02 Chemie und Werkstoffkunde - ibn.chibn.ch/HomePageSchule/Schule/GIBZ/02_Chemie_u_Werkstoffkunde/02... · Ionen-, Metallbindung - Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen: Entstehung,

BET BEARBEITUNGSTECHNIK 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE

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Kapitel 2

Chemie und Werkstoffkunde

Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe: Juni 2010

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 2 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE

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2 Chemie und Werkstoffkunde

SÄUREN UND BASEN

sauer neutral alkalisch

PH-Wert

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Eine wichtige Aufgabe der Chemie besteht darin, aus Rohstoffen (natürlichen Stoffen) neue Stoffe mit möglichst grossen Rein-heitsgrad herzustellen.

Recycling

Bearbeitet durch: Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1 8772 Nidfurn Telefon 055 654 12 87 P Telefax 055 654 12 88 P E-Mail [email protected] Web www.ibn.ch

3. Auflage 19. November 2010


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Inhaltsverzeichnis

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

BiVo 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: (For-

men, 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 Stoffumwandlungs-vorgang

- 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


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2.5.4 Dichte 2.5.5 Die Härte 2.5.6 Bearbeitbarkeit 2.5.7 Korrosionsbeständigkeit 2.5.8 Isolationswiderstand 2.5.9 Durchschlagfestigkeit 2.5.10 Die Dielektrizitätszahl 2.5.11 Wärmebeständigkeit

2.6 Oxidation und Reduktion 2.6.1 Die Stärke von Oxidations- und Reduktionsmittel

2.7 Korrosion und Korrosionsschutz

2.8 Die Elektrolyse

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

2.1.5 Reihenfolge aller Umweltschutzmassnahmen

- Vermeiden – Vermindern – Verwerten – Ent-sorgen

- Recycling-Verfahren und -Organisation: Alt-metall; Batterien; Geräte; Lampen

- Entsorgung von Elektrogeräten nach VREG) TG Technologische Grundlagen EST Elektrische Systemtechnik KOM Kommunikationstechnik


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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 : Holz, Wasser, Milch, Zucker, Kochsalz künstliche Stoffe : Leim, Cola, Kaugummi, Assugrin, Zement In der Chemie werden die Stoffe nach ihrer Zusammensetzung und ihren chemischen Eigenschaften in Stoffklassen eingeteilt:

Stoffe

Reinstoffe

Elemente

Metalle

Beispiele

edel Gold, Silber, Platin

halbedel Kupfer, Quecksilber

unedel Aluminium, Eisen, Zink

Halbmetalle Silizium, Germanium

Nichtmetalle Schwefel, Iod

Verbin-dungen

Säure Salzsäure, Schwefelsäure

Lauge Natronlauge

Hydroxid Natriumhydroxid

Oxid Schwefeldioxid

Salz Kochsalz

Alkan Methan, Propan, Butan

Ether Schwefelether

Fett Kokosfett

Eiweiss Hühnerei

Kunststoff Plexiglas, Nylon

Stoff-Gemische

heterogen

Gemenge Geröllhaufen

Paste Zahnpasta

Suspension Tusche

Emulsion Fettsauce

Schaum Schlagrahm

Rauch Zigarettenrauch

Nebel Kühlflüssigkeit

homogen

Legierungen Messing, Bronce, Münzen

Lösungen Zuckerwasser

Gasgemisch Luft, Furz, Knallgas

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 6 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE

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2.1.2 Chemische Gruppen, chemische Elemente, Atome

Periodensystem der Atome1 2 Tabelle 2 3 4 5 6 7 8

1 Erdalkali- Übergangs- 41 H Halogene Metalle Metalle Metalle He

Wasserst of f Helium

K 1 1 2 2

7 2 9 11 12 14 16 19 20

2 K 2 Li 2 Be RadioaktivRadioaktivRadioaktivRadioaktiv 2 B 2 C 2 N 2 O 2 F 2 NeLihium Berylium Innere Bor Kohlenst of f St ickst of f Sauerstof f Fluor Neon

L 1 3 4 Übergangs- 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10K 2 23 2 24 Nichtmetall Edelgase Alkalimetalle Metalle 2 27 2 28 2 31 2 32 2 35 2 40

3 L 8 Na 8 Mg 8 Al 8 Si 8 P 8 S 8 Cl 8 ArNat rium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwef el Chlor Argon

M 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 181a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 8 40 8 45 8 48 8 51 8 52 8 55 8 56 8 59 8 58 8 63 8 64 8 69 8 72 8 75 8 80 8 79 8 844 M 8 K 8 Ca 9 Sc 10 Ti 11 V 13 Cr 13 Mn 14 Fe 15 Co 16 Ni 18 Cu 18 Zn 18 Ga 18 Ge 18 As 18 Se 18 Br 18 Kr

Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupf er Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypt on

N 1 19 2 20 2 21 2 22 2 23 1 24 2 25 2 26 2 27 2 28 1 29 2 30 3 31 4 32 5 33 6 34 7 35 8 36M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132

5 N 8 Rb 8 Sr 9 Y 10 Zr 12 Nb 13 Mo 13 Tc 15 Ru 16 Rh 18 Pd 18 Ag 18 Cd 18 In 18 Sn 18 Sb 18 Te 18 I 18 XeRubidium St ront ium Yt t r ium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rut her ium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Ant imon Tellur Jod Xenon

O 1 37 2 38 2 39 2 40 1 41 1 42 2 43 1 44 1 45 0 46 1 47 2 48 3 49 4 50 5 51 6 52 7 53 8 54N 18 133 18 138 18 139 32 180 32 181 32 184 32 187 32 192 32 193 32 195 32 197 32 202 32 205 32 208 32 209 32 210 32 210 32 222

6 O 18 Cs 8 Ba 9 La 58 10 Hf 11 Ta 12 W 13 Re 14 Os 15 Ir 17 Pt 18 Au 18 Hg 18 Tl 18 Pb 18 Bi 18 Po 18 At 18 RnCäsium Barium Lanthan bis Haf nium Tant al Wolf ram Rhenium Osmium Ir idium Plat in Gold Quecksilber Thallium Blei Bismut h Polonium Astat Radon

P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86O 18 223 18 226 18 227 32 260 32 161

7 P 8 Fr 8 Ra 9 Ac 90 10 Ku 10 HaFrancium Radium Act inium bis Kut schat owium Hanium

Q 1 87 2 88 2 89 103 2 104 3 105 106

N 19 140 21 141 22 142 23 145 24 152 25 151 25 158 26 159 27 164 28 165 29 166 31 169 32 174 32 1776 O Lanthaniden 9 Ce 8 Pr 8 Nd 8 Pm 8 Sm 8 Eu 9 Gd 9 Tb 9 Dy 9 Ho 9 Er 8 Tm 8 Yb 9 Lu

( M et al le d er selt enen Erd en) Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Yt t erbium Lut et ium

P 2 58 2 59 2 60 2 61 2 62 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 2 68 2 69 2 70 2 71O 18 232 20 231 21 238 22 237 24 242 25 243 25 247 27 249 28 251 29 255 30 253 31 256 32 251 32 247

7 P Actiniden 10 Th 9 Pa 9 U 9 Np 8 Pu 8 Am 9 Cm 8 Bk 8 Cf 8 Es 8 Fm 8 Md 8 No 9 Lr( U ran- M et al le) Thorium Prat act inium Uran Nept unium Plut onium Americium Cerium Berkelium Calif ornium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium

Q 2 90 2 91 2 92 2 93 2 94 2 95 2 96 2 97 2 98 2 99 2 100 2 101 2 102 2 103

Chemisches Element ist die Sammelbe-zeichnung für alle Atomarten mit der-selben Anzahl an Protonen im Atom-kern. Somit haben alle Atome eines chemi-schen Elements dieselbe Kernla-dungszahl (auch Ordnungszahl). Die Elemente werden im Periodensystem nach steigender Kernladungszahl angeordnet.


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2.1.3 Periodentafel der Elemente

Periodensystem der Atome1 2 Tabelle 1 3 4 5 6 7 81 4

1 H RadioaktivRadioaktivRadioaktivRadioaktiv HeWasserst of f Helium

K 1 1 Halbmetall Schwermetall Metalle Edelmetalle 2 2

7 2 9 11 12 14 16 19 202 K 2 Li 2 Be 2 B 2 C 2 N 2 O 2 F 2 Ne

Lihium Berylium Bor Kohlenst of f St ickst of f Sauerst of f Fluor Neon

L 1 3 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10K 2 23 2 24 Nichtmetall Edelgase Leichtmetall Halbedel 2 27 2 28 2 31 2 32 2 35 2 40

3 L 8 Na 8 Mg 8 Al 8 Si 8 P 8 S 8 Cl 8 ArNat r ium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwef el Chlor Argon

M 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 181a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 8 40 8 45 8 48 8 51 8 52 8 55 8 56 8 59 8 58 8 63 8 64 8 69 8 72 8 75 8 80 8 79 8 844 M 8 K 8 Ca 9 Sc 10 Ti 11 V 13 Cr 13 Mn 14 Fe 15 Co 16 Ni 18 Cu 18 Zn 18 Ga 18 Ge 18 As 18 Se 18 Br 18 Kr

Kalium Kalzium Scandium Tit an Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupf er Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypt on

N 1 19 2 20 2 21 2 22 2 23 1 24 2 25 2 26 2 27 2 28 1 29 2 30 3 31 4 32 5 33 6 34 7 35 8 36M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132

5 N 8 Rb 8 Sr 9 Y 10 Zr 12 Nb 13 Mo 13 Tc 15 Ru 16 Rh 18 Pd 18 Ag 18 Cd 18 In 18 Sn 18 Sb 18 Te 18 I 18 XeRubidium St ront ium Yt t r ium Zirkon Niob Molybdän Technikum Ruther ium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Ant imon Tellur Jod Xenon

O 1 37 2 38 2 39 2 40 1 41 1 42 2 43 1 44 1 45 0 46 1 47 2 48 3 49 4 50 5 51 6 52 7 53 8 54N 18 133 18 138 18 139 32 180 32 181 32 184 32 187 32 192 32 193 32 195 32 197 32 202 32 205 32 208 32 209 32 210 32 210 32 222

6 O 18 Cs 8 Ba 9 La 58 10 Hf 11 Ta 12 W 13 Re 14 Os 15 Ir 17 Pt 18 Au 18 Hg 18 Tl 18 Pb 18 Bi 18 Po 18 At 18 RnCäsium Barium Lant han bis Haf nium Tant al Wolf ram Rhenium Osmium Ir idium Plat in Gold Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Ast at Radon

P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86O 18 223 18 226 18 227 32 260 32 161

7 P 8 Fr 8 Ra 9 Ac 90 10 Ku 10 HaFrancium Radium Act inium bis Kutschatowium Hanium

Q 1 87 2 88 2 89 103 2 104 3 105 106

N 19 140 21 141 22 142 23 145 24 152 25 151 25 158 26 159 27 164 28 165 29 166 31 169 32 174 32 1776 O Lanthaniden 9 Ce 8 Pr 8 Nd 8 Pm 8 Sm 8 Eu 9 Gd 9 Tb 9 Dy 9 Ho 9 Er 8 Tm 8 Yb 9 Lu

( M et al le der selt enen Erden) Cer Praseodym Neodym Promet hium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Yt terbium Lutet ium

P 2 58 2 59 2 60 2 61 2 62 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 2 68 2 69 2 70 2 71O 18 232 20 231 21 238 22 237 24 242 25 243 25 247 27 249 28 251 29 255 30 253 31 256 32 251 32 247

7 P Actinoiden 10 Th 9 Pa 9 U 9 Np 8 Pu 8 Am 9 Cm 8 Bk 8 Cf 8 Es 8 Fm 8 Md 8 No 9 Lr( U ran- M et alle) Thorium Prat act inium Uran Nept unium Plut onium Americium Cerium Berkelium Calif ornium Einst einium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium

Q 2 90 2 91 2 92 2 93 2 94 2 95 2 96 2 97 2 98 2 99 2 100 2 101 2 102 2 103

Unterteilung der Metalle: - Schwermetalle - Leichtmetalle - Edelmetalle - Halbedelmetalle - Unedle Metalle Definition Halbedelmetalle: Im chemischen Sinne sind Halb-edelmetalle und also alle Metalle, die in der elektro-chemischen Spannungsreihe ein positives Standardpotential gegenüber Was-serstoff besitzen. Liste der elektro-chemischen Po-tentiale siehe Kap. 3.6.1 St. 81

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 8 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 3 PERIODENTAFEL DER ELEMENTE

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2.1.3.1 Tabellenform des Periodensystems der Elemente


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2.1.3.2 Wertigkeiten der Elemente des Periodensystems Die chemischen Grundstoffe, welche nicht mehr trennbar sind, nennt man

Element Kurz-

zeichen Wertig-

keit relative

Atommasse Ar

Ordnungs-zahl

Z

Element Kurz- zeichen

Wertig- keit

relative Atommasse

Ar

Ordnungs-zahl

Z Actinium Ac 3 (227) 89 Molybdän Mo 3,4,6 95,94 42 Aluminium Al 3 26,9815 13 Natrium Na 1 22,9898 11 Americum Am 3 (243) 95 Neodym Nd 3 144,24 60 Antimon Sb 3,5 121,75 51 Neon Ne 0 20,179 10 Argon Ar 0 39,948 18 Neptunium Np 3,4,5,6 237,0482 93 Arsen As 3,5 74,9216 33 Nickel Ni 2,3 58,71 28 Astat At 7 (210) 85 Niob Nb 5,3 92,9064 41 Barium Ba 2 137,34 56 Nobelium No 3 (255) 102 Berkelium Bk 3,4 (247) 97 Osmium Os 2,3,4,8 190,2 76 Beryllium Be 2 9,01218 4 Palladium Pd 2,4 106,4 46 Blei Pb 2,4 207,19 82 Phosphor P 3,5 30,9738 15 Bor B 3 10,811 5 Platin Pt 2,4 195,09 78 Brom Br 1,5 79,904 35 Plutonium Pu 3,4,5,6 (244) 94 Cadmium Cd 2 112,40 48 Polonium Po 2,6 (210) 84 Calcium Ca 2 40,08 20 Praseodym Pr 3 140,9077 59 Californium Cf 3 (251) 98 Promethium Pm 3 (145) 61 Cäsium Cs 1 132,9055 55 Protactinium Pa 3 231,0359 91 Cer Ce 3,4 140,12 58 Quecksilber Hg 1,2 200,59 80 Chlor Cl 1,5,7 35,453 17 Radium Ra 2 226,0254 88 Chrom Cr 2,3,6 51,996 24 Radon Rn 0 (222) 86 Curium Cm 3 ((247) 96 Rhenium Re 1,4,7 186,2 75 Dysprosium Dy 3 162,50 66 Rhodium Rh 8 102,9055 45 Einsteinium Es 3 (254) 99 Rubidium Rb 1 85,4678 37 Eisen Fe 2,3,6 55,847 26 Ruthenium Ru 3,4,6,8 101,07 44 Erbium Er 3 167,26 68 Samarium Sm 3 150,35 62 Europium Eu 3 151,96 63 Sauerstoff O 2 15,9994 8 Fermium Fm 3 (257) 100 Scandium Sc 3 44,9559 21 Fluor F 1,7 18,9984 9 Schwefel S 2,4,6 32,064 16 Francium Fr 1 (223) 87 Selen Se 2,4,6 78,96 34 Gadolinium Gd 3 157,25 64 Silber Ag 1,2 107,868 47 Gallium Ga 3 69,72 31 Silizium Si 4 28,086 14 Germanium Ge 4 72,59 32 Stickstoff N 2,3,5 14,0067 7 Gold Au 1,3 196,9665 79 Strontium Sr 2 87,62 38 Hafnium Hf 4 178,49 72 Tantal Ta 5 180,9479 73 Hahnium Ha 5 (261) 105 Technetium Tc 7 98,9062 43 Helium He 0 4,00260 2 Tellur Te 2,6,4 127,60 52 Holmium Ho 3 164,9303 67 Terbium Tb 3 158,9254 65 Indium In 3 114,82 49 Thallium Tl 1,3 204,37 81 Iridium Ir 3,4,6 192,22 77 Thorium Th 4 232,0381 90 Jod J 1,3,5,7 126,9045 53 Thulium Tm 3 168,9342 69 Kalium K 1 39,102 19 Titan Ti 2,3,4 47,90 22 Kobalt Co 2,3 58,9332 27 Uran U 3,4,5,6 238,029 92 Kohlenstoff C 2,4 12,01115 6 Vanadium V 2,3,4,5 50,9414 23 Krypton Kr 0 83,80 36 Wasserstoff H 1 1,00797 1 Kupfer Cu 1,2 63,546 29 Wismut Bi 3,5 208,9806 83 Kurschatowium Ku 4 (261) 104 Wolfram W 2,3,4,5,6 183,85 74 Lanthan La 3 138,9055 57 Xenon Xe 0 131,30 54 Lawrencium Lr 3 (256) 103 Ytterbium Yb 2,3 173,04 70 Lithium Li 1 6,941 3 Yttrium Y 3 88,9059 39 Lutetium Lu 3 174,97 71 Zink Zn 2 65,37 30 Magnesium Mg 2 24,305 12 Zinn Sn 2,4 118,69 50 Mangan Mn 2,3,4,6,7 54,9380 25 Zirkon Zr 4 91,22 40 Mendelevium Md 3 (258) 101


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2.1.3.3 Wertigkeitsbegriffe

Die Wertigkeit eines Stoffes sagt aus, wie das Element eine Verbindung ein-geht in Bezug auf seine Valenzelekt-ronen (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 Elekt-ronen auf und wird reduziert. Redoxreaktion Beide Reaktionen zusammen wer-den als Teilreaktionen einer Redox-reaktion betrachtet. Beispiel Reaktion Metallatom mit einem Sauerstoff-Atom ( FeO , Eisenoxid) Oxidation Metall ( Fe ) gibt zwei Elektronen ab.

