Elemente
Sammelbez. für Grundkörper, aus denen sich die Stoffe zusammensetzen od. von denen eine Wirkung direkt ausgeht.
Chemische Elemente
(von lat.: elementum = Ur-, Grundstoff; das Wort entstammt vielleicht dem Etrusk. od. stellt eine Zusammenziehung der Mittelbuchstaben LMN des lat. Alphabets dar). Heute versteht man unter einem c.E. einen mit chem. Mitteln nicht auftrennbaren chem. Stoff, der zu Verb. zusammentreten u. aus diesen durch chem. Operationen wieder isoliert werden kann. Am Aufbau der bisher bekannten chemischen Verbindungen sind ca. 90 c.E. beteiligt, an dem der ca. 4–6 Mio. org. Verb. jedoch nur höchstens 6, nämlich die mit außerordentlicher Mannigfaltigkeit verbundenen Atome der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, auch Schwefel u. Phosphor; dagegen sind die restlichen Elemente am Aufbau von nur etwa 100000 anorg. Verb. beteiligt. Am biolog. Geschehen nehmen nur wenige essentielle c.E. – einige als sog. Spurenelemente – teil.
Die kleinsten Teilchen eines Elementes, die eben noch die kennzeichnenden Eigenschaften des Elementes verkörpern, heißen Atome. Das Element Wasserstoff hat die leichtesten, die Elemente der Transactinoide haben die „schwersten“ Atome. Die Namen der Elemente sind in der Regel von lat. od. griech. Bez. hergeleitet, nicht selten wurden auch mytholog. Ausdrücke (Cer, Niob, Palladium, Tantal, Thorium, Vanadium) od. das Heimatland des Entdeckers (Gallium, Germanium, Polonium, Ruthenium, Scandium) zur Namensgebung verwendet; zur Benennung der Transurane s. unten. In der chem. Zeichensprache, eingeführt von Berzelius, ordnet man den Elementen nur den ersten Buchstaben des lat. od. griech. Namens als Symbol zu, so dem Wasserstoff H (von Hydrogenium), dem Stickstoff N (von Nitrogenium). Wo Verwechslungen möglich sind, setzt man noch einen weiteren Buchstaben hinzu
Geschichtl.: Kennt man heute mehr als 100 c.E., so führte man im Altertum die Mannigfaltigkeit der belebten u. unbelebten Natur auf das Zusammenwirken einer viel kleineren Zahl von „Elementen“ zurück. So betrachtete z.B. der griech. Philosoph Thales (624–544 v.Chr.) das Wasser, Anaximenes (588–524 v.Chr.) die Luft u. Heraklit (535–475 v.Chr.) das Feuer als den wichtigsten „Grundstoff“ aller Dinge. Die Chinesen unterschieden schon um 600 v.Chr. die 5 „Elemente“ Wasser, Feuer, Holz, Metall u. Erde. Auch Empedokles (484–430 v.Chr.) erkannte Feuer, Wasser, Luft u. Erde als „Elemente“ an. Demgegenüber war nach Aristoteles (384–322 v.Chr.) die Welt aus einem Urstoff (Protyl) aufgebaut, dem die vier Grundeig. „heiß“, „kalt“, „trocken“ u. „feucht“ zuzuschreiben sind. Dieser Urstoff tritt in der Welt stets mit einem Eigenschaftspaar auf, woraus sich die „Elemente“ ergeben, z.B. Feuer = Urstoff + (heiß u. trocken).
