Schulunterlagen

BET
2
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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3
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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E-Mail
Web
055 654 12 87
055 654 12 88
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3. Auflage
19. November 2010
11. Dezember 2014
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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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
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2
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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3
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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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
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3
BET
2
1
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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)
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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
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
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
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
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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
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3
BET
2
1
3
BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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3
BET
2
1
BEARBEITUNGSTECHNIK
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?
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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.
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BEARBEITUNGSTECHNIK
CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE
EINTEILUNG DER STOFFE
BORSCHES ATOMMODELL
Seite
12
2.1.4.2 Beispiel: Kupfer
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2
1
4
BEARBEITUNGSTECHNIK
CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE
EINTEILUNG DER STOFFE
BORSCHES ATOMMODELL
Seite
13
2.1.4.3 Beispiel: Aluminium
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3
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2
1
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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Reinstoffe bestehen aus Teilchen, die
stets gleich bleibende (also konstante) Eigenschaften haben.
Version
3
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2
1
5
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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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
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)
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Version
3
BET
2
1
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
IOD (I), CHLOR (Cl)
SAUERSTOFF
WASSERSTOFF
ARGON (Ar)
HELIUM
BOR
KOHLENSTOFF
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CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE
EINTEILUNG DER STOFFE
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Materialien aus Chlor
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EINTEILUNG DER STOFFE
REINSTOFFE - VERBINDUNGEN
2.1.8
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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)
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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).
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REINSTOFFE - VERBINDUNGEN
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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
Fe2O3
FeS
Ag2S
NaF
CaF2
AgCl
AuCl3
KBr
AgBr
KI
PbI2
NaCl
N2O
MnO2
C2H2F4
Kohle-Zink
Batterie
Elektrofachkraft
beim Gipsen
Gewisse einfache Verbindungen besitzen Namen, die von dieser Regel etwas
abweichen:
CO
CO2
H2O
H2O2
HCl
HF
CS2
NO
NH3
CH2Cl2
Bei einigen einfachen Verbindungen ist eine „volkstümliche“ Bezeichnung gebräuchlich:
NaCl
CaF2
MgO
CaO
ZnO
N2O
SiO2
MnO2
Ca[SO4]
C2H2F4
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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.
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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.
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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]
C2H2F4
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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!
Sauerstoff
Wasserstff
Schwefel
Chlor
II
I
II,IV,VI
I
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
Stickstoff
III,V
Wasserstoff
I
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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.
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GEMISCHE
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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.
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LEGIERUNGEN
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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.
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.
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Boilerheizung
Rohrheizkörper
Cu55Mn44Ni1
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LEGIERUNGEN
2.1.11.2
Seite
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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"
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Schneidewerkzeuge, Schienen,
Maschinenbauteile
Zahnräder, Achsen, Wellen,
Stahlfedern für Kfz und Uhren
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CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE
EINTEILUNG DER STOFFE
LEGIERUNGEN
EISEN-LEGIERUNGEN
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Entwicklung der Technologie
zur Stahlerzeugung und
Stahlumwandlung
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WIDERSTANDSMATERIAL
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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.
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WIDERSTANDSMATERIAL
2.1.12.3
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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)
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Hochleistungswiderstände
in Aluminiumgehäuse
Laborwiderstand
Potentiometer,
Regulierwiderstand
mit drei Abgriffen
für Spannungsregulierung
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WIDERSTANDSMATERIAL
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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!
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EINTEILUNG DER WERKSTOFFE
ISOLIERSTOFFE
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32
2.1.13 Isolierstoffe
2.1.13.1
Eigenschaften bzw. Zweck
Isolierstoffe dienen vornehmlich folgenden Zwecken
Gruppierung der Isolierstoffe
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).
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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.
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ISOLIERSTOFFE
2.1.13.3
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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
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Pical
Eternit ähnlicher Stoff
Glaskolben von Lampen
Sockel aus Porzellan
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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
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.
Abgewandelte organische Naturstoffe:
Vulkanisierter Kautschuk (Gummi)
Zellulose-Erzeugnisse
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.
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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.
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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
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Polyacrylat, Plexiglas
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ISOLIERSTOFFE
KUNSTSTOFFE / PLASTE
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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)
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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)
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CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE
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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.
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TT-Kabel
NIN
Kabel E30 nach DIN 4102 T12
Internationale Kabelbezeichnungen siehe unter
obiger NIN-Nummer.
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UNTERSCHIED PHYSIK UND CHEMIE
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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
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UNTERSCHIED PHYSIK UND CHEMIE
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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
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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.
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
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Zwischen Nichtmetallen und Metallen wirken hingegen ionische
und zwischen Metallen metallische Bindungen.