Fe +2Fe + −

e2 Reduktion Sauerstoff (O) nimmt zwei Elektro-nen auf. O + −

e2 −2O

Redoxreaktion Fe + O +2

Fe + −2O

Sauerstoff oxidiert das Metall und wird dabei selbst reduziert.


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2.1.4 Borsches Atommodell

2.1.4.1 Protonen, Neutronen und Elektronen

Die Anzahl Protonen und Neutronen bestimmen Art

und Gewicht des Stoffes, denn die Elektronen sind ca. 2000

mal leichter. Die Anzahl Elektronen auf der

äussersten Hülle sind entscheidend für das chemische und elektrische

Verhalten des Stoffes.

Da die Zahl der Protonen gleich gross wie die Zahl der

Elektronen ist, ist das Atom nach aussen neutral.

Atommodell

Atomhülle

Elektron Ladung e = -1,602x10-19 As

Masse m = 9,109x10-28 g

Atomkern

Proton Ladung e = 1,602x10-19 As

Masse m = 1,672x10-24 g

Neutron Ladung keine

Masse m = 1,675x10-24 g

Warum fällt der Atomkern nicht auseinander?

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 Nukle-onenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen.

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2.1.4.2 Beispiel: Kupfer

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2.1.4.3 Beispiel: Aluminium


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2.1.5 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 da-mit 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.

SCHMELZPUNKT (SCHMELZTEMPERATUR)

SIEDEPUNKT (SIEDETEMPERATUR)

DICHTE

DIE ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT

DIE WÄRMELEITFÄHIGKEIT

LÖSLICHKEIT IN EINEM LÖSUNGSMITTEL

Einige Reinstoffe:

KUPFER

DESTILLIERTES WASSER

Reinstoffe bestehen aus Teilchen, die stets gleich bleibende (also konstan-te) Eigenschaften haben.

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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 Eigenschaften Metalle

ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT

WÄRMELEITFÄHIGKEIT

METALLISCHE GLANZ

PLASTISCH FORMBAR

(DUKTILITÄT)

Wolframwendel

Schmelzleiter aus Silber oder Silberlegierung

Kabelrolle Kupferkabel

2.1.5.2.2 Wichtige berufsrelevante Metalle Edle Metalle:

GOLD

SILBER

PLATIN

WOLFRAM

Halbedle Metalle:

KUPFER

QUECKSILBER

Unedle Metalle:

ALUMINIUM

EISEN, ZINK, CHROM

NICKEL, MANGAN

MAGNESIUM

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 ther-mische Energie (Wärme) zu transportieren. Leicht verschiebbare Elektronen sind Be-standteil dieser Wärmebewegung. Die Duktilität beschreibt die Eigenschaft eines Werkstoffes sich erst plastisch zu ver-formen 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 vorzeiti-ges 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

Opfer-Anodeaus 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.


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2.1.6 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

SILIZIUM

GERMANIUM

SELEN

Silizium- Brückengleichrichter aus vier Dioden

(Graetzschaltung)

Leistungselektronik

Transistor als Schalter

TO 254

npn-Silizium-Transistoren

Grenztemperatur 170 °C

Unterhaltungs- und Hochfrequenz-

Elektronik

Germanium-Transistor

TO-3 – Gehäuse

Grenztemperatur 100 °C


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2.1.7 Nichtmetalle Als Nichtmetalle bzw. Nichtleiter werden Werkstoffe bezeichnet, die als Isoliermaterialien in der Elekt-roindustrie 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

WÄRMEISOLIEREND

ELEKTRISCH NICHTLEITEND, ISOLIEREND

CHEMISCH BESTÄNDIG, KORROSIONSFEST

NICHT HYGROSKOPISCH

LEICHT FÄRBBAR

SCHLECHT WÄRMEBESTÄNDIG (<120 °C)

Schwefel

Hygroskopisch In der Chemie und Physik die Eigen-schaft, Feuchtigkeit aus der Umge-bung (meist in Form von Wasser-dampf aus der Luftfeuchtigkeit) zu binden.

2.1.7.2 Verschiedene berufsrelevante Nichtmetalle

SCHWEFEL

IOD (I), CHLOR (Cl)

SAUERSTOFF

WASSERSTOFF

ARGON (Ar)

HELIUM

BOR

KOHLENSTOFF


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Materialien aus Chlor

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 19 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 8 REINSTOFFE - VERBINDUNGEN

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2.1.8 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 Ver-wendung der molaren Masse beispielsweise die Menge an Produkten einer chemischen Reaktion er-rechnen kann (in der Stöchiometrie, mit Hilfe eines Reaktionsschemas). Isomere chemische Verbin-dungen 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 Mo-lekül). 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)

Grundsätzlich gibt es vier Arten von chemischen Verbindungen zwischen den Atomen der Elemen-te: Molekulare Verbindungen entstehen aus Nicht-metall und Nichtmetall – sie sind Nichtleiter (elektrisch nicht leitfähig) mit zumeist relativ niedri-gem Siedepunkt (Diamantartige oder Kunststoffar-tige Verbindungen mit Riesenmolekülen ausge-nommen). Beispiele für molekulare Verbindungen sind neben Wasser auch Methangas, Zucker) usw. Ionische Verbindungen entstehen aus Me-tall(kation) und Nichtmetall(Anion). Sie sind salzar-tige: 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 ver-formbar, glänzend und gute Wärmeleiter. Beispiele für derlei Legierungen sind Bronze und Messing). Verbindungen höherer Ordnung (Komplexe) ent-stehen bei einer Komplexbildungsreaktion zumeist aus Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren (Liganden). Sie sind oft auffal-lend farbig; Beispiele: Der rote Blutfarbstoff Hämo-globin aus Eisen-II-ionen und Eiweißmolekülen und der tiefblaue Kupfertetramin-Komplex aus Kupfer-II-ionen und Ammoniak).


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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

-oxid

Schwefel S

-sulfid

Fluor F

-fluorid

Chlor Cl

-chlorid

Brom Br

-bromid

Jod I

-iodid

MgO Fe2O3

FeS Ag2S

NaF CaF2

AgCl AuCl3

KBr AgBr

KI PbI2

NaCl N2O

MnO2 C2H2F4 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 ge-bräuchlich:

NaCl CaF2

MgO CaO

ZnO N2O

SiO2 MnO2

Ca[SO4] C2H2F4

Kohle-Zink

Batterie

Elektrofachkraft beim Gipsen

Früher in Klimaanlagen

eingesetzte Kältemittel (Fluorchlor-kohlenwasserstoffe/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 Struktorformel Summenformel

Wasser

H: 1-wertig O: 2-wertig

O

H H H2O

Chlor-

Wasserstoff H: 1-wertig Cl: 1-wertig Cl H HCl

Koklenstoffatome können vier Wasserstoffatom an sich binden, demzufolge ist Kohlenstoff vierwertig.

Methan H: 1-wertig C: 4-wertig

CH

H

H

H

CH4

Stickstoffatome können drei Wasserstoffatome an sich binden, sie sind dreiwertig.

Amoniak (giftig)

H: 1-wertig N: 3-wertig

N H

H

H

NH3

Sauerstoff O: 2-wertig O O O2

So benutzt man die Bindungsfähigkeit des Wasserstoffatoms als Mass für die Bin-dungsfähigkeit der Atome.

Haben die beteiligten Atome die gleiche Wertigkeit, so verbinden sie sich im Zah-lenverhältnis 1:1. Magnesium, zweiwertig, und Sauerstoff, ebenfalls zweiwertig, bilden Magnesiumoxid, MgO. Aber ein vierwertiges Atom kann auch ein zweiwerti-ges Atom an sich binden, wie bei der Entstehung von Kohlenstoffdioxid, Formel CO2.

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.

Atomfarben

Moellbaukasten

H

Wasserstoff (weiss)

Cl

Chlor (grün)

O

Sauerstoff (rot)

C

Kohlenstoff (schwarz)

S

Schwefel (gelb)

N

Stickstoff (blau)


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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

II

Wasserstff

I

Schwefel

II,IV,VI

Chlor

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

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 24 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 1 EINTEILUNG DER STOFFE 9 NATÜRLICHE STOFFE

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2.1.9 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

WASSERMICH

ZUCKER

KOCHSALZ

GOLD

DIAMANT

KOCHSALZKRISTALL

BERGKRISTALL

LEIM

ZEMENT

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.


10 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

GEMENGE (GRÖLLHAUFEN)

PASTE (ZAHNPASTE)

SUSPENSION (TUSCHE)

EMULSION (FETTSAUCE)

SCHAUM (SCHLAGRAHM)

RAUCH (ZIGARETTENRAUCH)

NEBEL (HAARSPRAY)

Wir nennen Gemische heterogen, wenn sich die einzelnen Stoffe zumindest mit dem Mikroskop unterscheiden lassen.

Homogene Gemische

LEGIERUNG (MESSING,

BRONZE, MÜNZEN)

LÖSUNG (ZUCKERWASSER)

GASGEMISCH (LUFT, FURZ

KNALLGAS)

Wir nennen Gemische homogen, wenn die ein-zelnen 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 Komponen-ten (Samen), die sich nur miteinander vermengen, aber nicht homogen mischen können, ohne abzu-sterben oder funktionsunfähig zu werden.


11 LEGIERUNGEN

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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 Kompo-nente 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

MESSING (KUPFER,ZINK)

BRONZE (KUPFER, ZINN)

WEISS- , ROTGOLD

Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt wer-den, die die charakteristischen Eigenschaf-ten bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legie-rungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. 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.

Messing- Fassung CuZn37

Bronze-

Konstruktion CuSn15

Weissgold-beschichtet

Vergoldete Kontakte

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.

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.

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 las-sen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Edelstahl und

Werkzeugstahl

Schraubendreher Einsätze mit

Titanbeschichtung bis zu 600 % härter als herkömmlicher

CR V Stahl.

Boilerheizung

Rohrheizkörper Cu55Mn44Ni1

Konstantan Wegen des kleinen Temperaturkoeffi-zienten wird Konstantan für Präzisions- und Messwiderstände verwendet. Aber auch Schiebe- und Heizwiderstände werden aus Kon-stantan hergestellt.


11 LEGIERUNGEN

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2.1.11.2 Eisen-Legierungen Das Verb „legieren“ stammt ursprünglich aus dem lateinischen „ligare“ und bedeutet zusammenbin-den, 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 Stahl

Fe C Mn 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.

Schrott

Wind-Frischen

B u. T

Sauerstoff-Frischen

Herd-Frischen

Elektro-Stahl

Allg. Baustahl Qualitätsstahl Edelstahl

LD SM

Roheisen

EdelstahlMassestahl

Roheisen

Name der Legierung Zusammensetzung Eigenschaften Verwendung Gusseisen

Eisen + 1,7-4% Kohlenstoff spröde, bricht bei Stoß oder Schlag, gießbar

Kanalisationsrohre, Herdplatten, Maschinenteile

Kohlenstoffstahl 0,2-1,7% Kohlenstoffanteil hart und elastisch, gut schmied-bar und walzbar

Werkzeug- und Baustahl, Ei-senbahnschienen

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, Wi-derstandsdrähte

Invarstahl (FeNi36)

35,5% Nickelanteil

Wärmebeständig

Widerstände für Präzisionsmessinstrumente

Chromnickelstahl 54-55% Eisen + 25% Chrom + 20% Nickel +0,5% Silizium + 0,12% Kohlenstoff

sehr hart und sehr zäh, gut schweißbar, hitze-, rost-, und chemikalienbeständig

Panzerplatten, Eisenbahnräder, Achsen, chemische Apparate

Manganstahl "Ferromangan"

75-98% Eisen + 0,8-25% Man-gan + 0,5% Silizium + 0,1-1,5% Kohlenstoff

fest, zäh, härtbar, schmiedbar und wärmebeständig

Schneidewerkzeuge, Schienen, Maschinenbauteile

Molybdänstahl "Ferromolybdän" 90-98% Eisen + 1-5% Molybdän

+ 1,5-5% Chrom + 0,6-0,8% Kohlenstoff

fest, rostbeständig, elastisch, wenig dehnbar, sehr wärmebe-ständig

Zahnräder, Achsen, Wellen, Stahlfedern für Kfz und Uhren

Siliziumstahl "Ferrosilizium"

85-98% Eisen + 0,5-15% Silizi-um + 0,1-1,7% Kohlenstoff

säurebeständig, fest, härtbar, elastisch, gut verarbeitbar

Transformatoren, Motorenble-che, Säurebehälter

V2A-Stahl 71% Eisen + 20% Chrom + 8% Nickel + 0,2% Silizium + 0,1% Kohlenstoff

gut schweißbar, sehr hart, rost- und säurebeständig,

Waschmaschinen, Kochge-schirr, Besteck, Armbanduhren

Wolframstahl "Ferrowolfram" 70-98% Eisen + 2-18% Wolfram + 2,5% Chrom + 0,6-0,8% Koh-lenstoff

sehr hart, zäh und hitzebeständig

Schneidewerkzeuge, Schnell-laufteile für Maschinen


11 LEGIERUNGEN 2 EISEN-LEGIERUNGEN

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Entwicklung der Technologie zur Stahlerzeugung und Stahlumwandlung


12 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

Hoher Schmelzpunkt

Möglichst eine kleine Längenausdehnung

Wheatstonsche

Messbrücke für die Bestimmung von

Kleinen Widerständen

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)

Kabel E30 nach DIN 4102 T12

TT-Kabel

NIN

Internationale Kabelbezeich-nungen 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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2.1.12.3 Anwendungen Heizwiderstände für Wärmeapparate müssen bei hohen Tem-peraturen oxidationsbeständig sein. Die Festigkeit soll keine zu grosse Einbusse erfahren. Von den Legierungen wird Kupfer-Nickel (Konstantan) bevorzugt. Heizungswiderstände werden für

- Elektrospeicher - Bodenheizungen - Direktheizkörper, Tauchsieder - Haartrockner (Föhn) - Backofen, Kochplatte

verwendet.

Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen

(stark Eisenhaltig) und Konstantan-Panzerheizung

Elektrische

Fussbodenheizung

Direktheizkörper für Badezimmer

Blitzkochplatte,

Massekochplatte (Roter Punkt)

mit integriertem Bimetallschalter für Überhitzungsschutz

(<7 Minuten)

Aussenfühler

mit NTC-Widerstand

NTC = „Negativer Temperatur- Coeffizient“

Technische Widerstände

Hochleistungswiderstände

in Aluminiumgehäuse

Laborwiderstand

Kleinleistungswiderstände

für elektronische Schaltungen (Festwiderstände)

Potentiometer,

Regulierwiderstand mit drei Abgriffen

für Spannungsregulierung



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2.1.12.4 Farbschlüssel für Festwiderstände Es gibt sieben E-Reihen: E3, E6, E12, E24, E48, E96 und E192.

an 23 ⋅=

6543210 ,,,,,,a ∈ 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 m10

12=n

11210 ,....,,,m ∈ Für Widerstände kleiner Leistung werden die nebenstehenden Reihen verwendet.

Beispiel: Von einem Festwiderstand mit 470Ω und einer Toleranz von ±10% soll der Farbschlüssel be-stimmt werden!

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13 ISOLIERSTOFFE

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2.1.13 Isolierstoffe

2.1.13.1 Eigenschaften bzw. Zweck Isolierstoffe dienen vornehmlich folgenden Zwecken

Isolation spannungsführender Teile

gegenüber der Umgebung

Isolation zwischen spannungs-

führenden Teilen

Isolierte Befestigung und Durchführung

spannungsführender Teile

Unterbrechen des Stromflusses beim

Öffnen von Stromkreisen

Gruppierung der Isolierstoffe

Unterscheidung der Isolierstoffe

Feste Isolierstoffe Flüssige Isolierstoffe Gasförmige Isolierstoffe

Elektrische Anforderungen an Isolierstoffe

Hoher Isolationswiderstand Hohe Durchschlagfestigkeit Grosse Krichstromsicherheit Kleine Dielektrizitätskonstante Geringe Verluste

Bereits geringe Konzentra-tionen von Asbeststaub in der Luft können die Ent-

stehung von Lungenkrank-heiten wie Pleuraplaque, Asbestose, Lungenkrebs

oder Mesotheliom (ein Krebs des Brust- oder Bauchfelles) fördern.

Mechanische Anforderungen an Isolierstoffe

Gute mechanische Festigkeit Schlagfest Gute Bearbeitbarkeit Glatte, saubere Oberfläche

Asbesthaltige Dichtungen

in einem PT100-Temperatursensor

(Baujahr 1966)

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).

Asbest besteht aus Silikaten verschiedener Zusammen-

setzung. Es ist ein in Fasern aufspalt-

barer Kristall.

In der Elektrotechnik wurde Asbest verwendet, wo neben der lsolierfähigkeit ein hitze- und feuerbeständiger Stoff

verlangt wurde.

Die dielektrischen Eigen-schaften 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 Ge-sundheit, denn Asbeststaub lagert sich in der Lunge ab und ist Krebsgefährdend.


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2.1.13.3 Anorganische Isolierstoffe Anorganische Isolierstoffe spielten in den Anfängen der Elektrotech-nik eine Grosse Rolle. Heute werden noch folgende anorganischen Isolierstoffe verwendet:

Luft

Glimmer

Asbest

Keramik (Porzellan, Steatit)

Glas

Eternit

Pical

Gase Keramik besteht meist aus erdigen, meist schwer schmelzbaren Massen die bei Raumtemperatur geformt werden und durch Bren-nen (Sintern) bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit und Härte erhalten. Als Rohstoffe werden hauptsächlich siliziumhaltige Verbin-dungen und Metalloxide verwendet.

Isolation durch Luft und durch Keramik in einer Umspann-Station eines Hochspan-nungsnetzes

Leistungstransistor im TO-3-Gehäuse, durch eine Glim-

merscheibe elektrisch isoliert auf einem Aluminium-

Kühlkörper aufgeschraubt Glimmer (Aluminosilikat) ist ein Mineral, welches in Form von unregelmässigen Kristal-len auftritt. Die Kristalle lassen sich in Plättchen und Platten von 0,006 - 3mm Dicke auf-spalten. Glimmer aus Quarz, Bauxit und Magnesit erreicht zum Teil bessere Eigenschaften als Naturglimmer.

NEOZED Schraubkopf

Porzellan Klemme

Keramik Kondensator

Als Anwendung von Porzellan seien Isolatoren für Hoch- und Nie-derspannung, Durchführungen, Klemmenkörper, Sicherungselemen-te 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 entnom-men. Die Formgebung erfolgt durch Blasen, Pressen, Walzen und Ziehen.

Glas- oder

Keramik-Isolatoren

Glaskolben von Lampen

Sockel aus Porzellan

Freiluftisolatoren

aus Porzellan

Oxidkeramik findet Ver-wendung z.B. als Chipwi-derstand, Trimmer, Ther-mo-Druckkopf oder als Substrat (Unterlage) bei der Herstellung von inte-

grierten Schaltungen.

Keramische Einbettmassen

werden für Isolation von Heizwen-deln in Kochplatten und Heizstä-ben verwendet. Sie sind Massen

aus Magnesiumoxid, Alumini-umoxid, Speckstein und für hohe

Temperaturen Zirkonoxid.

Klemmenbrett mit

Steatit- oder Keramiksockel

Glasfaserkabel für die Kommunikationstechnik

Eternit ist ein Asbest-zementwerkstoff

Pical Eternit ähnlicher Stoff


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2.1.13.4 Natürliche Organische Isolierstoffe Wichtige natürliche organische Isolierstoffe sind:

P Papier Textilien G Gummi Verguss- und Tränkmassen Isolieröle

Abgewandelte organische Naturstoffe:

Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) Zellulose-Erzeugnisse

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)

Textilien als Leiterisolation (heute weniger), Bandagieren von Wicklungen, Ausfüllen von Kabelleitungen, Kennfäden für Leitungen.

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 Diphe-nylchlorid, die schwer oder nicht brennbar sind, eingeführt.

Transformator mit Ölkühlung

Schwefelhexafluorid SF6 ist ein gasförmiger lsolierstoff. Es wird in gekapselten Hochspannungsanlagen verwendet. Die Anlagen wer-den sehr kompakt, so dass sie in Gebäuden und Kavernen installiert werden können.

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.

Die maschinenglatten und kalandrierten Papiere werden im Transformatoren und Wandlerbau als Wicklungsiso-lation verwendet. Die maschinenglatten und azetylierten Papiere dienen bei Hoch- und Niederspannungs-kabeln als Isolation (PPb). Die Isolierzwischenlage für Wickelkondensatoren wird vielfach aus Papier gemacht.

Textilien

B Baumwolle

H Hanf

J Jute

S Seide

Gummiisolierte Leitung mit Stecker

Sie dienen dem Ausgiessen von Armaturen für Papierblei-kabel, dem Vergiessen von Apparateteilen, Spulen und Wicklungen, zum Abdichten von Einführungen. Kunstharze, speziell die Äthoxylinharze, werden immer mehr eingesetzt.


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2.1.13.5 Kunststoffe / Plaste Eigenschaften der Kunststoffe

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)

Die Synthese der Monomere über die − Polymerisation (PE, PS,PVC,PTFE) − Polykondensation (Nylon, Phenoplaste, Phenolharze) − Polyaddition (PU) führt zu den Makromolekülen der Kunststoffe.

Ausgangsstoffe der Kunststoffe

Unter dem Begriff Kunststoffe fasst man alle jene Stoffe zusammen. die auf künstlichem d.h. synthetischem Wege (durch Zusammenfü-gen kleinster Elemente) hergestellt werden. Hygroskopie (v. griech. hygrós „feucht, nass“ und skopein „an-schauen“) bezeichnet in der Chemie und Physik die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Umgebung (meist in Form von Wasserdampf aus der Luftfeuchtigkeit) zu binden.

Thermoplaste

Polivynilchlorid, PVC Acetylen C2H2 und Salzsäuregas HCI

250... 3000 Einzelmoleküle

Polyäthylen, PE

Äthylen C2H4 ist Gas von Erdölraffinerie

700... 3000 Einzelmoleküle

Polyamid, PA

Polystyrol, PS

300...5000 Einzelmoleküle

Isoliergriff aus Polypropylen

Polyäthylenterephtalat PET

Polyacrylat

bis 50000 Einzelmoleküle

Polyacrylat, Plexiglas

Elastomere

Silikon

Aus anorganischem Quarz (SiO2) und organische Elementen, vor allem dem Chlormethyl (CH3CI) entsteht Silikon

Duroplaste

Phenoplaste, Bakelit

CO-H-Verbindung

Aminoplaste

Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff

Leiterplatte aus

Epoxydharz, Araldit


13 ISOLIERSTOFFE 5 KUNSTSTOFFE / PLASTE

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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 Einzelmo-leküle (Monomere) zu einem Riesenmolekül (Polymer) aneinander-gereiht werden.

Die so entstandenen Kunststoffe heissen Polymerisate.

Polykondensation Polykondensation ist die Verbindung vieler Grundmoleküle mit je einem weiteren Molekül zu einem Riesenmolekül, wobei beim Zu-sammenschluss einzelne Atome abgespalten werden. Sie verbinden sich zu kleineren Molekülen (z.B. Wasser) und verlassen den sich bildenden Stoff.

Die entstandenen Stoffe heissen Polykondensate.

Polyaddition Polyaddition ist die Vereinigung vieler Grundmoleküle durch das Anlagern weiterer verschiedenartiger Moleküle ohne Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen.

Die entstandenen Stoffe heissen Polyaddukte

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 sprö-de.

Polyvinilchlorid (PVC)

Polyäthylen (PE)

Polyamid (Nylon) (PA)

Polytetrafluorethylen (Teflon) (PTFE)

Polystyrol (PS)

Polyacrylate (Plexiglas) (PMMA, PAN)

Polypropylen (PVDF,PP)

Polyäthylenterephtalat (PET)

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) (PF)

Aminoplaste (UF)

Epoxydharze (Araldit) (EP) Vom Einzelmolekül zum Makromolekül. Durch Aufbrechen eines Stranges der Doppelbindung bei einem Einzelmolekül verbinden sich durch die frei gewordenen Valenzen die Einzelmoleküle zu Makromolekülen.

Elastomere Kunststoffe mit gummiähnlichem (elastischem) Verhalten heissen Elastomere. Elastomere bestehen aus langen Polymerketten, die durch Vulkani-sation vernetzt sind, wie z.B. Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Nitrikautschuk und Chloroprenpolymerisate. Die Elasto-mere können aber auch im Polyadditionsverfahren, z.B. als Po-lyurethanelastomere, hergestellt werden.

Synthetische Elastomere (SR)

Styro-Butadien-Gummi (SBR)

Acryl-Butadien-Gummi (NBR)

Bytyl-Gummi (IIR)

Ethylen-Propylen-Gummi (EPM)

Fluor-Gummi (FPM)

Silikon-Gummi (Q, SI)

Ausgangsprodukte/Rohstoffe für die Kunststoffherstellung

Elemente Wertigkeit Atom

schematisch Elemente Wertigkeit

Atom schematisch

Kohlenstoff C

4

Chlor Cl

1

Wasserstoff H

1

Silizium Si

4

Sauerstoff O

2

Schwefel S

2

Stickstoff N

3



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Alle diese chemischen Vorgänge werden beeinflusst durch Wärme und Druck, aber auch durch Kata-lysatoren. d.h. durch zusätzliche Stoffe, die allein durch ihre Anwesenheit den Ablauf des Vorganges beeinflussen. Bausteine der Kunststoffherstellung

Vinylchloridmolekül C2H3Cl

Harnstoffmolekül CH4ON2

Silikon-Makromolekül (Anstelle des Siliziums Si werden auch Al, P, Ti

verwendet)

Arten der Makromoleküle und ihr Verhal-ten: Die grundle-genden Eigen-schaften der Makromoleküle hängen weit-gehend von der Gestalt der Makromoleküle ab. Solche Moleküle können in Form von Fäden, Ver-zweigungen oder Netzen auftreten.

Art der Moleküle

Aufbau schematisch

Struktur des Stoffes schematisch

Verhalten Eigenschaften Festigkeitsverhalten bei

Temperatur

Fadenmolekül (fadenförmige

Makromoleküle)

Thermoplastisch wärmeverformbar,

schweissbar, Thermoplast

Die Molekülketten sind nicht miteinander vernetzt.

Sie ähneln einem Wattebausch.

fest

weich

teigig

flüssig

Fes

tigkei

t

Zer

setz

ung

Temperatur

Thermoplast

Verzweigte Moleküle

(wenige Vernetzungs-stellen)

Thermoplastisch Thermoplast

Die Molekülketten sind sehr weitmaschig vernetzt.

Sie können durch kleine Kräfte gedehnt werden und

federn wieder zurück.

fest

Fes

tig

kei

t

Zer

setz

un

g

Temperatur

Elastomer

Vernetzte Moleküle

(viele Vernetzungs-stellen)

Weite Vernetzung elastisch

Elastomere

Enge Vernetzung duroplastisch

Duroplast

Die Molekülketten sind engmaschig vernetzt.

Dies lässt keine Formände-rungen zu.

Fes

tig

kei

t

Zer

setz

un

g

Temperatur

Duroplast

Der Aufbau der Kabel bzw. die verwndete Isolationen der Leitungen ist von grosser Wichtigkeit bei dem Bau der Elektro-Installationen.

Kabelbezeichnungen

Kabel FE180/E30

Halogenfreie Starkstromkabel mit verbesserten Brandschutzeigenschaften für Installationen in Gebäuden, Tunnel und Industrieeinrichtungen.

Internationale Bezeichnung

CH-N1Z1Z1-U(-R)

Kabel E30 nach DIN 4102 T12

TT-Kabel

NIN

Internationale Kabelbe-zeichnungen siehe unter

obiger NIN-Nummer.

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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 Aggregatzustan-des, kann auf physikalische Weise rück-gängig gemacht werden.

physikalischer Vorgang

Eis schmilzt

Durch Abkühlen wird wieder Eis daraus.

Änderung des Aggregatzustan-des, kann auf physikalische Weise rückgängig gemacht werden.


Salz wird in Wasser gelöst: Wenn Wasser verdunstet, bleibt das Salz wieder übrig.

Ein Gemenge kann durch physikalische Methoden ge-trennt werden.


Erdbeerfruchtpulver wird durch Trocknen von Erdbeeren herge-stellt

Im Vakuum wird das Wasser zum Verdampfen gebracht

Die festen Stoffe bleiben übrig, das Wasser verdampft.


Aus roten Rüben wird der Farb-stoff gewonnen

Mit heißem Wasser wird der Farbstoff herausgelöst

Das Wasser wird verdampft, der Farbstoff bleibt übrig.


Eisen wird mit Schwefel ge-mischt:

Mit einem Magnet lässt sich Eisen abtrennen.

Ein Gemenge kann durch physikalische Methoden ge-trennt werden


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 Reakti-on ein Gas, das aus der Lösung verschwindet.

Wenn man das Wasser ver-dunsten 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 che-mische Weise wieder trennen - aber das ist kompliziert und funktioniert kaum 100%ig.

chemische Reaktion

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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 chemi-sche 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 chemi-sche Reaktion? Könnte man das Ganze rückgängig machen? Wie könnte man dies tun?

Michael Faraday

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2.2.2 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 ver-schiedener Materialien gibt es den Begriff Materie.

