.5.2 Seite Polyäthylen Polyäthylen (PE) ist ein thermoplastischer Kunststoff aus Äthylen C2H4. Äthylen wird als Gas von den Erdölraffinerien geliefert. Aus dem EinzelmoIekül werden entweder bei Druckanwen° dung von 1000...2000 bar und Temperaturen von 185... 220 C oder beim Niederdruckverfahren mit geeigneten Beschleunigern Polymere gewonnen. Sie enthalten 700... 3000 Einzelmoleküle. Je nach dem Verfahren ergeben sich weichere oder härtere Stoffe, die auch in der Dichte etwas unterschiedlich sind. Für Hochfrequenzkabel ergeben sich kleine Verluste. Die Kabel sind feuchtigkeits- und salzwasserbeständig. Das erste Transatlantikkabel für Telephonie ist mit PE isoliert. Eigenschaft Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 142 kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm 0,92...0,96 10...17 80...100 brennbar 109-1010 3,1...3,5 40...50 Polymerisat Polyvinilchlorid Polyacrylester Polyvinylazetat Polyvinylazetat Polystyrol PoIytetrafluoräthylen Polytrifluorchloräthylen Polyäthylen Polyacrylnitril Polypropylen Polyoxymethylen Jahr der ProduktionsAufnahme 1928 1928 1930 1932 1935 1940 1940 1948 1948 1953 1958 Anwendungen Zuber, Becken, Flaschen, Fässer Schrumpfschläuche Draht- und Kabelisolationen Installationsrohre, Schwimmerschalter Kondensatoren, Isolierscheiben in Koaxialkabel Helm Handelsnamen: Hostal,Lupol, Vestol, Bayol Die flexiblen orange gefärbten Isolierrohre bestehen aus PE. Sie sind brennbar und deshalb nur für UP-lnstallationen in Mauerwerk und Beton gestattet. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTe 2.13.9.5.3 Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 2.13.9.5.4 Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Seite 143 Polyamid kg/dm3 N/mm2 °C 1,14 hoch 100 MΩcm kV/mm Anwendungen Zahnräder Lagerschalen Gleitschienen Schutzhelme Kraftstofftanks, Polyamidfasern (Nylon, Perlon) Handelsnamen: Durethan, Ultramid, Vestamid Zytel, Rilsan Polytetrafluoräthylen kg/dm3 N/mm2 °C 2,2 -150 bis 280 Anwendungen Wärmebeständige Beschichtungen Schmiermittel Chemiearmaturen Dichtungen Lagerschalen MΩcm kV/mm Handelsnamen: Teflon, Hostaflon Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTe 2.13.9.5.5 Seite 144 Polystyrol Das Polymere enthält je nach Art der Herstellung 300...5000 Einzelmoleküle. Dadurch ist Polystyrol von flüssig bis fest in allen Zwischenstufen erhältlich. Polystyrol ist klar durchsichtig und kann beliebig eingefärbt werden. Mit entsprechenden Füllstoffen wird es durchscheinend und undurchsichtig gemacht. Neben Gebrauchsgegenständen des täglichen Lebens wird es in der Nachrichtenund HF-Technik eingesetzt. Polystyrol (PS), heute vorwiegend aus Benzol einem Erdölderivat gewonnen. hat folgende Eigenschaften: Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm 1,04 60...80 80 leicht 109 2,6 50 Anwendungen Fäden, Folien, Platten, Rohre, Formteile Wekzeuggriffe, Isolierungen der Elektrotechnik Spulenkörper HF-Technik Sockel, Stecker, Gehäuseteile Akkumulatorenkästen, Klemmenleisten Klemmensockel, Isolierteile Wärme und Kälte Handelsnamen: Styroflex, Luran, Novodur, Styropor, Trolitul, Polystyrol, Hostyren Polystyrol wird auch verschäumt. Es enthält zu diesem Zweck ein gasförmiges oder ein Gas entwickelndes Treibmittel. welches bei 140...160 0C Poren erzeugt. Je nach Grösse der Poren ergeben sich Dichten der Schaumstoffe von 0.015...0. 1 kgldm3 bei 0.3...5.5 N/mm2 Zugfestigkeit. Die Schaumstoffe eignen sich zur Isolierung von Leitungen von Wärme- und Kälteapparaten. als Füllstoff zur Versteifung paralleler Verkleidungsplatten und für die Schallisolierung. Der Schaumstoff ist weiss (Kunstschaumstoffe vergleichen). 