Die Alchemisten des Mittelalters definierten Quecksilber, Schwefel u. Salz als weitere „Elemente“, worunter sie freilich nicht die Stoffe im heutigen Sinne sondern Grundeigenschaften verstanden. So sollten das Quecksilber allg. metall. Eigenschaften, der „philosophische“ Schwefel Brennbarkeit u. das „philosophische“ Salz Wasserlöslichkeit u. salzigen Geschmack verursachen. Gegenüber diesen im allg. recht mystischen u. verworrenen, oft mit astrolog. Gesichtspunkten durchsetzten Anschauungen kommen die Element-Definitionen von Jungius u. Boyle der heutigen Auffassung schon wesentlich näher. Man kann diese beiden Forscher daher als Begründer unseres Elementbegriffes betrachten . Eine erste Element-Tafel wurde von Lavoisier in seinem Buch „Traité Elémentaire de Chimie“ in Paris im Revolutionsjahr 1789 veröffentlicht; sie enthielt 21 Elemente, dagegen waren ihm die (schwer darstellbaren) Alkalimetalle noch nicht bekannt. „Aluminiumoxid“, „Baryt“, „Kalk“, „Magnesia“ u. „Quarz“ wurden von Lavoisier irrtümlicherweise als Elemente betrachtet. In der ersten Hälfte des 19.Jh. entdeckte man u.a. mit Hilfe der Schmelzelektrolyse in rascher Folge eine Reihe von weiteren Elementen. Eine besondere Klärung erfuhr der Elementbegriff durch die Aufstellung des Periodensystems. Döbereiner hatte die ihm bekannten Elemente zu Triaden zusammengestellt. Mendelejew u. J. L. Meyer fanden unabhängig voneinander, daß sich die Elemente in Gruppen ähnlicher chem. Eigenschaften zusammenfassen lassen. Die anfangs des 20.Jh. einsetzende Erforschung der Isotopen ergab, daß die meisten Elemente nicht aus einheitlichen, völlig gleichartigen Atomen, sondern aus – meist 2–10 (Sn) – verschieden schweren Isotopen bestehen; man bezeichnet solche Elemente als Mischelemente. Nur 20 Elemente sind Reinelemente (anisotope Elemente), d.h. sie bestehen nur aus einer einzigen Sorte von Atomen. Als Reinelemente kann man prakt. auch Helium, Lanthan u. Wasserstoff auffassen, da der natürlich Anteil eines Isotops hier jeweils mehr als 99,9% beträgt.
Von 1898 an fand man eine Reihe von radioakt. Elementen, so z.B. Radium, Polonium, Actinium u. Protactinium, 1971 im Bastnäsit auch Plutonium (Element 94); zum Stand der Untersuchungen natürlicher radioakt. Elemente s. Lit. . Die Entdeckung der Radioaktivität führte zu einer teilweisen Revision des Elementbegriffs von Boyle u. Lavoisier. Während man noch im 19.Jh. die Elemente für völlig unveränderlich u. „ewig“ hielt, erkannte man in neuerer Zeit, daß sie mehr oder weniger wandelbar sind, denn durch physikal. Operationen, z.B. Elementumwandlung unter dem Einfluß von Partikelstrahlungen (Kernreaktionen), ist die Synth. von c.E. möglich geworden, u. von Zeit zu Zeit wird über solche neuen c.E. berichtet. Früher wurden die noch unbekannten, aber aus den Gesetzmäßigkeiten des Periodensyst. postulierbaren c.E. als sog. Eka-Elemente benannt, die nach ihrer Entdeckung u. Charakterisierung von den Nomenklatur-Kommissionen die heute gültigen Namen zuerteilt bekamen. Heute erhalten die neuentdeckten Transurane zunächst nur ihre Ordnungszahl als Kennzeichen. Bei der endgültigen Namensgebung kommt es gelegentlich zu Differenzen. Zur Erzeugung c.E. über 100 benötigt man Schwerionen-Beschleuniger. Die zuletzt entdeckten Elemente 106–108 wurden allerdings nur in Form von wenigen Atomen erhalten; vom Element 109 wurde gar nur ein einziges Atom einmal für extrem kurze Zeit nachgewiesen. Die Aussichten zur Herstellung superschwerer c.E. werden heute skeptisch beurteilt.
Periodensystem
Bez. für die den Chemikern hilfreiche Tab., in der die Symbole der chemischen Elemente in der Reihenfolge der Ordnungszahlen (Kernladungszahlen) zeilenweise, d.h. „periodisch“ (griech.: periodos = Rundreise) angeschrieben sind. Bildliche Darst. des P. finden sich auf den folgenden Seiten u. in fast allen Nachschlagewerken u. als Wandtafeln mit zusätzlichen Informationen (Elektronenkonfigurationen, Quantenzahlen, photograph. Abb. der Element-Erscheinungsformen etc.).