Unter Materie versteht man also jeden Stoff, der uns umgibt. Auch wir selber bestehen aus Materie. Schon sehr früh versuchte der Mensch, die Geheimnisse der Materie zu erforschen, und er erkannte bald, dass alle vorkommenden Stoffe auf ein paar wenigen Grundstoffen aufgebaut sind. Jeder Stoff, der nicht schon selbst Grundstoff ist, besteht aus zwei oder mehreren Grundstoffen. Jede Materie lässt sich in Grundstoffe zerlegen, diese bezeichnet man als Elemente. Es gibt 92 in der Natur vorkommen-de 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 prak-tische Bedeutung besitzen. Bausteine der Materie: Atom Elektron Ladung e = -1,602x10-19 As Masse m = 9,109x10-28 g Proton Ladung e = 1,602x10-19 As Masse m = 1,672x10-24 g Neutron Ladung keine Masse m = 1,675x10-24 g

2.2.3 Das Molekül Mehrere gleichartige Teilchen untereinander zu ei-nem größeren Teilchen verbunden werden als Molekül bezeichnet. Im engen Sinn und im allgemeinen Sprachgebrauch der Chemie sind Moleküle elektrisch neutrale Teil-chen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufge-baut sind. Die Atome bilden einen in sich abge-schlossenen Verband und sind durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft. Ein Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimm-ten Reinstoffes.

Metall + Nichtmetall = Ionenbindung

Metall + Metall = Metallbindung

Die Atombindung (auch kovalente Bindung, Elektronenpaarbin-dung 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 Außenelektro-nen (Valenzelektronen) der Elektronenhüllen der beteiligten Ato-me die tragende Rolle.

Zwischen Nichtmetallen und Metallen wirken hingegen ionische und zwischen Metallen metallische Bindungen.


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2.2.4 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 Werkstof-fen. Durch besondere Behandlung entsteht daraus ein Kunststoff. 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.

USB-Stick aus Pressspan

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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2.2.5 Begriffslexikon der Kunststoffe Chemisches Recycling

Rohstoff-Recycling, gebrauchte Kunststoffe werden in «synthetisches Roh-öl» oder andere petrochemische Grundstoffe zurückgeführt. Aus diesen neuen Rohstoffen lassen sich wiederum neuwertige Kunststoffe herstellen.

Thermisches Recycling

Energie-Recycling, Kunststoffe, die nicht wieder verwertbar sind, können thermisch genutzt werden. In einem Kilogramm Kunststoff steckt der glei-che Energiegehalt wie in einem Kilogramm Heizöl. Die thermische Verwer-tung kann in Industriebetrieben als Ersatz für Kohle oder Heizöl oder in Kehrichtverbrennungsanlagen erfolgen.

Duroplaste 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 struktu-rellen Aufbau und erst in zweiter Linie auf der chemischen Zusammenset-zung.

Monomere Kleine, in der Regel sehr reaktionsfähige Moleküle, die sich zu Polymerisa-ten verbinden können.

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 bedeu-tender thermoplastischer Kunststoff.

Pyrolyse Thermische Zersetzung (Kracken) von chemischen Stoffen, z.B. Erdöl.

Recycling Wiederverwertung von Erzeugnissen durch à stoffliches Recycling, à che-misches 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.

Styrol Ungesättigter aromatischer Kohlenwasserstoff, der im Steinkohlenteer und in vielen Nahrungsmitteln vorkommt. S. entsteht auch bei der à Pyrolyse von Erdöl.

Thermoplaste Thermoplastische Kunststoffe, fliessen beim Erwärmen und erstarren beim Abkühlen. (Polyethylen, PVC, etc.)

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2.2.6 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 Elekt-ronen. Die freien Elektronen können ohne äußere Einflüsse nicht aus dem Stoff austreten. Wir sprechen da-her 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. Un-ter solchem Einfluss beginnen sie, ähnlich den freien Elektronen, zu «wandern».

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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).

Jonen spielen besonders in flüssigen und gasförmigen Stoffen eine wichti-ge Rolle. Sie bewegen sich unter dem Einfluss von elektrischen Kräf-ten. Man spricht dann vom Jonen-strom. Das Besondere am Jonen-strom ist, dass dabei Materie bewegt wird.

Schnittebene

+

+

+ +

+

+

Atomreste (Jonen) -

-

-

-

-

-

- -

-

wandernde Elektronen

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 wer-den, 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 Ei-genschaften 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 ge-nannte 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 kon-stantem Druck.


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2.2.8 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.

Je grösser der EN-Unterschied der beiden Atome, bei der Bindung, je polarer ist die Bindung. ∆ EN > 1,7 Ionenbindung ∆ EN < 1,7 Elektronenpaar- bzw. Atombindung

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

bestimmt.


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2.2.9 Oktettregel Mit Ausnahme der Edelgase kommen alle Ele-mente in der Natur nicht als freie Atome, son-dern nur in Form von Verbindungen vor. Die meisten Atome haben offenbar das Bestreben, sich zu verbinden.

Man nahm an, dass die Atome der anderen Ele-mente ebenfalls eine edelgasähliche Elektronen-hülle (Achterschale, Elektronenoktett) anstreben und in einer Verbindung, durch eine Umgruppie-rung 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 edelgas-

ähnliche Elektronenhülle bilden. Es werden folgende Bindungsarten unterschieden: • Die Ionenbindung • Die Atombindung • Die Metallbindung


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2.2.10 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 Merke

Positiv geladene Ionen

werden Kationen

genannt.

2.2.10.2 Anion Merke

Negativ geladene Ionen

werden Anionen

genannt.

Liste von Kationen

Positives Ion (Kation)

Ladungszahl (abgegebene Elektronen)

[Na]+ 1+

[Mg]2+ 2+

[Al]3+ 3+

Metalle

Metalle geben Elektronen ab.

Liste von Anionen

Negatives Ion (Anion)

Ladungszahl (Aufgenommene

Elektronen)

[Cl]- 1-

[O]2- 2-

[S]2- 2-

Nichtmetalle

Nichtmetalle nehmen Elektronen auf.


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2.2.11 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 Elektro-nenniveaus 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)

Beispiel

Kochsalz-Kristallgitter

Dieser Vorgang kann sehr heftig ablaufen, wie die Reaktion von metallischem Natrium mit Chlorgas zeigt. Das Endprodukt der Reaktion ist Kochsalz. Versuch

2Na + Cl2 2NaCl Metall Nichtmetall Verbindung

Eigenschaften von Ionenverbindungen: • In Ionenverbindungen wirken zwischen den

einzelnen Ionen starke elektrostatische An-ziehungskräfte.

• Ionenverbindungen haben: ∗ Hohen Schmelzpunkt ∗ Hohen Siedepunkt ∗ Grosse Sprödigkeit

• Im festen Zustand sind Ionenverbindungen Nichtleiter

• Beim Lösen in Wasser oder beim Schmel-zen zerfällt das Ionengitter in frei bewegli-che Ionen.

• Lösungen und Schmelzen sind elektrische Leiter zweiter Klasse.

Anwendungen • Porzellan

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


12 ATOM- ODER ELEKTRONENPAARBINDUNG

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2.2.12 Atom- oder Elektronenpaarbindung Merke:

Werden zwei Atome durch ein

beiden Atomen gemeinsames

Elektronenpaar (oder auch durch

mehrere Elektronenpaare) ver-

bunden, so nennt man die Bindung

Elektronenpaarbindung oder auch

Atombindung.

Die Atombindung entsteht durch

Reaktion von Nichtmetallatomen.

Prinzip

Einfach besetze Elektronen-

wolken überlappen

gegenseitig, es entsteht

dabei gemeinsame,

doppelt besetzte Elektronen-

wolken (Elektronenpaare),

sodass für beide Atome die

Oktettregel erfüllt ist.

Nach John Dalton (1766-1844)

bestehen alle Stoffe aus Atomen

Kalottenmodelle einiger Atome und Moleküle

l Bindungslänge α Bindungswinkel

r Atomradius Atome können durch ein, zwei oder drei gemeinsame Elektro-nenwolken miteinander verbunden sein:

Einfachbindung H-H, Cl-Cl, H-Cl

Doppelbindung O=O, O=C=O

Dreifachbindung N N, H-C C-H



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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.

Die Elekktronenwolken des Wasser-Moleküls sind nach den Ecken eines unre-gelmässigen Tetraeders gerichtet, da die Wasserstoffkerne sich abstossen.

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

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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2.2.12.2 Atom – oder Elektronenpaarbindung in Nichtmetallen Die Mehrzahl der Nichtmetalle bildet zweiatomige Moleküle, in denen die Atome durch Einfach-, Dop-pel- oder Dreifachbindungen verbunden sind. Nur die Edelgase verbinden sich untereinander nicht und existieren in allen Aggregatszuständen als voneinander unabhängige Teilchen.

Universalmaschine

Gleichstrommotor an Wechselstrom betrieben

(Stromwendung im Rotor über Kollektor welcher über Kohlenbürsten mit Strom versorgt wird)

Vorkommen

Roter Phosphor Reibfläche von Zündholz-schachteln

Phosphorverbindungen Knochensubstanz

Graphit

Kohlenbürsten von Universal-

maschinen

Kohlenstoff in der Ebene angeordnet

Diamant Kohlenstoffgitterverbindung

Erdöl Methan, Äthan, Propan, Butan, Isobutan

Kunststoffe PVC, PE

PVC-Rohr


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2.2.13 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 Glei-ten dichtest besetzter Ebenen übereinander (z.B. bei Zugbeanspru-chung oder beim Häm-mern und Walzen)


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2.2.14 Atomeinheit u (u=Unit) Die Atommasse, früher Atomgewicht, ist die Masse eines Atoms. Sie kann wie jede Masse in der SI-Einheit 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 auf-gefasst, 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 abso-lute Atommasse (engl. atomic mass) genannt. Für praktische Zwecke (Berechnungen) besteht zwi-schen 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 1 u

Elektron e − 0,000 5485 799 11 u 0 u

Elektron p + 1,007 276 466 88 u 1 u

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich ge-sprochen, 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 Massen-zahl. 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 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 Elekt-rons 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 ergibt sich als 2n2.

• l (Nebenquantenzahl, Bahndrehimpulsquan-tenzahl) beschreibt den Bahndrehimpuls des Elektrons und damit die „Form“ des Orbitals. Häufig findet man in der Literatur die Buch-staben s, p, d, f, g als Bezeichnung für die Nebenquantenzahl, abgeleitet aus den engli-schen Adjektiven für die korrespondierenden Spektrallinien: sharp, principal, diffuse, fun-damental (danach wird alphabetisch fortge-setzt). Die Anzahl der Unterschalen ist gleich der Hauptquantenzahl. Für n = 3 sind also drei Unterschalen möglich l = 0, 1, 2. Die An-zahl 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, las-sen 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 Synthese Als Synthese (spätlateinisch synthesis, von griechisch sýnthesis - die Zusammensetzung, Zusammen-fassung, 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 weitge-hend 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 Protonen-zahl, 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 radio-aktivem Plutonium-244 siebzig Millionen Jahre, dann sind erst nach dieser Zeit die Hälfte der Atome zerfallen. Andere Radionuklide besitzen eine sehr kurze Halb-wertszeit, 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 iso-liert. Seine Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt. Eine beson-dere 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 Kernspaltungs-Kettenreaktion fähig ist. Deshalb wird es in Kernkraftwerken und Kernwaffen als Primärenergieträger genutzt und hat eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 57 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 3 GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE

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2.3 Gewinnung und Bearbeitung der Stoffe 2.3.1 Rohstoffabbau

2.3.1.1 Bergbau Kupfer, Gold und Türkise wurden um 3000 v. Chr. in Ägypten abgebaut. Wahr-scheinlich 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 ledig-lich bis zum Grundwasserspiegel möglich. Die Gewinnung von Werk-steinen im Tagebau lässt sich bis in die Steinzeit zurückverfolgen.

2.3.1.3 Erznamen Magneteisenstein

Magnetit

Fe3O4

Eisenglanz

Hämatit Fe2O3

Weichmanganerz

Pyrolusit

MnO2

Hartmanganerz

Psilomelan

(Ba,H2O)4Mn10O20

Chromerz

Chromit FeCr2O4

Titaneisen

Ilmenit FeTiO3

Titanerz

Rutil auf Hämatit

TiO2

Nickelerz

Népouit

(Ni,Mg)6[(OH)8|Si4O10]

Nickelmagnetkies

Pentlandit (Fe,Ni)9S8

Speiskobalt

Skutterudit (Co,Ni)As3

Kobaltglanz

Cobaltit CoAsS

Wolframerz

Wolframit

(Fe,Mn)WO4

Wolframerz

Scheelit auf Glimmer

CaWO4

Molybdänerz

Molybdänit auf Quarz

MoS2

Vanadiumerz

Vanadinit

Pb5(VO4)3Cl

Vanadiumerz

Carnotit

K2(UO2)2(VO4)2·3H2O

Kupferglanz

Chalkosin

Cu2S

Kupferkies

Chalkopyrit

CuFeS2

Aluminiumerz

Gibbsit Al(OH)3

Aluminiumerz

Diaspor AlO(OH)

Bleiglanz

Galenit

PbS

Weissbleierz

Cerussit PbCO3

Zinkblende

Sphalerit

ZnS

Zinkspat

Smithsonit

ZnCO3

Zinnerz

Kassiterit

SnO2

Zinnkies

Stannin

Cu2FeSnS4

Magnesiumerz

Magnesit MgCO3

Magnesiumerz

Kieserit

MgSO4 * 4 H2O

Lithium

Spodumen (LiAl(SiO3)2

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 58 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 3 GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE 2 EISENMETALLE

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2.3.2 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 Zusam-mensetzung in zwei Arten unterteilt und unterschiedlich wei-terverwendet: 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 Quarz-sand und Kalk. Roheisen kann ohne Wärmebehandlung, wegen seinem hohen Kohlenstoffgehalt, nicht weiterverarbeitet werden.

Hochofenanlage

Hochofen

„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. Wei-ßes Roheisen dient als Aus-gangsstoff zur Stahlerzeugung Beim „Grauen Roheisen“ über-wiegt neben den anderen Eisen-begleitern vor allem das Silizium. Dieser bewirkt, dass sich der Kohlenstoff beim Abkühlen als Graphit ausscheidet, was sich in einer grauen Bruchfläche be-merkbar macht. Graues Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Her-stellung von Gusseisen.

Produkte aus Roheisen Roheisen ist hart und spröde, daher technisch nicht verwendbar, weil es einen zu hohen Kohlen-stoffgehalt 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 beson-ders fest und zäh sein müssen, werden aus Stahl gegossen. Verwendung: Druckbehälter, Traggestelle, Brenndüsen

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 59 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 3 GEWINNUNG UND BEARBEITUNG DER STOFFE 2 EISENMETALLE

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2.3.2.2 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 Wärme-behandlung schmied- und schweissbar ist, bezeichnet man als Stahl.

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 Stahl

Fe C Mn 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.

Stahleigenschaften Dichte: 7,85 kg/dm3 Schmelzpunkt: 1500°C härtbar magnetisierbar

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 Zu-schlägen als Schlacke (Kalzium- und Mangansilicate oder -phosphate).

Schrott

Wind-Frischen

B u. T

Sauerstoff-Frischen

Herd-Frischen

Elektro-Stahl

Allg. Baustahl Qualitätsstahl Edelstahl

LD SM

Roheisen

EdelstahlMassestahl

Roheisen

Zwei Verfahren beherrschen heute die Stahlherstel-lung, das Sauerstoffaufblasverfahren im Oxygenstahl-werk und das Lichtbogenverfahren im Elektrostahl-werk.

Zange aus Werkzeugstahl (Qualitäts- oder Edelstahl)

Pinzette aus rostfreiem Stahl. Dieses Material ist eine Legie-rung 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 Phosphor-gehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet.