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 5 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE THERMOPLASTe 2.13.9.5.6 Seite 145 Polyacrylate Polyacrylate sind am bekanntesten als organische Gläser, wie Plexiglas und Perspex. Es gibt eine ganze Reihe dieser Stoffe welche alle auf Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen basieren. Das Polymere enthält bis 50000 Einzelmoleküle. Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm 1,18 75 schwer 107-1010 3...3,7 20...40 Anwendungen Rasterwerkstoff bei Beleuchtungskörpern Reklamebeleuchtungen Isoliermaterial Schutzgläser, Schutzbrillen, Splitterschutz Durchsichtige Gehäuse, Dachverglasungen Sanitärartikel Handelsnamen: Plexiglas, Plexigum, Acronal, Resarit Viele durchsichtige Anschauungsmodelle, Abdeckgläser und Abdeckhauben bestehen aus Plexiglas. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE DUROPLASTE Seite 146 2.13.9.6 Duroplaste Einmal geformt, den plastischen Zustand durchlaufen erhärten Duroplaste bei einer bestimmten Temperatur endgültig. Sie lassen sich nicht mehr erweichen. Sie bestehen aus Kunstharzen. Vier Duroplaste werden näher beschrieben: (PF) (UF) (EP) Phenoplaste Aminoplaste Epoxydharze 2.13.9.6.1 Phenoplaste Phenoplaste (PF) bestehen aus Kresol und Phenol einerseits und aus Formaldehyd. Kresol und Phenol sind Abwandlungen von Benzol, mit geringfügiger Änderung im Molekülaufbau. Sie werden aus Steinkohlenteer oder über Benzol aus Erdöl gewonnen. Formaldehyd kann aus der Gasfabrikation über Wassergas, eine CO-H-Verbindung, gewonnen werden. Die beiden Gase verbinden sich unter bestimmten Gegebenheiten zu Polymeren. Es entstehen je nach Mischungsverhältnis Harze für Lack und Pressmassen. Das reine Harz ist braun, durchscheinend und spröde. Das fein gemahlene Harz wird mit Füllstoffen, wie Holzmehl, Gewebeschnitzel, Glasfasern, Asbest, Gesteinsmehl und Glimmer, in Formen gepresst und erhitzt. Dabei durchlaufen die Massen den plastischen Zustand, um anschliessend zu erhärten. Lackharze werden mit Papier- und Gewebebahnen zu Hartpapier und Hartgewebe verarbeitet Wir begegnen ihnen bei den Schichtstoffen. Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm 1,5 130 Anwendungen Gehäuse elektrischer Apparate Isoliergriffe Klemmenleisten Lampenfassungen T+T-Installationsmaterial Handelsnamen: Trylitan, Asplit, Trolitax, Corephan, Pertinax, Azolene, Bakalite Version 3 BET 2 13 9 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE DUROPLASTE 2.13.9.6.2 Seite 147 Aminoplaste Aminoplaste (UF) bilden eine Gruppe verschiedener Harze. Die bekanntesten sind die Harnstoff- oder Carbamidharze und die Melaminharze. Beides sind Verbindungen aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. In Kochern, unter ständigem Rühren, werden sie mit Formaldehyd zusammengebracht. Unter Abspaltung von Wasser, welches verdampft bildet sich das Harz. Das Harz ist weiss und lichtecht Es wird als Lösung, in Pulverform oder gekörnt granuliert gehandelt. Mit Füllstoffen ergeben sich Pressmassen, die lange haltbar sind und zu den manigfachsten Gebrauchsgegenständen verpresst werden. Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm kV/mm Anwendungen Deckel von Steckdosen, Dosen, Schaltern Dechel von Sicherungselementen Abdeckplatten Schaltergriffe Klemmenplatten Teile von Schützen, Apparateteile T+T und HF Handelsnamen: Harnstoffharze: Albamit, Beckamin, Resamin, Pollopas, Cibanoid Melaminharze: Albamit, Resamin, Resopal, Ultrapas, Cibamin Version 3 BET 2 13 9 6 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE DUROPLASTE 2.13.9.6.3 Seite 148 Epoxydharze Aethoxylinharze, Epoxyd- odor Epoxyharze (EP). Sie sind erst seit 1946 erhältlich. Sie wurden unabhängig von der Shell Chemical Corporation und der CIBA entwickelt. Der von der CIBA geschützte Name Araldit ist zu einem Begriff geworden. Die Erdölindustrie liefert die Grundstoffe. Das Harz ist flüssig und