Werkstoffe

Die Nutzung der Werkstoffe zieht sich durch die gesamte Geschichte der Menschheit. Wir nutzen Holz und Stein für die frühesten Werkzeuge (Faustkeile, Schaufeln, Werkzeuge für die Feldarbeit , Hammer, usw.) und Nutzstücke (Körbe, Töpfe, Waffen, usw.). Der erste künstlich hergestellte Werkstoff war die Keramik, die wir seit 8000 Jahren verwenden. Metalle wurden anfangs nur in der gediegenen Form verwendet, in der sie auf der Erdoberfläche gefunden wurden.

Heute sind die Auswahlmöglichkeiten schier unbegrenzt. Rohre werden beispielsweise aus Keramik, Beton, Stahl, aus verschiedenen Metallen wie Kupfer oder Aluminium, aus Bambus, Glas, verschiedenen Kunststoffen oder Gummi angeboten.
Nach welchen Kriterien sucht man da aus?

Die heute genutzten Werkstoffe stammen von Naturstoffen, deren Verfügbarkeit unsere Lebensqualität bestimmt. So sind die Werkstoffe, die aus Erz oder Erdöl hergestellt werden, nicht unendlich verfügbar. Wir müssen sparsam mit ihnen umgehen und uns zeitnah Ersatzstoffe bereitstellen. Recycling spielt in der Werkstoffnutzung eine große Rolle.

Der verantwortungsvolle Umgang mit den Ressourcen unseres Planeten ist für die Erhaltung unseres Lebens-standards unabdingbar. Die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen muss die Technik der Zukunft sein!

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Die chemische Bindung

Warum sind manche Stoffe fest und andere gasförmig oder flüssig? Weshalb zeigen manche Stoffe ein Farbigkeit, während andere farblos erscheinen? Warum reagieren bestimmte Stoffe miteinander und andere kann man zusammen lagern, ohne dass Interaktionen geschehen? Wasser ist ein gutes Lösungsmittel, aber nicht für alle Stoffe. Wieso?
Die Antworten auf diese Fragen kann man mit chemischen Bindung erklären, die den beteiligten Teilchen zu Grunde liegt! Sie bestimmt das chemische Verhalten, stoffliche Zustände und die äußere Erscheinung der Stoffe.

Chemische Bindungen beruhen auf der Annäherung von Atomen. Die dabei gewonnene Nähe führt zur unmittelbaren Anziehung von unterschiedlichen Ladungen. Kerne ziehen Elektronen anderer Atome ebenso an, wie ihre eigenen Elektronen. Die Außenelektronen fremder Atome sind dabei am meisten beeinflussbar.

Nach der Annäherung kommt es zur Durchdringung der Atomhüllen und damit zur Ausbildung von gemeinsamen Bereichen. Dort gibt es keine Zugehörigkeit von Elektronen zu ihrem Kern mehr. Die Elektronen – immer zwei – werden nun gemeinschaftlich genutzt. Es bilden sich gemeinsame „Elektronenpaare“ aus. Es entsteht die Elektronenpaarbindung oder Atombindung.

Nähern sich zwei Partner mit unterschiedlichen Anziehungskräften (EN -Werten), so entsteht eine polare Atombindung. Hier werden die Elektronen des schwächeren Partners (kleinerer EN Wert) stärker vereinnahmt und es entstehen Moleküle mit nach außen wirkenden Ladungsbereichen. Dies hat auf Löslichkeiten und den Aggregatzustand Auswirkungen.

Bei zu hoher Anziehungskraft eines Partners – Elektronegativität – können die Außenelektronen auch vollständig in die Hülle des stärkeren Atoms wechseln. Es entsteht dann Ionen. Diese Bindungsart nennt man Ionenbeziehung.
Unterscheiden sich zwei Atomarten in ihrer Elektronegativität (EN) um 1,7 oder mehr, so ist die Ionenbildung sehr wahrscheinlich. Bei Natrium (EN= 0,9) und Chlor (EN=3,0) beträgt der Unterschied 2,1. Wir kennen die Verbindung von Natrium und Chlor als Natriumchlorid, dem Kochsalz.

Weitere Bindungsanalysen

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Hydroxide – Basen

Transportkennzeichen NaOH

Die Gruppe der Hydroxide wird durch ihren wichtigsten Vertreter – das Natriumhydroxid – bestimmt. Es sind salzähnliche Stoffe – Ionensubstanzen – , die das Hydroxidion \( (OH^- ) \) enthalten. Gut wasserlösliche Basen wie NaOH oder KOH bilden starke, ätzende Laugen, die den Indikator UNITEST blau färben. Des weiteren wären Ätzkali (Calciumhydroxid), Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid zu nennen, die von medizinischer und bautechnischer Bedeutung sind.

Gebildet werden die Basen (Hydroxide) durch die Reaktion von Metalloxiden mit Wasser.

\( Metalloxid + Wasser –> Metallhydroxid \)

Kaliumhydroxid (KOH) ist Hauptbestandteil von Reinigern für Oberflächen aus Edelstahl in Großküchen oder Anhaftungen und Verkrustungen an Grills und Backöfen. Die Fähigkeit organische Stoffe anzugreifen wird hier ausgenutzt. Das hygroskopische, weiße, feste und sehr gut wasserlösliche Kaliumhydroxid dient weiterhin zur Herstellung von Schmierseifen und Flüssigseifen.