2.3.2.2.1 Sauerstoffaufblasverfahren

Schrott in einen Konverter ("Großer Topf") zu flüssigem Roheisen gegeben. Von oben wird mit einer wasser-gekühlten 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 Eisen-schmelze 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 Pro-ben 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 Der Lichtbogenofen ist ein feuerfestes Ofengefäß mit Deckel, Elektroden und einer Kippvorrichtung. In den eingebrachten Schrott führt man 2 Elektroden ein. Durch Anlegen einer hohen Spannung entsteht ein Licht-

Sauerstoff-frischen

Linz-Donawitz- oder

LD-Verfahren

Elektro-Stahl-Verfahren

Elektro-

Lichtbogen-Ofen

bogen, der den Schrott zum Schmelzen bringt. Es tritt hierbei keine oxidierende Flamme auf. So kann man teure Legierungsmetalle zusetzen und damit auch hochwertige Edelstähle er-zeugen, ohne große Verluste der teuren Beimengungen durch Oxidation hinnehmen zu müs-sen.

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. V2A-Stahl und Nirosta.

Edelstahl ist ein Sammelbegriff für beson-ders korrosionsbeständige Stähle. Diese Stähle enthalten im allgemeinen mindes-tens 12% Chrom und sind beständig gegen oxidierende Angriffsmittel. Höhere Chrom-gehalte und weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Titan oder Niob verbessern die Korrosionsbeständigkeit. Diese Zusätze beeinflussen auch die me-chanischen Eigenschaften

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2.3.3 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.

Metallerze

in Verbindung mit

Sauerstoff Schwefel Kohlenstoff

Oxide oder

Steine

• Zinkstein • Braunstein

Sulfide oder

Glanz, Kies, Blende

• Kupferkies • Zinkblende • Bleiglanz

Carbonate oder

Spate

• Zinkspat • Bleispat • Malachit

Rösten

mit Wärme und Sauerstoff

Überführen in

Metalloxide Hüttenmännische

Gewinnung

Blei-Zink-Erz

Braunstein

MnO2

Kupferkies

Zinkblende

Bleiglanz

Zinkspat

Spodumen- Lithium

(LiAl(SiO3)2

Malachit

Cu2[(OH)2|CO3] (Gruppe der Carbonate)

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2.3.3.1.1 Elektrolytisch Wir unterscheiden hier 3 Verfahren:

Ausfällen Elektrolyse aus Metallsalz-lösungen

Schmelzflusselektrolyse

Prozess Metalle werden aus Metallsalzlö-sungen durch Zugabe von bes-ser löslichen Stoffen durch Aus-fällen gewonnen.

Metalle werden aus Metallsalzlö-sungen mittels Elektrolyse ge-wonnen.

Metalle werden in der Schmelz-flusselektrolyse 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 fein-gepulverte 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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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 Legie-ren werden die spezifischen Bearbeitungseigenschaften verändert.

Warm- Knetverformung

Kalt – Knetverformung

Spanabhebende Verformung

Giessen Sintern

Beispiele Schmieden, Walzen Stauchen, Prägen, Zie-hen, Biegen

Bohren, Feilen, Fräsen, Sägen, Dekolletieren

Druckguss, Sandguss und Kokillenguss

Definition Unter Druck und Wär-me oberhalb der Kris-tallisations- Temperatur Verformen mit bleiben-der Verfestigung.

Unter Druck und bei Zimmertemperatur Ver-formen ohne bleibende Verfestigung.

Formveränderung durch Abtragen von Material.

Flüssiges Metall in eine Form giessen und abkühlen.

Pulverisiertes Metall unter hohem Druck und Wärme zusam-menbacken.

Anwendungen aus der Praxis

Draht strecken für die Verdrahtung

Löcher bohren für die Befestigung

Die Bearbeitung der Materialien ist Sache der Praxis und wird im Schulunterricht nicht spezifisch be-handelt.


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2.3.5 Gefügeaufbau der Metalle Die Bruchfläche von Stahl zeigt sich bei starker Vergrösserung nicht als einheitliche Fläche, son-dern als Anhäufung vieler kleiner Körner. Eine solche Anhäufung bezeichnet man als Gefüge. Die Bruchfläche von Stahl weist ein Körniges Gefüge auf.

Bei ca. 500-facher Vergrösse-rung 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 an-geordnet und werden an ihren Plätzen durch Bindungskräfte festgehalten. Zum Beispiel hat das Ei-senkristall 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 vie-len 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 anei-nanderstossen hört das Wachsen auf, es entstehen die Korngrenzen.

Mit Hilfe der Röntgenstrahlen lässt sich das Kristallgitter nachweisen

Wolfram hat ein Körper mit sechseckiger Grundfläche.

Innerhalb eines solchen Würfels kann Stahl verschiedene Formen an-nehmen. Die Eigenschaften der Metalle werden durch die unterschiedli-chen Formen beeinflusst.

Kubisch-raumzentriertes

Gitter (a-Eisen, Ferrit)

Kubisch-flächen-zentriertes

Gitter (c-Eisen)

Diese Konstruktion macht den Werkstoff sehr hart.


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2.3.6 Halbmetalle Silizium Hochreines kristallines Silizium ist derzeit das für die Mikro-elektronik am besten geeignete Grundmaterial; weniger hin-sichtlich seiner elektrischen Eigenschaften, als vielmehr der chemischen, physikalischen und technisch nutzbaren Eigen-schaften von Silizium und der seiner Verbindungen (Silicium-dioxid, Siliciumnitrid, usw.). Alle gängigen Computerchips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tat-sache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Ein-lagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Indium, Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silizium in einem weiten Be-reich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmen-den 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 Halblei-ter- und Computerindustrie hin.

Diode

Transistor

Computerchip

Speicher

Triac

Diac

Silizium ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigen-schaften 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.

Polykristalines Solarsilizium

Germanium Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Kon-zentrationen vor; Clarke-Wert (= Durchschnittsgehalt in der Erdkrus-te): 1,5 g/t. Es wird als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen gefunden (Mansfelder Kupferschiefer). Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit, Canfieldit, Germanit und Reniérit.

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 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 (karboni-sierte Steinkohle), Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Torf, Holz und Holzkohle (karbonisiertes Holz). Stickstoff Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft in Luftzerlegungs-anlagen 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 Stick-stoff 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 Dampfreformie-rung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasser umge-setzt. Weiterhin wird auch Wasserstoff zu den Nichtmetallen gezählt, da es die oben genannten Eigenschaf-ten ebenfalls nicht aufweist.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 66 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 4 BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE 1 ERDE ALS ROHSTOFFLIEFERANT

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2.4 Bedeutung und Wert der Stoffe 2.4.1 Erde als Rohstofflieferant

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 Ge-wichtsprozent 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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Erstellen Sie eine Tabelle mit den Stoffen der Elektrotechnik und ihrem Vorkommen in % in der Erd-kruste.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 68 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 4 BEDEUTUNG UND WERT DER STOFFE 2 UMWELTSCHUTZ

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2.4.2 Umweltschutz

2.4.2.1 Philosophie Umweltschutz Die Umweltsituation stellt sich bedrohlich dar. Schlagworte wie Treibhauseffekt, Klimawandel, CO2-Ausstoß, Luftverschmutzung, Waldsterben, Versteppung von Landschaften, Abholzung tropischer Re-genwälder, Müllberge, Ozonloch, Gewässer-Verschmutzung, Vergiftung von Böden in der Natur, sau-rer 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 “Glo-bal 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

Platon 447-347 v. Chr.

Dabei handelt es sich bei der Umweltzerstörung keineswegs um ein rein neu-zeitliches “Phänomen”: Schon Griechen und Römer haben durch ihren Schiffsbau ganze Küstenregi-onen 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 be-wirken imstande ist. Doch obwohl die Rohstoffvorräte und die Regenerationskräfte der Erde be-grenzt 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, wo-nach sich die Erdatmosphäre durch den Treibhauseffekt weiter erhitzen wird. Dann wäre ein Ab-schmelzen 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 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 Um-wandlung 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 Koh-lenstoffkreislauf, einen Stickstoffkreislauf

, einen Schwefelkreislauf und einen Phosphor-Kreislauf.

Für die Betrachtung der Stoffkreisläufe in einem Ökosystem ist auch der Stoffaustausch mit abio-tischen Speichern wie der Atmosphäre und den Sedimenten in Gewässern von Bedeutung. Meist bestehen selbstregulierend wirkende Fließ-gleichgewichte zwischen den Systemkomparti-menten, aus denen ein Stoffkreislauf besteht.

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Unter Aluminiumrecycling wird das Sammeln und Wiederverwerten von Aluminiumteilen verstan-den. Aluminium ist ein Metall, dessen Eigenschaften auch nach seiner Nutzung in einem Produkt nicht beeinträchtigt werden, so dass Aluminium belie-big 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, aufzuberei-ten, zu schmelzen und erneut in gleicher bzw. vergleichbarer Weise zu nutzen.

Kupferrecycling ist die industrielle Wiederver-wertung von Altkupfer. Recyceltes Kupfer besitzt dieselbe Qualität wie der Primärrohstoff. Für die bei der Kupferpro-duktion anfallenden kupferhaltigen Reststoffe bestehen geschlossene Verwertungswege. Be-gleitmetalle in den Sekundärrohstoffen werden getrennt und zu Produkten verarbeitet. Die Ab-lagerung von Stoffen auf Deponien wird damit weitgehend vermieden.

Unter Batterierecycling wird die stoffliche Wie-derverwertung von Batterien verstanden. Für gebrauchte Batterien besteht per Gesetz eine Rückgabepflicht für Verbraucher und eine Rücknahmepflicht für Handel, öffentlich-rechtliche Entsorgungsträger, Hersteller und Im-porteure.

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2.4.3 Materialkreislauf im eigenen Betrieb beschreiben

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2.5 Eigenschaften der Werkstoffe Um Werkstoffe zweckmässig einzusetzen, müssen ihre Eigenschaften umschrieben werden und mit-einander verglichen werden. Dazu sind eindeutige Begriffe notwendig. Diese Werkstoffbegriffe sind teilweise genormt. Man unterscheidet Begriffe, die das mechanische, das chemische und das physika-lische Verhalten kennzeichnen.

Mechanische Eigenschaften - Festigkeit (Zug, Druck, Biegung,

Scherung, Torsion) - Elastizität (Dehnbarkeit) - Plastizität - Härte (Sprödigkeit, Duktilität) - Dichte

Chemische Werkstoffeigenschaften - 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 Ge-

brauch - 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 entge-gensetzen. Die Festigkeit ist abhängig von der Zusammen-hangskraft zwischen den Molekülen, die als Kohäsion be-zeichnet wird. Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft und beschreibt den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff einer plasti-schen Verformung oder Trennung entgegensetzt. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden die technisch rele-vanten Festigkeitskennwerte ermittelt. Je nach Werkstoff, Werkstoffzustand, Temperatur, Belastung und Belastungsge-schwindigkeit 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 Zer-reissen festzustellen, womit man auch gleichzeitig sein Verhalten gegenüber ver-formenden Kräften erhält. Prüfkörper und Durchführung des Versuches sind weitge-hend genormt. Die Prüfung erfolgt mittels hydraulisch angetriebenen Zerreissmaschi-ne.

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 Ausgangs-stellung zurück. Wird dieser Punkt über-schritten, so bleibt eine bleibende Verfor-mung zurück. S Streckgrenze, Elastizitätsgrenze Die Streckgrenze S ist ein Werkstoffkenn-wert 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 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 beizubehal-ten. 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, ku-bisch-raumzentrierte 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 Volu-men. Sie wird zum Beispiel in Gramm pro Kubikzentimeter oder Kilogramm pro Liter angegeben. An-schaulich 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

V

m=ρ

3dm

kg

hat bei den Teilen denselben Wert wie bei dem ursprünglichen Körper. Die Dichte ist eine für das Ma-terial 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 plas-tisch verformen lässt, bis er schließlich bricht. Eine hohe Sprödigkeit besitzen meist Materialien großer Härte, wie beispielsweise Dia-mant, Carbide, Nitride, Salze, Keramiken. Im Gegensatz dazu ste-hen duktile Werkstoffe, wie viele Metalle und Kunststoffe. Diese sind vergleichsweise weit plastisch verformbar, bis sie schließlich bre-chen. 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 Überbe-lastung stark plastisch zu verformen, bevor er versagt. Beispielswei-se 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 Als Verformung oder Deformation eines Körpers bezeichnet man in der Kontinuumsmechanik die Än-derung seiner Form infolge der Einwirkung einer äußeren Kraft. Die Deformation kann als Längenän-derung 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 dau-erhafte Verbinden von mindestens zwei Bauteilen. Die DIN 8593 unterteilt das Fügen in neun Gruppen, in denen die verschiedenen Fügeverfahren zu-sammengefasst werden. - An- und Einpressen - Fügen durch Urformen - Fügen durch Umformen - Fügen durch Schweißen - Fügen durch Löten - Kleben - Verschrauben - Schrumpfen (siehe auch Übermaßpassung)

Verbindungselemente Stifte, Schrauben Niete, Passfedern Keile, Nägel Pressverbinder Kabelschuhe

- Textiles Fügen Garnen, Fäden, Vliesen, Halb- und Fertigproduk-te aus textilen Faserstoffen, Nähen, Knüpfen

2.5.6.3 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 Zähigkeits-eigenschaften 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.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 76 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 5 EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE 7 KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT

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2.5.7 Korrosionsbeständigkeit Korrosion (von lat. corrodere, „zernagen“) allgemein ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Um-gebung, 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 je-doch ebenfalls gebräuchlich in anderen Gebieten, etwa der Geologie und der Medizin. Die wohl be-kannteste 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 Kohlensäu-re im Wasser immer mehr zu Korrosionserscheinungen in den Boilern. Beim emaillierten Boiler zum Beispiel entstehen in der Emaillierung durch die unterschiedliche Aus-dehnung 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 verlän-gern, 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 katho-disch gegen Korrosion geschützt werden und bewirken zusätzlich eine positive Wirkung auf die Kalkstruktur.

Verbrauchte Anode in einem emaillierten Boiler.

Nach Abnützung der Schutzanode entsteht Korrosion (Rost).

Durch den Einbau von Magnesiumschutzanoden

wurde die Korrosion gestoppt.

Korrosion (Rost) in einem

Zementbeschichteten Stahlboiler.

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2.5.7.2 Korrosionsbeständigkeit Rohre und Kabel

2.5.7.2.1 Korrosionsbeständige Metallrohre

Rostfreier Stahl ist ein allgemeinsprachlicher Ausdruck für eine Gruppe von korrosions- und säurebe-ständigen Stahlsorten. Diese Stähle sind auch bekannt unter der korrekteren Bezeichnung nichtros-tender 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 herzu-stellen, haben ein geringes Gewicht, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe elektrische Leit-fähigkeit.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 78 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 5 EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE 8 ISOLATIONSWIDERSTAND

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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 einge-setzt. Die Messelektroden liegen beidseitig auf einer Fläche von 1cm2 auf, die gemeinsame Schichtdi-cke beträgt 1cm. Der Isolationswiderstand wird in Ω oder MΩ gemessen. Es ergibt sich die Einheit:

M cm

cm

Ω ⋅ 2

oder M cmΩ ⋅ ferner gilt 1 10 42

ΩΩ

cmmm

m= ⋅

⋅

Für Angaben nur in Ω oder MΩ muss über das Ausmass des gemeinsamen Prüfobjektes eine Aussage gemacht wer-den. In Hausinstallationen gel-ten für die Ermittlung der Isola-tionswiderstände die Bestim-mungen nach NIN.

Die aktuellen vorgeschriebe-nen Isolationswerte sind auch unter Prüfen und Messen Kapitel 13.17.2.3 aufgeführt.