Derartige Darst., (Perioden- od. Elementtafeln) gehen prinzipiell auf die P.-Vorschläge D. I. Mendelejews, J. L. Meyers u. A. Werners zurück.
Ordnungsprinzipien
• rel. Atommassen
• Atomradien
• Ionisierungsenergien
• chem. Eigenschaften
• chem. Verwandtschaften
Elektronenkonfiguration
Die E. beschreibt die Verteilung der Elektronen in einem Atom od. Mol. über die verschiedenen Einelektronenzustände, die z.B. mit dem Hartree-Fock-Verfahren berechnet werden können. Die Einelektronenzustände werden, wenn möglich, durch Quantenzahlen od. Symmetriesymbole charakterisiert. Bei Atomen verwendet man hierbei die Hauptquantenzahl n u. die Bahndrehimpuls- od. Nebenquantenzahl l. Die Einelektronenzustände mit n=1 od. n=2 u. l=0 (1s u. 2s) sind hierbei mit jeweils 2 Elektronen mit antiparallelem Spin besetzt; im Zustand mit n=2 u. l=1 befindet sich lediglich 1 Elektron
Alkalimetalle
Von arab.: al-qali = salzhaltige Asche von Salicornien abgeleiteter Name für die Elemente der 1. Hauptgruppe des Periodensystems, nämlich
Lithium,
Natrium,
Kalium,
Rubidium,
Cäsium u.
Francium.
Deren Atome besitzen ein einsames Elektron (Valenzelektron) über abgeschlossenen Schalen, weshalb sie in ihren Verb. nur einwertig auftreten. Das schwach gebundene Außenelektron (Leuchtelektron) ist auch verantwortlich für die bei physikal. Anregung auftretende charakterist. Flammenfärbung. Die reinen A. sind sehr unedel, werden an der Luft schnell oxidiert u. reagieren mit Wasser sehr heftig unter Entwicklung von Wasserstoff u. Bildung ihrer Hydroxide; mit Alkoholen bilden sie Alkoholate. Auch A.-Kohlenstoff-Bindungen sind möglich. Weiter sind für A. charakterist.:
Geringe Härte,
geringe Dichte,
niedrige Schmelz- u. Siedepunkte.
Reaktionsfähigkeit nimmt mit steigendem Atomgewicht zu.
Hergestellt werden die A. meist durch Schmelzflußelektrolyse ihrer Salze. Die Reinigung der A. kann am besten durch Dest. erfolgen. Die Stabilisierung von A.-Kationen durch Komplexbildner ist der Schlüssel für die Bildung von A.-Anionen in Alkalid-Salzen. Makrocycl. Verb., die A. zu binden vermögen, kommen auch in der Natur vor; als Carrier od. Ionophore bewirken sie den Transport von A.-Kationen durch die hydrophobe Lipoidschicht der Zell-Membrane.
Erdalkalimetalle
Sammelbez. für die in der 2. Hauptgruppe des Periodensyst. stehenden Metalle
Calcium,
Strontium u.
Barium;
häufig wird auch das Magnesium dazu gezählt, während das ebenfalls in der 2. Hauptgruppe stehende, in seinen Eig. mehr dem Al (Schrägbeziehung!) ähnelnde Beryllium u. das Radium zwar zur Erdalkali-Gruppe, nicht aber zu den eigentlichen E. gerechnet werden. Sie gehören (außer Ra) zu den Leichtmetallen, da ihr spezif. Gew. unter 5 liegt. Die reinen Elemente sind graue bis weiße, an frischen Schnittflächen glänzende, schnell oxidierende Metalle. Ba ist etwa so weich wie Blei, die übrigen E. sind härter. Die E. besitzen in ihren Elektronenschalen zwei Valenzelektronen u. treten daher zweiwertig auf. Wie die Alkalimetalle bilden auch die E. Komplexe mit Kronenethern u. Kryptanden. Die physiolog. Bedeutung der E. ist unterschiedlich:
Calcium wichtige Rolle im Organismus (Knochenaufbau etc.)
lösl. Strontium-Verb. medizin. Verw. finden (allerdings Ca ggf. verdrängen)
lösl. Barium-Verb. giftig.