Das weiße, schlecht lösliche Bariumhydroxid \( Ba(OH)_2 \) diente bis ins 18. Jahrhundert zur Herstellung von Eis. Seine Reaktion mit Wasser ist stark endotherm. Das ermöglichte eine Lagerung von Lebensmitteln auch in Gegenden, die ohne den obligatorischen Eiskeller der damaligen Zeit auskommen mussten. Bis heute hingegen nutzt man Bariumhydroxid als Zusatzstoff bei der Herstellung von optischem Glas . Dort sorgt für veränderte Strahlungsdurchlässe in TV-Glasscheiben, Sonnenbrillen und Fensterscheiben. und Im Labor des Chemikers dient es als Barytwasser zum qualitativen Nachweis von Kohlendioxid und Carbonaten.

Magnesiumhydroxid \( Mg(OH)_2 \) kommt in der Natur als Mineral Brucit vor. und wird vorallem zur Herstellung von Magnesiumoxid verwendet. In der Medizin findet es als Mittel zur Neutralisation von überschüssiger Magensäure und als leichtes Abführmittel Anwendung. Speiseöl wird es zur Entfernung von Schwefeldioxid zugesetzt. In der Abwassertechnik ist es ein Flockungsmittel. Als Lebensmittelzusatzstoff E 528 wird es Kakaoprodukten zugemischt. Es dient hier als Säureregulator und Aufschlussmittel,

Aluminiumhydroxid \( Al(OH)_3 \) ist das weltweit bedeutendste Flammschutzmittel, es zeigt hierbei eine sehr gute Rauchgasunterdrückung bei niedriger Dichte. Bei über 200°C wird aus dem Mineral Wassser abgespalten. Das feste, weiße und schlecht wasserlösliche salzartige Substrat wird in der Natur im Mineral Bauxit AlO(OH) als Gibbsit, Bayerit und Nordstrandit gefunden. 95% des Bauxits werden jedoch zur Aluminiumproduktion benutzt. Aluminiumhydroxid wird weiterhin zur Ummantelung des Minerals Titanoxid benutzt, welches in Sonnenschutzcremes eingesetzt wird, als Mittel zur Bekämpfung überschüssiger Magensäure, initiiert den Gewebsreiz als Bestandteil von Impfstoffen und darf dort in der EU zu 1250 µg in einer Dosis enthalten sein.

1933 wurde Calciumhydroxid \( Ca(OH)_2 \) als Mineral gefunden und erhielt den Namen Portlandit, wegen seiner Ähnlichkeit zum synthetisch erzeugten Portlandzement. Das Mineral ist selten zu finden und hat deshalb bergbautechnisch keine Bedeutung. Man stellt den dringend benötigten Löschkalk, so heißt die Base, durch das Kalklöschen nach dem Kalkbrennen aus dem dabei entstehenden Produkt Branntkalk CaO her. Das Calciumhydroxid wird nämlich hauptsächlich zur Herstellung von Mörtel verwendet. Wie auch Magnesium- oder Aluminiumhydroxid wird Calciumhydroxid als Mittel gegen überschüssige Magensäure eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind die Zahnmedizin, wo es zur Desinfektion und zur Anregung der Dentinbildung eingesetzt wird. Als Säureregulator in der Lebensmittelindustrie (E 526) und es entfernt als Atemkalk das Kohlendioxid aus Narkose- und Atemgeräten.

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Kohlenwasserstoffe

Chemische Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen bilden die große Gruppe der Kohlenwasserstoffe (KW). Zu dieser Gruppe gehören ca. 2,5 Millionen bekannte Verbindungen. Sie sind in der Kohlenstoffchemie – der organischen Chemie – beheimatet, die von Antoine Laurent de Lavoisier  erstmals beschrieben und von Justus von Liebig und Friedrich Wöhler begründet wurde.

Die große Vielfalt der Kohlenstoffchemie beruht auf der 4-Bindigkeit des Kohlenstoffs. Kohlenstoff kann mit 4 weiteren Atomen eine Verbindung eingehen.

Er bildet ketten- und ringförmige und auch kombinierte Moleküle aus.

Hier das Modell von Methan \( CH_4 \) dem einfachsten Kohlenwasserstoff. Seine Moleküle bestehen nur aus einem Kohlenstoffatom, an das 4 Wasserstoffatome gebunden sind.

Kettenförmige Moleküle kommen beispielsweise im Erdöl vor und können dort über 80 Kohlenstoffatome in einer Reihe aufweisen. Die Bindungswinkel aus dem Methan bleiben erhalten, so entstehen diese seltsamen Kohlenstoffskelette.

Dieser Stoff heißt Tetradekan und gehört zu den höheren Alkanen.

Ringförmige Strukturen findet man natürlich im Erdöl, aber auch in Alltagschemikalien wie Traubenzucker oder unserem Haushaltszucker sind so komplexe Moleküle zu finden.


Das ist das Molekül des Traubenzuckers ( \( C_6 H_{12} O_6 ) \). Die roten Kugeln stellen die Sauerstoffatome dar.
Die Besonderheit ist das Sauerstoffatom als Teil des Kohlenstoffringes.

Die Modelle kann man bei www.molview.org erstellen.

Alle Tiere und Pflanzen bilden solche Stoffe, die wir als Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette, Aromastoffe, Düfte oder Enzyme kennen. In der Erdkruste finden wir Erdöl und Erdgas die „fossilen Kohlenwasserstoffe“. Das sind Stoffgemische aus vielen Kohlenwasserstoffen, deren Bestandteile wir zum Beispiel als Benzin oder Diesel nutzen. Aber auch Medikamente, Kunststoffe und viele weitere Produkte werden aus dem „flüssigen Gold“ -wie das Erdöl genannt wird- hergestellt.

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