Prinzipschaltbild einer symmetrischen Leitung:

Berechnung des maximal notwendigen Isolationswiderstandes, damit der Personen-schutz erfüllt ist:

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 79 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 5 EIGENSCHAFTEN DER STOFFE 9 DURSCHLAGFESTIGKEIT

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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 ReguIiertransformator 2, H Hochspannungstransformator R Schutzwiderstand F Messfunkenstrecke P Prüfobjekt, Prüfling

Zwei in Kaskade geschaltete Prüftransformatoren zur Erreichung hoher Prüfspannungen. Die Transformatoren können auch einzeln verwendet werden.

Material

mm

kV

Glimmer 30-50 Porzellan 30-35 Steatit 30-40 Aluminiumoxid -100 Luft 1,5-2 Transformatorenöl 8-15 Naturgummi 15-20 Papier trocken 7-10 Papier ölimprägniert 30-50 Hartpapier 20-60 Phenoplast 3-10 Polystyrol 10-40 Polyäthylen 10-35 Polyvinylchlorid 15-40 Polytetrafluoräthylen 15-40 Polyamid 5-30

Die Durchschlagfestigkeit wird bestimmt aus Durchschlagsspannung dividiert durch Dicke des Prüfkörpers. Sie wird gemessen in:

kV

cm oder

kV

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 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 εr [ ]1 Glimmer 4 - 8 Luft 1 Transformatorenöl 2 - 3,2 Papier 1,8 - 2,6 Hartpapier 4 - 6,5 Steatit 5,5 - 6,5 Gläser 5 - 12

Wesen der Dielektrizitätskonstante:


11 WÄRMEBESTÄNDIGKEIT

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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 nach VKF

Klasse nach IEC

Höchszulässige Temperatur

[[[[°C]]]]

Beispiele

70 PVC Y 90 Baumwolle, Papier ungetränkt A 105 Baumwolle, Papier imprägniert E 120 Hartpapier mit Phenolharz B 130 Pressmassen, Melamin, Phenol F 155 Glimmer mit organischen Trägern H 180 Glimmer mit anorganischen Trägern C >180 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 wärmeisolieren-dem Stoff ausgekleidet sind, gelten im Sinne dieser Bestimmungen als nichtbrennbar.



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2.5.11.4 Nichtbrennbar und wärmeisolierend Nichtbrennbar und wärmeisolierend ist ein Bauelement, das nicht entflammt wer-den 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 Wärmedurchlasswider-stand aufweisen:

W

CmR

°≤

2

07,0

NIN

2.5.11.5 Ermittlung des Wärmedurchlasswiderstandes Nichtbrennbar und wärmeisolierend ist ein Bauelement, das nicht entflammt wer-den 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 Wärmedurchlasswider-stand aufweisen:

°=

W

CmlR

2

λ

NIN

R Wärmedurchlasswiderstand

°

W

Cm2

l Materialdicke ][m

λ Wärmeleitfähigkeit

°Cm

W

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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λ⋅= Rl

[ ] =m

°⋅

°

Cm

W

W

Cm2

Beispiel: Wie dick muss eine Pical-Platte sein, damit dieses Material als nichtbrennbar und wärmeisolierend gilt? Lösung:

NIN

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 84 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 6 OXIDATION UND REDUKTION

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2.6 Oxidation und Reduktion Im Jahre 1783 gelang es dem Franzosen An-toine Lavoisier (1743-1794), den Verbren-nungsvorgang aufzuklä-ren.

Er erkannte, dass die Verbrennung von Stof-fen eine Reaktion mit Sauerstoff ist. Entspre-chend dem französischen Namen „oxygène“ für Sauerstoff wurden der Vorgang als Oxi-dation und die Verbrennungsprodukte als Oxide bezeichnet.

Merke

Stark elektronegative Elemente wie Sau-erstoff und die Halogene haben ein gros-ses Bestreben, Elektronen aufzunehmen. Sie sind deshalb gute Oxidationsmittel. Zur Abgabe von Elektronen neigen Ele-mente 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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Beispiel

Redoxreaktion

32OFe + CO3 Fe2 + 23CO

Eisenoxid Kohlenmonoxid Eisen Kohlendioxid

Reduktion von Eisenerz (Eisenoxid) im Hochofen. Dabei ist das Kohlen-monoxid das Reduktionsmittel.

Beispiel

Redoxreaktion

Mg

+ O

Mg

2+

+ O

2-

Magnesium Sauerstoff

Magnesium- Kation

Sauerstoff-

Anion

Die Reaktion des Magnesiums mit Sauerstoff führt zu einer Jonenbin-dung. Die beiden Aussenelektronen des Magnesiumatoms wechseln zum Sauerstoffatom über.

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 ent-spricht 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 Oxida-tionszahl (+I). Die Summe der Oxidationszahlen ist immer Null. Die Summe der Oxidationszahlen eines mehratomigen Ions ( −2

4SO , −2

3CO , ..) ist gleich seiner Ladung.

Bei einatomigen Ionen ist die Oxidationszahl gleich der Ladung des Ions. Die Oxidationszahl bezieht sich immer auf ein einzel-nes 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:

H2 S

+I +VI

Zn

0

+ O4

-II

Zn S

+II +VI

H2

0

+ O4

-II

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 Oxidati-onszahl von +I auf 0, d.h. sie nehmen je ein Elektron auf, sie werden reduziert.


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2.6.1 Die Stärke von Oxidations- und Reduktionsmittel Um den Ablauf von Redoxreaktionen vorhersagen zu können, benö-tigt 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 entsprechen-de Metall ist.

Cu 2Ag + + Cu

2+ + 2Ag

Das Metall gibt umso leichter Elektronen ab, je unedler es ist. Die Elektronenüber-tragung findet an der Oberfläche des Me-talls statt.

ZnCu2+

+ Zn2+

+Cu

Die Normalspannungen bildet ein Mass für die Leichtigkeit der Elektronenabgabe bzw. -aufnahme. Je negativer sie ist, umso leichter gibt die reduzierte Form eines Redoxpaares (das Metallatom) Elektronen ab. Je positiver sie ist, umso leichter nimmt die oxidierte Form eines Redoxpaares (das Metallion) Elektronen auf.

Luigi Galvani

9. September 1737 - 4. Dezember 1798 Italienischer Arzt, Anatom und Biophysiker

Merke

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 87 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 7 KORROSION UND KORROSIONSSCHUTZ

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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 katho-disch gegen Korrosion geschützt werden und bewirken zusätzlich eine positive Wirkung auf die Kalkstruktur.

Verbrauchte Anode in einem emaillierten Boiler.

Nach Abnützung der Schutzanode entsteht Korrosion (Rost).

Durch den Einbau von Magnesiumschutzanoden

wurde die Korrosion gestoppt.

Korrosion (Rost) in einem

Zementbeschichteten Stahlboiler.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 88 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 8 DIE ELEKTROLYSE

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2.8 Die Elektrolyse Elektrolysen sind Redoxreaktionen, bei denen eine Elektrode als „Reduktionsmittel“ wirkt, in-dem 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)

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 89 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 9 SÄURE- UND BASEN-REAKTION

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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:

H2SO4 + 2H2O +

Schwefelsäure

2H3O + SO4 2-

2H +

Beobachtung:

Im vorliegenden Fall wirkt das

Wasser als Base

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.

BET BEARBEITUNGSTECHNIK Seite 90 2 CHEMIE UND WERKSTOFFKUNDE 9 SÄURE- UND BASEN-REAKTION

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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

Reines Wasser hat eine Ionen-Konzentration (H3O

+) von c=10-7 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.

sauer neutral alkalisch

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.


10 VORTRÄGE „VERWENDUNG BERUFSRELEVANTER STOFFE“

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2.10 Vorträge „Verwendung Berufsrelevanter Stoffe“ Nachfolgend sind alle Materialien aufgelistet, welche beim Einsatz und bei der Anwendung für die Elektrob-ranche von Bedeutung sind. Für die Einzelnen Materialien werden die Lernenden Vorträge vorbereiten und das in der Praxis vorkommen-de und verwendete Material im Klassenverband mög-lichst anschaulich vorstellen.

Arbeitsauftrag

Termin der Abgabe Die Kurzfassung der Referate müssen in der Woche 2 abgegeben werden.

Das Vortragen der Arbeit erfolgt nach den abgemachten Terminen (siehe Hausauf-gaben sowie nachfolgender Plan).

INHALTLICH (WICHTIG)

Der Inhalt soll möglichst die Theorie (Schulwissen) mit der Praxis - mit An-wendungen, 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 – Bearbeitungs-technik.

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 Verfü-gung (Bei allen Inhalten ein Quellenverzeichnis führen – woher kommt meine In-formation).

Vortrag Ihre Arbeiten präsentieren Sie im Klassenverband (Bewertung nach Kriterien Refe-rat). Super wäre eine Powerpoint-Präsentation (Wenn Sie wollen zeige ich Ihnen wie es geht). Für das Referat stehen diverse Medien (Internet, Video, Beamer, Projektor und Wandtafel) bereit.


11 KENNZEICHNUNG DER GEFAHRENSTOFFE

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2.11 Kennzeichnung der Gefahrenstoffe 2.11.1 Gesetzliche Grundlage 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 gefährli-chen Stoffen und Zubereitungen

Neues Symbol für

giftigen Stoff

Hersteller / Herstellerpflichten Wer in der Schweiz Chemikalien herstellt, muss verschiedene Vorschriften beachten. Bei den spezifischen Herstellerpflichten nach Chemikalienrecht steht die Selbstkontrolle im Vorder-grund: Chemikalien müssen hinsichtlich ihrer Gefahren beurteilt und entsprechend eingestuft, verpackt und gekennzeichnet werden. Für die meisten gefährlichen Chemikalien besteht zu-dem eine Meldepflicht. Für neue Stoffe gilt eine Anmeldepflicht, für Biozidprodukte und Pflanzenschutzmittel eine Zulassungs-pflicht.

Die vollständige Umstellung auf die neuen Gefahrensymbole erfolgt in der

Schweiz schrittweise.

Bis Ende 2017 werden im Handel des-halb auch noch Produkte mit den bishe-rigen EU-Symbolen auf orangem Grund

anzutreffen sein.

Handel / Abgabe Wer mit Chemikalien handelt, hat - abhängig von seinen Aktivi-täten - Vorschriften bis hin zu den spezifischen Herstellerpflich-ten zu erfüllen. Für den Händler existiert keine rechtliche Defini-tion. Die Herstellerpflichten obliegen den Direkt- oder Gene-ralimporteuren sowie Händlern, die Chemikalien umfüllen, unter eigenem Namen oder Handelsnamen oder für eigene Verwen-dungszwecke 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 Mas-snahmen sind zu treffen. Berufliche oder gewerbliche Verwen-der sollten insbesondere dem Sicherheitsdatenblatt Rechnung tragen. Die Kennzeichnung (Etikette) gefährlicher Chemikalien ist auch von Privatpersonen zu beachten, insbesondere die Ge-fahrenhinweise (R-Sätze, resp. H-Sätze) und Sicherheitshinwei-se (S-Sätze, resp. P-Sätze). Die Vorschriften über die Lagerung gelten grundsätzlich auch für Privatpersonen.

Gift- Klasse

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 (Reini-

gungsmittel)



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2.11.2 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 internati-onalen Kennzeichen anpasst, sollte man sich die 9 neuen Symbole genauer ansehen und gleich auch einprägen:

Neue Symbole

Beschreibung des Symboles Alte

Symbole Beschreibung des Symboles

Gefahr

GHS 01

Explosiv Instabile Sprengstoff, Sprengstoffe, Divisionen 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 Self-Stoffe und Gemische, Typen A, B, Organische Peroxide, Typ A, B

Durch Wärme, Reibung, einen Schlag oder eine Initialzündung kann eine Explosion ausgelöst werden.

E

Explosionsgefährliche Stoffe Explosion ist unter bestimmten Bedingungen möglich.

Gefahr oder Achtung

GHS 02

Hochentzündlich Brennbare Gase, Kategorie 1, Entzündbare Aerosole, Kategorien 1, 2 Brennbare Flüssigkeiten der Kategorien 1, 2, 3, Entzündbare feste Stoffe, Katego-rien 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 Katego-rien 1, 2, 3 ergeben, Organische Peroxide, Typen B, C, D, E, F

Durch eine Zündquelle können leicht brände entstehen. Dämpfe von Flüssigkeiten sowie Gas und Aerosole können sogar Explosionen verursachen.

F bzw. F+

F Leicht- bzw. F+ hochentzündliche Stoffe Entzünden sich von selbst oder an heissen Gegenständen. Können mit Wasser leicht ent-zündliche Gase bilden.

Gefahr oder Achtung

GHS 03

Brandfördernd Oxidierenden Gasen, Kategorie 1 Oxidierende Flüssigkeiten, Kategorien 1, 2, 3 Oxidierende Feststoffe der Kategorien 1, 2, 3

Ein Brand kann unterhalten und verstärkt werden, auch wenn keine Luft (Sauerstoff) vorhanden ist. Ein Brand kann auch neu entstehen.

O

Brandfördernde Stoffe Andere brennbare Stoffe können entzündet werden. Ausgebrochene Brände werden geför-dert.

Achtung

GHS 04

Gas unter Druck Komprimierte Gase, verflüssigte Gase, Tiefgekühlt verflüssigte Gase, Gelöste Gase. Es besteht Explosionsgefahr und Berstgefahr.

Gefahr

GHS 05

Ätzend Korrosiv gegenüber Metallen, Kategorie 1 Verätzung der Haut, Kategorien 1A, 1B, 1C Schwere Augenschädigung, Kategorie 1

Ätzende Eigenschaften verursachen bleibende Schädigungen von Haut und Augen.

C

Ätzende Stoffe Zerstörung des Hautgewebes nach Berührung.

Gefahr

GHS 06

Hochgiftig Akute Toxizität (oral, dermal, Inhalation), Kategorien 1, 2, 3

Sehr geringe oder geringe Mengen sind tödlich oder rufen unmittelbare schwere Gesundheitsschäden hervor.

T bzw. T+

Giftige Stoffe Erhebliche Gesundheitsschäden durch Einatmen, Verschlucken oder Aufnahme durch die Haut möglich.

T Giftige Stoffe T+ Sehr giftige Stoffe

Achtung

GHS 07

Vorsicht gefährlich 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

Es können die verschiedensten Auswirkungen auf die Gesundheit hervorgerufen werden, z.B. Hautrötungen, Atemwegsreizungen, Hautallergien.

Xn bzw. Xi

Xn Gesundheitsschädliche Stoffe Gesundheitsschäden durch Einatmen, Verschlu-cken oder Aufnahme durch die Haut möglich.

Xi Reizende Stoffe Reizwirkung auf Augen, Haut und Atmungsorga-ne.

Gefahr oder Achtung

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

Schwere chronische Gesundheitsschäden können verursacht werden, z.B. Organ-schädigungen und Atemwegsbeschwerden.

Achtung

GHS 09

Gewässergefährdend Akute Gefahren für die aquatische Umwelt, Kategorie 1 Chronische aquatische Umwelt, Kategorien 1, 2

Akute oder chronische Schäden an der Umwelt sind möglich, wenn der Stoff ins Wasser gelangt.