Die charakterist. Flammenfärbungen von Ca, Sr u. Ba können zum Nachw. herangezogen werden u. dünnschichtchromatograph. Meth. zur Trennung . Die Herst. der E. erfolgt durch Schmelzelektrolyse bzw. durch Reduktion (z.B. aluminotherm.) der entsprechenden Oxide (BaO, RaO).
Chalkogene
Von Chalko... u. ...gen abgeleitet u. mit Erzbildner übersetzbare Bez. für die Elemente
O,
S,
Se,
Te
der 6. Hauptgruppe des Periodensyst.; das Polonium rechnet man im allg. nicht zu den C. Die C. sind durchweg
Nichtmetalle;
ihr elektrogneg. Charakter nimmt ab,
umgekehrt (von O zu Te) erhöhen sich
metall. Charakter,
elektr. Leitfähigkeit,
Dichte,
Schmelzpunkt u. Siedepunkt.
Halogene
(griech.: Salzbildner; d.h. chem. Elemente, die mit Metallen direkt Salze bilden). Als H. bezeichnet man die Elemente der 7. Hauptgruppe des Periodensystems mit den Ordnungszahlen 9, 17, 35, 53 u. 85, nämlich
Fluor,
Chlor,
Brom,
Iod u.
Astat.
Wie die Tab. zeigt, nehmen bei den H. mit steigendem Atom-Gew.
die Dichte(bei Fluor bis Brom für das verflüssigte Element angegeben) zu,
die Schmp. u. die Sdp. erhöhen sich,
die Farbe vertieft bzw. verstärkt sich
Die H. sind einwertig u. stark elektroneg., da sie in ihren äußeren Schalen 7 Elektronen haben, die sich unter Aufnahme von je einem Elektron u. Bldg. der Halogenide leicht zur Edelgasschale ergänzen. Chlor tritt daneben noch in den
Oxid.-Stufen
Cl +1 bis +7,
Brom 0, +1, +3 u. +5,
Iod 0, +1, +3, +5 u. +7
u. Astat 0, +1, +3, +5 u. +7 auf.
Mit modernen präparativen Meth. hat man jedoch in jüngster Zeit auch Verb. hergestellt, in denen bes. Fluor, Brom u. Iod noch in anderen, meistens recht unbeständigen Oxid.-Stufen auftreten; in Interhalogen-Verb. können sog. hypervalente Moleküle vorliegen. Die für die H. charakterist. Affinität zu Wasserstoff nimmt vom Fluor zum Iod hin ab; die sich in Wasser zu Säuren lösenden Wasserstoff-Verb. nennt man Halogenwasserstoffe, deren Salze Halogenide. Ein Gemisch von Fluor u. Wasserstoff explodiert bereits im Dunkeln, dagegen erfolgt die Reaktion zwischen Iod u. Wasserstoff zu Iodwasserstoff nur bis zu einem bestimmten Gleichgew. Dieser Abnahme der Affinität zu elektropos. Elementen steht die Zunahme der Affinität zu elektroneg. Elementen gegenüber. So erklärt es sich, daß z.B. die Oxide des Iods die beständigsten Halogenoxide darstellen u. als einzige derartige Verb. exotherme Substanzen sind. Auch sonst nimmt die oxidierende Wirkung der H. vom Fluor zum Iod hin ab, die der entsprechenden Halogenwasserstoffe dagegen nimmt zu. Eine derartige stufenweise Änderung der chem. u. physik. Eig. läßt sich auch bei anderen H.-Verb. beobachten. Die H. wirken in unterschiedlichem Maße giftig u. ätzend. In elementarer bzw. locker gebundener Form fanden od. finden sie noch Anw. als Desinfektionsmittel; korrosive u. nicht selten allergisierende Eig. stehen weiterer Verw. im Weg.
Nachw.: Zum qual. u. quant. Nachw. der H. in org. u. anorg. Substanzen sind zahlreiche Meth. entwickelt worden, deren Beschreibung hier nicht möglich ist. Sie sind häufig nach ihrem Entdecker benannt.
Herst.: Die techn. Gewinnung der H. beruht teils auf elektrolyt. Verf. (F, Cl), teils auf chem. Oxid.-Reaktionen der entsprechenden Halogenide.