pastenförmig erhältlich. Mit einem Härter, kurz vor der Verwendung zusammengebracht, bildet sich ohne Hitze und Druck ein Duroplast. Harz und Härter sind auch in Tuben erhältlich und eignen sich für das Kleben aller praktisch verwendbaren Stoffe. Aus Giessharz werden komplizierte Isolatoren in metallenen Gussformen angefertigt. Ganze elektrische Apparate, Wicklungen und Kondensatoren lassen sich eingiessen. Die Formbeständigkeit, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die elektrischen Isolationswerte sind hervorragend. Laminierharze dienen dem Aufbau von Schichtstoffen. Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kg/dm3 N/mm2 °C MΩcm Anwendungen Isolatoren Giesharz Klebeharz Lackharz Ausgangsstoff für faserverstärkte Kunststoffe Leiterplatten kV/mm Handelsnamen: Araldit, Epoxin, Epikote, Lekutherm 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE ELASTOMERE Seite 149 2.13.9.7 Elastomere Kunststoffe mit gummiähnlichem (elastischem) Verhalten heissen Elastomere. Elastomere bestehen aus langen Polymerketten, die durch Vulkanisation vernetzt sind, wie z.B. Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Nitrikautschuk und Chloroprenpolymerisate. Die Elastomere können aber auch im Polyadditionsverfahren, z.B. als Polyurethanelastomere, hergestellt werden. Synthetische Elastomere Styro-Butadien-Gummi Acryl-Butadien-Gummi Bytyl-Gummi Ethylen-Propylen-Gummi Fluor-Gummi Silikon-Gummi (SR) (SBR) (NBR) (IIR) (EPM) (FPM) (Q) Wird Naturkautschuk erwärmt und mit Schwefel behandelt, so erhält man Gummi. In der Elektrotechnik verwendet man Gummi vor allem zur Isolation flexibler Leitungen. Styrol-Butadien-Kautschuk und ButadienKautschuk sind synthetisch (künstlich) hergestellte Kautschukarten. Beide Arten werden für technische Gummiartikel wie z.B. Mantelisolierung von Leitungen und Kabeln sowie für Steckvorrichtungen verwendet. Chloropren-Kautschuk hat eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit, ist beständig gegen verdünnte Säuren und witterungsfest. Deshalb verwendet man Chloropren-Kautschuk in der Elektrotechnik, z.B. als Isolation von Schlauchleitungen für mittlere mechanische Beanspruchung. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 13 9 7 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE ISOLIERSTOFFE KUNSTSTOFFE/PLASTE ELASTOMERE 2.13.9.7.1 Seite 150 Silikone Silikone (SI) sind Kunststoffe aus anorganischen - Quarz (SiO2) - und organischen Elementen, vor allem dem Chlormethyl (CH3CI). Unter Wärme. bei Anwesenheit von Kupfer als Beschleuniger, ergeben sich monomere Zwischenprodukte, die anschliessend zu Polymeren, den Silikonen, kondensiert werden. Es lassen sich Silikonöle und Silikonfette gewinnen, die wasserabstossend wirken. Sie dienen als lmprägniermittel. Silikonkautschuk ist elastisch und sehr temperaturbeständig. Silikonharze werden mit Glasseide, Glimmer und Asbest zu Isolierstoffen für thermisch hochbeanspruchte Maschinen verarbeitet. Als Lack dienen Silikone zum Imprägnieren von Wicklungen. Eigenschaften Dichte Zugfestigkeit Wärmebeständig Brennbarkeit Isolationswiderstand Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit 11. Dezember 2014 www.ibn.ch kg/dm3 N/mm2 °C Anwendungen Isolierstoff bei Maschinen Imprägniermittel Gipsbecher MΩcm kV/mm Handelsnamen: Version 3 BET 2 14 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GESCHICHTE DES PERIODENSYSTEMS 2.14 Seite 151 Geschichte des Periodensystems Wer sich mit dem Periodischen System der chemischen Elemente befassen will, tut gut daran zu wissen, dass hierbei das Wort 'Element' in zwei völlig verschiedenen Bedeutungen nebeneinander verwendet wird: Einmal meint man z.B. mit dem "Element Gold" den gelb glänzenden, den elektrischen Strom hervorragend leitenden, bei 1064°C schmelzenden und