N

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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2.11.3 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 gela-gert werden. Sie beschränken die Lagerung von Giften auf ein absolutes Minimum. Gifte der Klasse 1 und 2 sind in eigens gekennzeichneten, verschliessbaren Schränken oder Lager-räumen, 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 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 ge-führt 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 ver-wendet werden. Sie beschränken den Einsatz von Giften und die Giftmengen auf ein absolutes Mini-mum. 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 ver-antwortlich. Sie haben ihre Mitarbeiter über die Gefahren der verwendeten Gifte und das richtige Ver-wenden der Schutzmittel regelmässig zu instruieren. An Arbeitsplätzen, an welchen Gifte verarbeitet oder gelagert werden ist das aufbewahren oder ein-nehmen von Speisen und Getränken verboten. Es müssen beim Arbeiten mit Giften der Klasse 1 und 2 separate Kleider verwendet werden. Die Stas-senkleider 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


12 WIDERSTANDSMATERIEL

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2.12 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 Zusammen-

setzung γ

Sm

mm2

α

1

°

C

Temperatur- bereich

[ ]°C

Karma NiCuAlSiMn 0,75 0,00002 20 - 100 Manganin Cu84,Ni4,Mn12 2 0,000015 15 - 60 Konstantan Cu55Ni45 2 0,00004 20 - 600 Isotan Cu55Ni44Mn1 1,5 0,000015 20 - 600

Anwendungen Präzisionswiderstände werden in

- Messbrücken und für - Widerstandsnormale, Messdrähte - Messleitungen in Kryostaten (Kühlgerät

für tiefe Temperaturen) verwendet.



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2.12.2 Belastungswiderstände Belastungswiderstände sind: Anlasswiderstände Regulierwiderstände

Diese Widerstände sind für nicht zu hohe Ansprüche gebaut und werden aus den nachfolgenden Materialien hergestellt.

Anlasswiderstände Anlasswiderstände werden u. a. einge-setzt für Drehstrommotoren mit Käfigläu-fer (Ständeranlasswiderstände) , für Drehstrommotoren mit Schleifringläufer (Läuferanlasswiderstände) oder als Anlasswiderstände für Gleichstrommoto-ren.

Datenblatt1

Tabelle von Belastungswiderständen Name Zusammen-

setzung γ

Sm

mm2

α 1

°

C

Temperatur-

bereich [ ]°C

Temperguss FeC 7 0,004 20 - 150 Neusilber CuNiZn 3 - 4,5 0,03 20 - 250 Hytemco NiFe 5 0,0045 20 - 100 Nickelin CuNi 30Mn 2,5 0,00015 - 500 Konstantan Cu55Ni45 2 0,00004 20 - 600

Anwendungen Belastungswiderstände werden für

- Ständeranlasswiderstände für Drehstrommotor mit Käfigläufer - Läuferwiderstände - Bremswiderstände für Frequenzumrichermotoren - Anlasswiderstände für Gleichstrommotoren

verwendet.



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2.12.3 Heizwiderstände Heizwiderstände für Wärmeapparate müssen bei hohen Tem-peraturen oxidationsbeständig sein. Die Festigkeit soll keine zu grossen Einbussen erfahren. Von den Legierungen wird Kupfer-Nickel (Konstantan) bevorzugt.

Heizwiderstände

Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen (Stark Eisenhaltig)

Tabelle von Heizwiderständen aus Metall-Legierungen Name Zusammen-

setzung γ

Sm

mm2

α 1

°

C

Höchstzul. Temperatur

[ ]°C

Chronin CrNi 0,9 - 1,1 0,0002 1150 Nichrome Ferrochronin FeCrNi 0,9 - 1 0,00017 1050 Kanthal FeCrCuAl 0,7 0,00006 1400 Konstantan Cu55Ni45 2 0,00004 20 - 600

Anwendungen Heizungswiderstände werden für

- Elektrospeicher - Direktheizkörper, Tauchsieder - Haartrockner (Föhn) - Backofen, Kochplatte

verwendet.



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2.12.4 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 Zusammen-

setzung γ

Sm

mm2

α 1

°

C

Höchstzul. Temperatur

[ ]°C

Kohle C -0,0003 Metalloxid Fe3O4 Metalloxid MgTi Metalloxid TiNiCr

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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2.12.5 Technische Widerstände Diese finden zahlreiche Anwendung in elektrischen Schaltungen, als

Vorschaltwiderstände Spannungsteiler Strombegrenzungen

Man unterscheidet bei den technischen Widerständen zwischen:

Laborwiderstände [3] Für Schule-Einrichtungen entwickelt. Ob als Fest-, Schiebe- oder Stellwi-derstand – alle Laborwiderstände sind komplett mit Bodenplatte und Gummifüßen, berührungssicheren RUHSTRAT-Klemmen und Erdungs-klemme, sowie einer Schutzabde-ckung ausgestattet.

Datenblatt 6

2.12.5.1 Festwiderstände Festwiderstände haben einen abgeglichenen, festen Widerstands-wert. 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 (Tan-tal/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


12 WIDERSTANDSMATERIAL 6 AUSSEHEN VON WIDERSTANDSMATERIAL

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2.12.6 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)

Aluminiumgehäuse

Hochleistungswiderstand [3] Chromlegierten, hitzebeständigen Stahl-blech-Widerstände

Hochleistungswiderstand [3] Drahtwiderstand oder Band Isotan CuNi44, Konstantan

Siehe Anwendung „Grossanlage Lastwi-derstand“

2.12.6.2 Mittlerer Leistungsbereich Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,056 Ω - 82 kΩ 4,0 W – 17 W (Datenblatt 1))

Gehäuse Keramik axial

Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,2 Ω - 100 kΩ 3,0 W – 20 W (Datenblatt 1))

Gehäuse Keramik (Metox)

Leistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,51 Ω - 10 kΩ 15 W – 40 W (Datenblatt 1))

Gehäuse Keramik AMP-Anschlüsse


Gehäuse Speziallack Silikonbasis axial


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

(*) Material momentan unbekannt 1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar



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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)

Metallglasur-Gehäuse radial

Kleinleistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 2,4 kΩ 0,75 W und 1,5 W (Datenblatt 1))

Gehäuse Glasfaserträger isoliert

Kleinleistungswiderstand [1] Metalloxidwiderstand (Zinkoxid) 0,22 Ω - 10 MΩ 1,0 W – 4,0 W (Datenblatt 3)

radial

Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (Tantal/Wolfram) 0,3 Ω - 3,32 MΩ 0,5 W und 0,7 W (Datenblatt 2)

Metallglasur-Gehäuse vertikal

Kleinleistungswiderstand [1] Drahtwiderstand (*) 0,1 Ω - 1,0 kΩ 0,75 W und 1,5 W (Datenblatt 1))

Gehäuse Glasfaserträger

Kleinleistungswiderstand [1] Metallschichtwiderstand (mit Dünn-schichtwiderstand Nickel/Chrom) 1,0 Ω - 1,0 MΩ 1,0 W – 3,0 W (Datenblatt 4)

Gehäuse radial

Kleinleistungs-Widerstände [1] SMD-Widerstand (*) 0,16 Ω - 10 MΩ 0,25 W und 1 W (Datenblatt 1))

Gehäuse unbekannt

(*) Material momentan unbekannt 1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar SMD =SMD steht für Surface Mounted Device [2]



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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))

Mit oder ohne Keramikgehäuse

Niederohmwiderstand [1] Stromsensor (*) 0,0005 Ω - 0,068 Ω 01,0 W – 7 W (Datenblatt 1))

ohne Gehäuse

Niederohmwiderstand [1] (*) 0,005 Ω - 0,62 Ω 1,5 W (Datenblatt 1))

Gehäuse axial, gegurtet

Niederohmwiderstand [1] Metallband (*) 0,05 Ω - 3,3 Ω 2,0 W – 10 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 Präzisi-onsapplikationen.



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2.12.6.5 Spezial Widerstände Umpresste Drahtbrücke [1] Maximale Belastbarkeit 10 A Null Ohm (Datenblatt 5)

Gehäuse radial


12 WIDERSTANDSMATERIAL 7 ANWENDUNGEN WIDERSTANDSMATERIAL

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2.12.7 Anwendungen Widerstandsmaterial Schaltregler

[5]

Schaltnetzteile [6] Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzge-rät ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Spannung wandelt. Es kann damit z.B. aus der Netzspannung (Wechselspannung) eine Gleichspan-nung erzeugt werden (AC/DC-Wandler). Das Schaltungsprinzip funktioniert auch mit einer Gleichspannung am Eingang, wenn eine kleinere oder größere Aus-gangsspannung gewünscht ist (DC/DC-Wandler).

Frequenzumrichter [7] Die Frequenzumrichtertechnik hat sich auf dem Antriebsmarkt durchgesetzt. Die An-schaffungskosten sind circa fünfmal grösser als die entsprechenden mechanischen Schal-ter. Die Mehrkosten lassen sich jedoch in vielen Applikationen durch Energieeinsparun-gen 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 Hellig-keitswert unter- oder überschritten wird.

Stark vereinfachte Darstellung.

Elektronische Schaltungen

Anlasswiderstände [10]

Grossanlage mit Lastwiderstand [3]

Datenblatt1)

Kombinierte Last [3] Auf Wunsch wird den Lastwiderständen auch eine induktive und/oder kapazi-tive Komponente beigestellt um ver-schiedene Lasten mit unterschiedlichen Phasenverschiebungswinkeln oder um bestimmte Blindleistungen bei Genera-toren, Schalt-, Schütz- und Kontrollbe-lastungen, zu simulieren.

Datenblatt1)

Prüfwiderstände [3]

Individuell einstellbarer Widerstand. Datenblatt1)

1) Datenblatt nicht auf Rechner gespeichert, ab Internet verfügbar


12 WIDERSTANDSMATERIAL 7 ANWENDUNGEN WIDERSTANDSMATERIAL

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Laborwiderstände [3] Für Schule-Einrichtungen entwickelt. Ob als Fest-, Schiebe- oder Stellwiderstand – alle Laborwiderstände sind komplett mit Bodenplatte und Gummifüßen, berüh-rungssicheren RUHSTRAT-Klemmen und Erdungsklemme, sowie einer Schutzab-deckung ausgestattet.

Datenblatt 6

Entladewiderstände [3] Mit Entladewiderständen werden indukti-ve und kapazitive Bauelemente bzw. Batterien entladen. Bei Batterien werden sie dazu verwendet festzustellen, welche Restkapazität eine vorher voll aufgela-dene Akkumulatorenbatterie noch hat.

Datenblatt1)

Dämpfungswiderstände [3] Dämpfungswiderstände sind Bestandteil von Einschaltstromdämpfungen. Beson-ders im Transformatorenbau werden Dämpfungswiderstände zur Begrenzung des Einschaltstromes eingesetzt. Mit Einschaltstromdämpfungen werden Einschaltströme standardmäßig auf den 3,5fachen Nennstrom begrenzt.

Datenblatt1

Bremswiderstände [3] Bremswiderstände sind in der Lage, sowohl kurzzeitige Laststöße, als auch die gewünschte Dauerleistung aufzunehmen (z. B. Bremswiderstände für Frequenzum-richterantriebe). Für kleinere Antriebe werden häufig Widerstandselemente und für größere Antriebe Stahlgitterwiderstän-de eingesetzt.

Datenblatt1

Anlasswiderstände Anlasswiderstände werden u. a. einge-setzt für Drehstrommotoren mit Käfigläu-fer (Ständeranlasswiderstände) , für Drehstrommotoren mit Schleifringläufer (Läuferanlasswiderstände) oder als Anlasswiderstände für Gleichstrommoto-ren.

Datenblatt1

Erdungswiderstand [3] In Mittelspannungsnetzen mit niederoh-miger Sternpunkterdung (Nospe) be-grenzen unsere Erdungswiderstände einen auftretenden Erdschlussstrom auf einen maximal zulässigen Wert, bis die zugehörigen Schutzrelais den fehlerbe-hafteten Stromkreis abgeschaltet haben. Erdungswiderstände werden komplett gemäß den Anforderungen des Kunden ausgeliefert, mit einem Stromwandler, Nullast- oder Lastschalter usw.

Potentiometer [3] Stufenlos verstellbar da ringförmig, bieten diese Widerstände Flexibilität auf kleinem Raum.

[4] Datenblatt1

Heizwiderstände

Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen

Datenblatt1




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2.12.8 Anwendungen Leitungswiderstände Die Leitungswiderstände sind zwar auch widerstandsmaterial, müssen aber gegenüber dem Wider-standsmaterial möglichst einen Gute Leitfähigkeit aufweisen. Motorenwicklungen bzw. Stator- und Rotorstäbe sind meist aus Kupfer

Klein-Transformatoren bzw. deren Wick-lungsdrähte sind meist aus Kupfermate-rial

Kabel bzw. deren Leitungsmaterial für Verlängerungen und Apparateanschlüs-se 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 Verbin-dungsleitungen 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




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2.12.9 Farbschlüssel für Festwiderstände Es gibt sieben E-Reihen: E3, E6, E12, E24, E48, E96 und E192.

an 23 ⋅=

6543210 ,,,,,,a ∈ 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 m10

12=n

11210 ,....,,,m ∈ Für Widerstände kleiner Leistung werden die nebenstehenden Reihen verwendet.

Beispiel: Von einem Festwiderstand mit 470Ω und einer Toleranz von ±10% soll der Farbschlüssel be-stimmt werden!


13 ISOLIERSTOFFE

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2.13 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.


13 ISOLIERSTOFFE

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2.13.3 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


13 ISOLIERSTOFFE 5 ANFORDERUNGEN AN ISOLIERSTOFFE

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2.13.5 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


13 ISOLIERSTOFFE 6 ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE

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2.13.6 Anorganische Isolierstoffe Anorganische Isolierstoffe spielten in den Anfängen der Elektrotechnik eine Grosse Rolle. Heute wer-den noch folgende anorganischen Isolierstoffe verwendet:

Luft

Glimmer

Asbest

Keramik

Glas

Eternit

Pical Die anorganischen Stoffe werden für den Einsatz in der Elektrotechnik als Schichtgewebe, Hartgewe-be 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 Hochspan-nungsnetzes


13 ISOLIERSTOFFE 6 ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 4 KERAMIK

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2.13.6.2 Glimmer Glimmer ist ein Mineral, welches in Form von unregelmässigen Kristallen auftritt. Die Kristalle lassen sich in Plättchen und Plat-ten von 0,006 - 3mm Dicke auf-spalten.

Glimmer mit Turmalin

Muskowit oder Kaliglimmer Es hat gute mechanische Festigkeit und Harte. Die Durchschlagfestigkeit erreicht 25 kV/mm, die Die-lektrizitätszahl 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 Heiz-elementen, Überspannungsableitern, Elektromaschi-nen und in der HF-Technik gebraucht. Kleine Glim-mersplitter (Splittings) sind Ausgangsstoffe für Glim-merprodukte.

Flacher

Glimmerkondensator

Synthetischer Glimmer Glimmer aus Quarz, Bauxit und Magnesit erreicht zum Teil bessere Eigenschaften als Naturglimmer.



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2.13.6.3 Asbest Asbest besteht aus Silikaten ver-schiedener Zusammensetzung. Es ist ein in Fasern aufspaltbarer Kristall, je nach Fundort mit stark unterschiedli-chen Eigenschaften. Die Fasern wurden je nach Länge und Zähigkeit weiterverarbeitet. In der Elektrotechnik wurde Asbest dort verwendet, wo neben der lsolier-fähigkeit ein hitze- und feuerbestän-diger Stoff verlangt wird. Die dielektrischen Eigenschaften sind nicht sehr gut.

Anwendungen Zuleitungen zu Thermoelementen, Heizwicklungen von Heizkissen- und -decken sind mit Asbestisola-tion 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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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 Die-lektrizitätskonstante. Solchen Anforderungen sind Porzellan und Steinzeug nicht mehr gewachsen. Man verwendet dann das besser geeignete Steatit oder keramische Sondermassen

2.13.6.4.1 Aufteilung der keramischen Isolierstoffe

Porzelan S teinzeug Steatit K eram ische

E inbettm assen (M eta llox ide)

Aufgebaut aus: K oalin Q uarz Feldspat

Aufgebaut aus: V erschiedene

n Tonen Feldspat Q uarz

Aufgebaut aus: Speckstein (Al-S ilikat) M agnesium , Al-S ilikat

Aufgebaut aus: R util

(Titandioxid) Titanaten des

m agnesium

Aufgebaut aus:

Al-Oxiden Magnesiumoxid Berylliumoxid Zirkonoxide Speckstein



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2.13.6.4.2 Herstellung keramischer Isolatoren



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2.13.6.4.3 Porzellan Als Rohstoffe werden Kaolin, Quarz und Feldspat (Silikatminerale) ver-wendet. 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 Stü-cke 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 fol-gende Eigenschaften: Zugfestigkeit Rm 2,5...5 N/mm2 Dichte ρ 2.3...2.5 kg/dm3 Feuerfest bis 1670 °C Durchschlagfestigkeit 30...35 kV/mm Dielektrizitätszahl εr 6 Isolationswiderstand RISO 1O5. .106 MΩ

Anwendungen Als Anwendung seien Isolatoren für Hoch- und Niederspannung, Durchführungen, Klemmenkörper, Sicherungselemente und Patronen, Fassungsringe, Schalter, Steckdosen, Dosen und Keramikkon-densatoren, erwähnt.