Edelgase
Zur Edelgas-Gruppe gehören die sechs
gasf.,
einatomigen,
geruchlosen,
farblosen Elemente
Helium (He),
Neon (Ne),
Argon (Ar),
Krypton (Kr),
Xenon (Xe)
Radon (Rn).
Sie stehen in der achten bzw. nullten Hauptgruppe des Periodensystems. Bez. E. ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß sich diese Elemente (ähnlich wie die Edelmetalle) chem. träge verhalten. Ihre Nullwertigkeit ist nach Kossel auf die vollständig mit Elektronen aufgefüllten äußeren Elektronenschalen zurückzuführen. Diese jeweiligen Außenelektronenschalen sind äußerst stabil. Nach der Elektronentheorie der Valenz sollte deshalb die Existenz von Verb. der E. nicht möglich sein. In einigen seltenen Fällen hat man jedoch schon früher unter bes. Bedingungen die Bldg. von „E.-Verb.“ feststellen können; hier handelt es sich aber nicht um die Bestätigung normaler Wertigkeiten, sondern um Einschlußverbindungen od. um die Betätigung von Dipolkräften. Seit 1962 weiß man, daß sehr wohl echte Verb. der E. existieren können; zu den frühsten Vertretern gehörten Fluoride u. Oxidfluoride. Die E. sind trotz der Existenz von Verb. mit chem. Mitteln kaum zu unterscheiden; wohl aber gibt es deutliche physikal. Unterschiede
Litergew.,
Schmelzpunkten,
Siedepunkten
Spektren.
Die E. sind unter gewöhnlichen Bedingungen u. bei niedrigen Feldstärken zwar sehr gute Nichtleiter, doch läßt sich bei ihnen die Glimmentladung mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen zünden. Bei Helium-Füllung strahlt die Verengung der Plücker-Röhre ein intensiv gelbes, bei Neon scharlachrotes, bei Argon rotes, bei Krypton grünliches (bis lilafarbenes), bei Xenon violettes u. bei Radon hellweißes Licht aus. Der. E.-Nachw. erfolgt meist mit Hilfe der Spektralanalyse; als modernes analyt. Verf. für die qual. Trennung u. Best. der E. findet die Gaschromatographie Anwendung.
Verw.: Als Inertgase (in Stahlflaschen oder flüssig gelagert) in der Lichttechnik zur Füllung von Gasentladungslampen u. Glühbirnen, für Excimer- u.a. Laser, als Kühlflüssigkeit für supraleitende Magnete etc.
Metalle
(von griech. metallon = Bergwerk). Diejenigen chemischen Elemente, die im Periodensystem links von diagonalen Trennungslinien zu den Nichtmetallen, beginnend von links oben mit dem Element Beryllium (II. Hauptgruppe) bis hin nach rechts unten zum Polonium (VI. Hauptgruppe), stehen, sowie deren Legierungen u. intermetallische Verbindungen. Die Grenze zwischen den M. u. Nichtmetallen ist jedoch fließend, da die Elemente Ce, Sn, As u. Sb sowohl metall. als auch nichtmetall. Modifikationen besitzen. Der Zusammenhalt im Metallgitter (Kristallgitter) entsteht durch die sog. Metallbindung. Die Ladung der Metall-Ionen ist durch die Zahl der abgegebenen Valenzelektronen bedingt u. entspricht im allg. der Gruppennummer des Metalls im Periodensystem. Bei der Metallbindung liegen – wie bei der Ionenbindung – keine gerichteten Kräfte vor, so daß sich die Anziehung zwischen Elektronen u. Metall-Ionen nicht auf 2 Atome beschränkt, sondern daß im Metallgitter die Metall-Ionen in ein „Elektronengas“ eingebettet sind, das sich prakt. frei bewegen kann. Die Zustände der Elektronen liegen dabei in sog. Energiebändern. In Metallclustern liegen sog. homonucleare, d.h. echte M.-M.-Bindungen zwischen gleichen M. vor ; derartige Aggregate sind auch im Dampfzustand bekannt . Die leichte Beweglichkeit des Elektronengases bedingt den metall. Charakter, u.a. die elektr. Leitfähigkeit der M. (elektrische Leiter 1. Ordnung) mit neg. Temp.-Koeff. Bei sehr tiefen Temp. besitzen zahlreiche M. die Fähigkeit, den elektr. Strom widerstandsfrei zu leiten (Supraleitung). Manche M. höherer Elektronegativität besitzen Halbleiter-Eig. auch od. bes. im flüssigen Zustand.