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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
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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
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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».
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FREIE ELEKTRONEN
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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.
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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.
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2.2.8
Seite
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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
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bestimmt.
Ionenbindung
Elektronenpaar- bzw. Atombindung
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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
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2.2.10
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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.
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2.2.11
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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
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ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG
2.2.12
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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.
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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
Proton
Neutronen
Hülle
Teil
Eigenschaft
Elektron
Sauerstoff
Atomkern
Teile
Eigenschaft
Protonen
Neutronen
Hülle
Teil
Eigenschaft
Elektronen
Die Hülle besteht aus Schalen auf denen sich mehr oder weniger Elektronen
befinden. Auf der äussersten Schale befinden sich die
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ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG
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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
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2.2.13
Seite
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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)
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2.2.14
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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.
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2.2.15
Seite
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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
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2.2.16
Seite
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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.
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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
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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
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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
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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
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EISENMETALLE
2.3.3.1.1
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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.
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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.
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2.3.5
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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.
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2.3.6
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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.
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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.
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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%).
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%
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
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ERDE ALS ROHSTOFFLIEFERANT
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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
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Steinsalzabbau
Vorkommen
Vorkommen in der Erdkruste
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UMWELTSCHUTZ
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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.
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2.4.2.2
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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.
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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.
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2.4.3
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Seite 71
Materialkreislauf im eigenen Betrieb beschreiben
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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
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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:
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2.5.3
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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.
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2.5.6
Bearbeitbarkeit
2.5.6.1
Formen
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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.
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KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT
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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.
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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.
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ISOLATIONSWIDERSTAND
Seite
78
2.5.8 Isolationswiderstand
.
Der Isolationswiderstand entspricht dem
Er muss sehr
sein. Er ist von den
und
des Isolators
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.
Die aktuellen vorgeschriebenen Isolationswerte sind auch
unter Prüfen und Messen
Kapitel 13.17.2.3 aufgeführt.
Prinzipschaltbild einer symmetrischen Leitung:
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Berechnung des maximal notwendigen
Isolationswiderstandes, damit der Personenschutz erfüllt ist:
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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
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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
Wesen der Dielektrizitätskonstante:
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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.
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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.
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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:
NIN
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2.6
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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
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
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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
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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.
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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
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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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)
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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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)
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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]
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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.
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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
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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
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7
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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
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3
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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
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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!
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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ISOLIERSTOFFE
ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE
KERAMIK
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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
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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
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ISOLIERSTOFFE
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2.13.6.4.2
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116
Herstellung keramischer Isolatoren
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Lichtleiter
Innerer Schutzmantel 1
Innerer Schutzmantel 2
Zugentlastung
Äusserer Schutzmantel 1
Äusserer Schutzmantel 2
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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.
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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.
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1
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NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE
PAPIER
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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.
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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
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200 N/mm2
schwer brennbar
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PAPIER
Seite
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Schematische Darstellung der Papierfabrikation
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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
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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.
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GUMMI
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Vom Milchsaft des Gummibaums zum Werkstoff Gummi
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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.
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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.
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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.
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ISOLIERÖLE
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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
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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.
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ISOLIERSTOFFE
2.13.8
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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.
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KUNSTSTOFFE / PLASTE
2.13.9
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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)
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KUNSTSTOFFE / PLASTE
HERSTELLUNG DER KUNSTSTOFFE
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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
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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
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ISOLIERSTOFFE
KUNSTSTOFFE/PLASTE
HERSTELLUNG DER KUNSTSTOFFE
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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
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Harnstoffmolekül
CH4ON2
Silikon-Makromolekül
(Anstelle des Siliziums werden auch Al, P,
Ti verwendet)
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ISOLIERSTOFFE
KUNSTSTOFFE/PLASTE
EINTEILUNG DER KUNSTSTOFFE / pLASTE
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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.
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KUNSTSTOFFE/PLASTE
THERMOPLASTE
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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
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KUNSTSTOFFE/PLASTE
THERMOPLASTe
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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.
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KUNSTSTOFFE/PLASTE
THERMOPLASTe
2.13.9.5.2
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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.
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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
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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
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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).
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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ISOLIERSTOFFE
KUNSTSTOFFE/PLASTE
ELASTOMERE
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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.
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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
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kg/dm3
N/mm2
°C
Anwendungen
Isolierstoff bei Maschinen
Imprägniermittel
Gipsbecher
MΩcm
kV/mm
Handelsnamen:
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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)
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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)
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BEARBEITUNGSTECHNIK
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.
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Nr.
BEARBEITUNGSTECHNIK
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
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