spezifisch sehr schweren Stoff (Dichte 19,32 g/cm³). Und ohne Vorwarnung meint man daneben mit dem "Element Gold" auch das Goldatom, das gar keinen Schmelzpunkt haben kann und auch nicht den Strom leiten, das für sich auch keine Farbe hat in dem Sinn wie wir Farbe verstehen, sondern Farbe erst erzeugt, wenn sehr viele Atome zu Stoffpartikeln oder Stoffportionen zusammentreten. Dann kann Gold rot oder grün oder gelbglänzend sein, bei Tageslicht betrachtet. Die Betrachtung der elementaren Stoffe stand im 19. Jahrhundert im Vordergrund als das Periodensystem der Elemente entwickelt wurde. Die Betrachtung der elementaren Atome kam erst im 20. Jahrhundert in den Blick. Demokrit griechischer Naturphilosoph 460 v.Chr. – 371 v. Chr. John Dalton 1766 – 1844 (Charakter Atom, unteilbar) Joseph John Thomsen 1856 – 1940 (Elektron entdeckt) Antoine Henri Bequerel 1852 – 1908 (Radioaktivität) Ernest Rutherford 1871 – 1937 (Atomkern) Niels Bohr 1885 – 1962 (Atommodell, E-Bahnen) Otto Hahn 1879 – 1968 (Atomspaltung durch Neutronen) Murray Gell-Mann 1929 (Quarks, Nukleonen) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 14 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GESCHICHTE DES PERIODENSYSTEMS Seite 152 Alchemie Die Alchemie (auch Alchymie oder Alchimie) ist ein alter Zweig der Naturphilosophie und wurde im Laufe des 17. und 18. Jahrhunderts von der modernen Chemie und der Pharmakologie abgelöst. Oft wird angenommen, die „Herstellung“ von Gold (Goldsynthese) und anderen Edelmetallen (Edelmetallsynthese) sei das einzige Ziel der Alchemisten gewesen. Die Adepten der großen Alchemisten sehen diese Transmutationen jedoch eher als Nebenprodukt einer inneren Wandlung. Tabelle der alchemistischen Symbole (The last Will and Testament von Basil Valentine, 1670) 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 15 BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GESCHICHTE DER BERUFSRELEVANTEN WERKSTOFFE 2.15 Seite 153 Geschichte der berufsrelevanten Werkstoffe Der innere Kern der Erde ist ca. 6000°C heiß. Nach Außen werden die Temperaturen und die Dichte des Gesteins immer niedriger, was es erklärt, warum man immer in Richtung des Erdkerns angezogen wird. Wie ich schon oben erwähnte, die Gravitation ist von der Masse abhängig. Ganz grob teilen wir die Erdschichten in drei: den Kern, den Mantel und die Kruste. Nach innen wird das Gestein immer flüssiger und der Metallanteil größer. 8'000 v. Chr. Kupfer ist das am längsten bekannte Metall der Menschheit. Das gediegen vorkommende Kupfer wurde bereits in der Steinzeit vor über 10'000 Jahren verwendet. Erst 4'500 v. Chr. wurde mit dem Schmelzen begonnen. Sechshundert Jahre später (ca. 3'900 v. Chr.) begannen die Ägypter die Gewinnung von Kupfer aus Erz. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird manchmal auch Kupferzeit genannt. Die Römer benannten Kupfer nach der kupferreichen Insel Zypern (cyprium), später nannten sie es cuprum, wovon sich der Name Kupfer ableiten lässt. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus/Weiblichkeit ♀ (Planetenmetalle) assoziiert. Die ersten Spiegel wurden aus diesem Metall hergestellt. 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3 BET 2 15 Nr. BEARBEITUNGSTECHNIK LÖSUNGSSATZ CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE GESCHICHTE DER BERUFSRELEVANTEN WERKSTOFFE Seite 154 Thema 1 Kupfererzgewinnung http://www.youtube.com/watch?v=6KUF3az8kX0 2 Kupfererzgewinnung http://www.schulmediathek.tv/Chemie/Allgemeine+Chemie/Elemente+und+Atome/Gewinnung+von+Kupfer+ und+Zinn/?sid=1 3 Elektrolyse verkupfern http://www.schulmediathek.tv/Chemie/Allgemeine+Chemie/Elektrochemie/Galvanotechnik/ 4 Elektrolye Eisen verkupfern http://www.youtube.com/watch?v=CyhGarq4ZfM 11. Dezember 2014 www.ibn.ch Version 3