Eng verbunden mit der elektr. Leitfähigkeit sind zwei andere charakterist. Eig. der M.:
sehr gute Wärmeleitfähigkeit
das hohe Absorptions- u. Reflexionsvermögen für sichtbares Licht
typ. Metallglanz
lichtundurchlässig
lassen sich im allg. durch Walzen, Ziehen, Pressen, Schmieden etc. gut verformen.
Einige M. u. Leg. (Eisen, Cobalt, Nickel, schwere Seltenerdmetalle) sind Ferromagnetika u. magnetische Werkstoffe. Weitere Charakteristika der M. sind ihre Unlöslichkeit in allen anorg. (Ausnahme ggf. NH3) u. org. indifferenten Lsgm. außer in flüssigen M., mit denen sie mit Ausnahmen (Tammann-Regel) intermetall. Verb. bilden, die Fähigkeit zur Salzbldg. mit Säuren u. ihre überwiegende Einatomigkeit im Dampfzustand. Die Oxide der niederen Wertigkeitsstufen der M. haben in wäss. Syst. bas. Charakter, die der höheren Wertigkeitsstufen liefern Säuren u. einige reagieren amphoter. Innerhalb des Periodensystems unterscheidet man aufgrund des Atombaus zwischen Hauptgruppenelementen u. Nebengruppen- od. Übergangsmetallen. Nach physik. Gesichtspunkten stellt man den echten M. die Halbmetalle u. Nichtmetalle gegenüber; die Elemente
Be
Zn
Cd
Hg
In
Tl u.
Pb werden wegen ihrer speziellen Leitfähigkeits- u. Schmelzeig. (selten) als Metametalle bezeichnet. Den Metallzustand bringt man mit der Tatsache in Verb., daß in M. der Atomabstand (Kernabstand, s.a. Packungsdichte) bes. klein ist, u. dementsprechend lassen sich Flüssigkeiten u. Gase durch Anw. sehr hoher Drücke in den metallähnlichen Zustand versetzen. Submikroskop. sind M. im Normalzustand aus Kristallen aufgebaut. Am häufigsten findet sich das kub. Kristallsyst. (Li, Na, Cu, Ag, Au, Al, Ta, Pb, V, Cr, W, Mn, Fe, Co, Ni usw.), tetragonal krist. Sn, hexagonal Mg, Zn, Cd, Be, rhomboedr. Elementarzellen treten beim Sb u. Hg auf. Durch extrem rasche Abkühlung aus der Schmelze läßt sich bei geeigneten Leg. der amorphe Zustand realisieren, vgl. metallische Gläser. Die mikroskop. Struktur von M. wird als Gefüge bezeichnet. Deren Unters. ist Aufgabe der Metallographie.
Viele M. (z.B. K u. Na, die Seltenerdmetalle, die Platin-Metalle) zeigen untereinander weitaus größere Ähnlichkeiten, als man sie unter den Nichtmetallen antrifft. Nach der Affinität zum Sauerstoff u. der Oxid.-Neigung unterscheidet man zwischen
Edelmetallen (Ag, Pd, Pt, Ir, Os usw.),
Halbedelmetallen (Sn, Ni, Cu usw.)
unedlen Metallen (Fe, Mn, Zn, Mg, Al, Cu, Na usw.)
Nach der Dichte teilt man die M. in Leichtmetalle u. Schwermetalle ein. Von den bisher bekannten chem. Elementen zählen etwa 80% zu den M. u. von diesen haben etwa zwei Dutzend techn. Bedeutung. In Metall-Ind. u. -Handel unterscheidet man aus Zweckmäßigkeitsgründen Eisen u. Stahl einerseits u. die Nichteisenmetalle andererseits; innerhalb der letzteren lassen sich noch (mit Überschneidungen) die Gruppen der Buntmetalle, Seltenen Metalle u. Stahlveredler definieren.
Im Organismus üben M. vielfältige Funktionen aus: Na u. K sind an der Nervenleitung beteiligt. Ca hat außer im Knochengerüst auch Funktionen im Stoffwechsel u. bei der Muskelbewegung. Mg, Zn, Fe, Cu, Mn, Mo sind als Metallproteine in prosthet. Gruppen an vielen enzymat. Prozessen beteiligt u. selbst potentiell tox. Elemente wie Se, As od. Cr sind essentiell . Andererseits können manche M. bei empfindlichen Personen Allergien auslösen. Außerdem können giftige M. infolge Inkorporation in pflanzlichen od. tier. Organismen in schädlichen Mengen in die Nahrungskette gelangen; andere werden als Staub aus Kohlekraftwerken emittiert. Eine Reihe von M. stehen im Verdacht, Carcinogene u./od. Mutagene zu sein.
Metallgitter
Stabile Strukturordnung des metall. Festkörpers. Aufgrund der Bindungskräfte in Metallen streben die Atome größte Packungsdichte an. Realisiert wird dies durch Krist. in dichtestgepackten Gittertypen. Als Gitter wird eine in allen Richtungen period. Atomanordnung bezeichnet, erreicht durch Translation der Einheitszelle in allen Gitterhauptrichtungen um den jeweiligen Betrag der Zellenabmessung (Gitterparameter). Jeder Gitterpunkt hat damit auch in größeren Bereichen eine ident. Umgebung (Fernordnung). Das Gitter unterscheidet sich damit vom amorphen Zustand, bei dem allenfalls eine Nahordnung vorliegt, also Identität nur in unmittelbarer Nachbarschaft. Die überwiegende Anzahl der Metalle krist. in kub. einfachen Syst. Viele Eig. sind anisotrop, d.h. hängen von der Richtung im Gitter ab. Gitter entstehen ausgehend von Keimen bei einer Unterkühlung der Schmelze. Bei den meisten Metallen bleibt der dabei gebildete Gittertyp bis zu tiefen Temp. hin stabil. Einzelne Metalle zeigen dagegen polymorphes Verhalten, d.h. es kommt in Abhängigkeit von der Temp. aus thermodynam. Gründen zur Umstrukturierung. Diese erfolgt zumeist als Umklappvorgang (Scherung) mit nur geringen Umlagerungswegen der beteiligten Atome. Ein ideales, d.h. fehlerfreies Gitter wird bei Metallen nur in Ausnahmefällen realisiert. Derartige Einkrist. weisen eine extrem geringe Fehlerdichte u. damit verbunden sehr hohe Festigkeitskennwerte auf. Techn. angewendete Metalle sind dagegen durch eine hohe Dichte unterschiedlicher Gitterbaufehler gekennzeichnet, durch die die Eig. des Festkörpers wesentlich beeinflußt werden. Man unterscheidet hierbei nach den Fehlerabmessungen in den drei Raumrichtungen. Zur Gruppe der nulldimensionalen Fehler (Punktfehler) zählen Leerstellen u. Zwischengitteratome; eine Kombination aus beiden wird als Frenkel-Defekt bezeichnet. Punktfehler stehen im thermodynam. Gleichgew. mit dem Gitter. Eindimensionale Fehler (Linienfehler) bestimmen maßgeblich das mechan. Verhalten; zu ihnen zählen die Versetzungen (Schrauben-Versetzungen u. Stufen-Versetzungen). Beisp. für zweidimensionale Fehler (Flächenfehler) sind Stapelfehler, Phasengrenzen, Antiphasengrenzen, Zwillinge u. Korngrenzen (Grenzflächen zwischen zwei benachbarten, unterschiedlich orientierten Krist. im vielkrist. Festkörper). Unter dreidimensionalen Fehlern schließlich versteht man makroskop. Fehler wie Trennungen, Risse usw. Die feste Lsg. einer anderen Atomart in einem M. wird als Mischkristall bezeichnet; die hierdurch zwangsläufig bewirkten Gitterverzerrungen beeinflussen in bes. Maß die mechan. Eigenschaften.
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