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2.13.6.4.4 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 verschmol-zen. 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 Verbesse-rungen 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 länge-rem Betrieb und in betriebswarmem Zustand, soll klein sein. Die Durchschlagfestigkeit ebenfalls im betriebswarmen Zu-stand muss genügend hoch sein. Die Masse darf den Heizlei-ter nicht angreifen. Oxidkeramik findet Verwendung z.B. als Chipwiderstand, Trimmer, Thermo-Druckkopf oder als Substrat (Unterlage) bei der Herstellung von integrierten Schaltungen.


13 ISOLIERSTOFFE 6 ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 5 GLAS

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2.13.6.5 Glas

2.13.6.5.1 Herstellung von Glas Die Glashütten verarbeiten Quarzsand (SiO2), Kalk (CaCO2), Soda (Na2CO3) und Glaubersalz (Na2SO4+H20) zu einem Gemenge, das bei 15...16000C 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 9000C, das geläuterte Glas im Handbetrieb oder vollautomatisch entnom-men. Die Formgebung erfolgt durch Blasen, Pressen, Walzen und Ziehen.

Die Scheidewand hält die Schlacke von der Glasent-nahme fern.

Hohlkörper werden durch Blasen erzeugt, wobei die Formgebung in Metallformen erfolgt. Isolatoren, Röhrensockel und Lampenteile wer-den gepresst, ebenfalls Glasziegel und andere nicht in der Elektrotechnik eingesetzte Glasteile.

Glasisolatoren



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Glühlampenkolben von Leuchtmitteln

Scheiben und Stäbe sowie Gespinste werden gezogen. Typische Anwendun-gen von Glas in der Elektrotechnik sind Lampenkolben, Röhrenkolben, Träger der Elektroden und Glühfäden, Queck-silberwippen, Gleichrichtergefässe und lsolatoren. Glasseide besteht aus un-endlich langen Fasern von 5...13 µm Dicke, von denen 10O...200 miteinan-der versponnen werden. Zur Erzeugung der Glasseide wird fIüssiges Glas durch Düsen gepresst und mit grosser Ge-schwindigkeit abgezogen, gesponnen und aufgehaspelt.

Die Gespinste werden bei hochwertigen Drahtisolationen im Motoren- und Transformatorenbau ge-braucht. Meistens werden sie mit Lacken imprägniert. Die Zugfestigkeit von Glasseide beträgt 900...1400 N/mm2, 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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2.13.6.5.2 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. Lichtleiter

2. Innerer Schutzmantel 1

3. Innerer Schutzmantel 2

4. Zugentlastung

5. Äusserer Schutzmantel 1

6. Äusserer Schutzmantel 2


13 ISOLIERSTOFFE 6 ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE

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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 Steige-rung 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.


13 ISOLIERSTOFFE 7 NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE

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2.13.7 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 Papier Textilien G 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.


13 ISOLIERSTOFFE 7 NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 1 PAPIER

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2.13.7.1 Papier Die in der Elektrotechnik verwendeten Papiersorten sind ausschliesslich aus Holzzellstoffen herge-stellt. 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 unter-scheidet man maschinenglatte, kalandrierte und azetylierte Isolierpapiere. Kalandriertes Papier wird zwischen Walzen verdichtet, azetyliertes Papier erfährt eine chemische Nachbehandlung, welche den Isolationswiderstand verbessert.

Eigenschaften maschinenglatt kalandriert azetyliert

Zugfestigkeit 60 N/mm2 80 N/mm2 ---

εr 1,5...3,5 2 1,3...3

Durchschlagfestigkeit 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 viel-fach aus Papier gemacht.

Neben direkter Verwendung wird Papier mit Öl, Lack und Wachs imprägniert. Es dient auch als Träger hochwertiger anderer Isolier-stoffe, die mit Lacken und Kunstharzen aufgeklebt werden.



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Pressspan, Hartpapier Hartpapier und Hartgewebe bestehen aus entsprechenden Bahne, die mit Kunstharz, meistens Phe-nol- 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 entste-henden Schichtstoffe sind von hervorragender Qualität. Stäbe, Rohre und Zylinder werden auf geheiz-ten Walzen unter Druck gewickelt. Hartpapier wird eingesetzt im Schalttafelbau als Abdeckung elektrischer Installationen für Spulenträ-ger, Isolierzylinder im Transformatorenbau, für die Nutenisolation von Motor- und Generatorenwicklun-gen 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 200 N/mm2

Brennbarkeit schwer brennbar



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Schematische Darstellung der Papierfabrikation



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2.13.7.2 Textilien Textilien für die Elektrotechnik werden aus verschiedenen Rostoffen hergestellt, nämlich aus:

B Baumwolle

H Hanf

J Jute

S Seide Die Einzelfasern werden dabei zu Fäden versponnen und meistens verwebt. Wie Papier sind auch die Textilien hygroskopisch (wasseranziehend) und werden daher fast immer imprägniert. Anwendungsbereiche Leiterisolation (heute weniger), Bandagieren von Wicklungen, Ausfüllen von Kabelleitungen, Kennfäden für Leitungen.

Isolation einer Statorwicklung

mit Seidenband


13 ISOLIERSTOFFE 7 NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 3 GUMMI

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2.13.7.3 Gummi Der Heveabaum, welcher im tropischen und subtropi-schen Klima gedeiht, sondert einen Saft den Latex ab, welcher 35...40% Rohkautschuk enthält. In riesigen Plantagen gewonnen, wird der Latex durch Säuren be-handelt, wobei er gerinnt (koaguliert). Die fein verteilten Kautschuktröpfchen ballen sich dabei zu Klumpen zu-sammen. 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 ent-standenen Gummi elastischer und wärmebeständiger machen. Mit viel Schwefel erhält man Hartgum-mi. 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 nach vor während nach

erfolgter Dehnung des Kautschuk erfolgter Dehnung des Gummi

Die Schwefelbrücken beim Gummi verhindern das Verschieben der Fadenmoleküle.


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Vom Milchsaft des Gummibaums zum Werkstoff Gummi


13 ISOLIERSTOFFE 7 NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 4 VERGUSS- UND TRÄNKMASSEN

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2.13.7.4 Verguss- und Tränkmassen

2.13.7.4.1 Übersicht

Es eignen sich:

Material Tropfpunkt

[°C]

Asphaltmassen 180 Harzmassen wie Kolophonium 120 Pechmassen 110 Paraffin und Wachsmassen 80

2.13.7.4.2 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 Ei-

genschaften nicht schwächen. Sie sollen die ausgegossenen Armaturen gut füllen, an Metallen haften, ein geringes

Schwundmass aufweisen und feuchtigkeitsbeständig sein.


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2.13.7.4.3 Anwendungen Sie dienen dem Ausgiessen von Armaturen für Papier-bleikabel, 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.


13 ISOLIERSTOFFE 7 NATÜRLICHE ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 5 ISOLIERÖLE

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2.13.7.5 Isolieröle

2.13.7.5.1 Übersicht

Besonders behandelte Mineralöle werden in der Elektrotechnik in Transformatoren, Schaltern, Kon-densatoren 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 Kon-densatoren mit dem Öl zusammentrifft über Tröckenfilter geführt.


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Isolieröl verbessert auch die Isolationswerte von Papier und Pressspan. Ölgetränkte Papierkabel und ölgetränkte Isolati-onen in Hochspannungsapparaten zeugen da-von. Neuerdings haben sich auch die Silikonöle und Diphenylchlorid, die schwer oder nicht brennbar sind, eingeführt.

Transformator mit Ölkühlung

lsolieröl Diphenylchlorid

Dichte kg/dm3 0,89 1,5

Durchschlagfestigkeit kV/mm 12 20

Bennbarkeit brennbar schwer brennbar,

nicht brennbar

Dielektrizitätszahl 2,2 4,5...6



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2.13.7.6 Isoliergase Schwefelhexafluorid SF6 ist ein gasförmiger lso-lierstoff. Es wird in gekapselten Hochspannungs-anlagen 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 brin-gen, setzt Yalong Hydro im Wasserkraftwerks Jinping I auf gasisolierte Übertragungsleitun-gen (GIL) von Siemens.

Bildquelle: © Siemens AG Gasisolierte Rohrleiter bestehen aus zwei konzentrisch angeordneten Alu-miniumröhren. 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 in-neren 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 Rohrlei-tungen, die im Staudamm senkrecht nach oben führen.

Jedes System kann bei 550 kV Spannung 2.200 MVA Leistung transportieren.


13 ISOLIERSTOFFE

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2.13.8 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 Werkstof-fen. Durch besondere Behandlung entsteht daraus ein Kunststoff. Diese Stoffe liegen also zwischen den natürlichen Werkstoffen und den synthetischen Werkstoffen (Kunststoffe, Plaste). Es gibt u.a. folgende Zellulose-Kunststoffarten:

1 Pressspan (Papier+Harz)

2 Lackpapier

3 Zellulose-Nitrat

4 Zellulose-Acetat (Zellstoff+Essigsäure) Die Zellulose-Kunststoffe bzw. seine Anwendungen siehe unter dem Kapitel der Papiere aufgeführt.

2

3

4

1

1

4

4



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2.13.9 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. syntheti-schem Wege (durch Zusammenfügen kleinster Elemente) hergestellt werden. Es sind vorwiegend or-ganische 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)


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE / PLASTE 3 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 Atom schematisch

Elemente Wertigkeit Atom schematisch

Kohlenstoff

C

4

Chlor

Cl

1

Wasserstoff H

1

Silizium

Si

4

Sauerstoff O

2

Schwefel

S

2

Stickstoff N

3

Plaste (Kunststoffe) bestehen aus Makromolekülen, deren Einzelmoleküle organische Kohlen-stoff-Verbindungen sind. Vom Einzelmolekül zum Makromolekül. Durch Aufbrechen eines Stranges der Doppelbindung bei ei-nem Einzelmolekül verbinden sich durch die frei gewordenen Valenzen die Einzelmoleküle zu Makro-molekülen.

Arten der Makromoleküle und ihr Verhal-ten: Die grundle-genden Eigen-schaften der Makromoleküle hängen weit-gehend von der Gestalt der Makromoleküle ab. Solche Moleküle können in Form von Fäden, Ver-zweigungen oder Netzen auftreten.

Art der Molekühle

Aufbau schematisch

Struktur des Stoffes

schematisch Verhalten Eigenschaften

Festigkeitsverhalten bei Temperatur

Fadenmolekül (fadenförmige

Makromoleküle)

Thermoplastisch wärmeverformbar,

schweissbar, Thermoplast

Die Molekülketten sind nicht miteinander

vernetzt. Sie ähneln einem

Wattebausch.

fest

weich

teigig

flüssig

Fes

tigkei

t

Zer

setz

ung

Temperatur

Thermoplast

Verzweigte Moleküle

(wenige Vernet-zungsstellen)

Thermoplastisch Thermoplast

Die Molekülketten sind sehr weitmaschig

vernetzt. Sie können durch

kleine Kräfte gedehnt werden und federn

wieder zurück.

fest

Fes

tig

kei

t

Zer

setz

un

g

Temperatur

Elastomer

Vernetzte Moleküle

(viele Vernet-zungsstellen)

Weite Vernetzung Elastisch

Elastomere

Enge Vernetzung duroplastisch

Duroplast

Die Molekülketten sind engmaschig vernetzt.

Dies lässt keine Formänderungen zu.

Fes

tig

kei

t

Zer

setz

un

g

Temperatur

Duroplast


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 3 HERSTELLUNG DER KUNSTSTOFFE

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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 gleicharti-ge Einzelmoleküle (Monomere) zu einem Riesenmole-kül (Polymer) aneinandergereiht werden.

Die so entstandenen Kunststoffe heissen Polymerisate.

Polykondensation Polykondensation ist die Verbindung vieler Grundmole-küle mit je einem weiteren Molekül zu einem Riesen-molekül, wobei beim Zusammenschluss einzelne Ato-me abgespalten werden. Sie verbinden sich zu kleine-ren Molekülen (z.B. Wasser) und verlassen den sich bildenden Stoff.

Die entstandenen Stoffe heissen Polykondensate.

Polyaddition Polyaddition ist die Vereinigung vieler Grundmoleküle durch das Anlagern weiterer verschiedenartiger Mole-küle ohne Abspaltung von flüchtigen Bestandteilen.

Die entstandenen Stoffe heissen Polyaddukte

Alle diese chemischen Vorgänge werden beeinflusst durch Wärme und Druck, aber auch durch Kata-lysatoren. d.h. durch zusätzliche Stoffe, die allein durch ihre Anwesenheit den Ablauf des Vorganges beeinflussen.

Bausteine der Kunststoffherstellung Vinylchloridmolekül C2H3Cl

Harnstoffmolekül CH4ON2

Silikon-Makromolekül (Anstelle des Siliziums werden auch Al, P, Ti verwendet)


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 4 EINTEILUNG DER KUNSTSTOFFE / pLASTE

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2.13.9.4 Einteilung der Kunststoffe / Plaste Die Einteilung der Kunststoffe kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden. Ge-bräuchlich ist die Gruppierung nach dem Verhalten in der Wärme.


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 5 THERMOPLASTE

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2.13.9.5 Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, die mit zunehmender Erwärmung erweichen, plastisch und in einzel-nen Fällen sogar flüssig werden. Bei Abkühlung werden sie wieder fest, bei Unterkühlung sogar sprö-de. Einige bekannte Thermoplaste wollen wir näher untersuchen.

Polyvinilchlorid (PVC) Polyäthylen (PE) Polyamid (PA) Polytetrafluorethylen (PTFE) Polystyrol (PS) Polyacrylate (PMMA, PAN) Polypropylen (PVDF,PP)

2.13.9.5.1 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 weis-ses 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 (PVC) Weich-PVC Verarbeitung des PVC


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 5 THERMOPLASTe

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Anwendungen und Eigenschaften des PVC Eigenschaften Hart-PVC Anwendungen Dichte kg/dm3 1,38 Kanäle Zugfestigkeit N/mm2 40...60 Rohre Wärmebeständig °C 60 Zubehörteile, Isolierband Brennbarkeit schwer Gehäuse Isolationswiderstand MΩcm 109-1010 Dielektrizitätszahl εr 3,1...3,5 Durchschlagfestigkeit kV/mm 40...50 Handelsnamen: Symadur, Isodur Eigenschaften Weich-PVC Anwendungen Dichte kg/dm3 1,38 Drahtisolationen für Hausinstallationen Zugfestigkeit N/mm2 20...70 Kabelisolationen Wärmebeständig °C 60 Isolierschläuche, Isolierband, Installationsrohre Brennbarkeit schwer Kunstleder, Stiefel, Schutzhandschuhe Isolationswiderstand MΩcm 1010 Stechvorrichtungen, Folien, Schwimmerschalter Dielektrizitätszahl εr 3,3...3,4 Durchschlagfestigkeit kV/mm 50...75 Handelsnamen: Vinidur, Vinoflex, Hostalit

Vestolit

Mit etwa 40% Weichmachern wird PVC für viele Verwendungen eingesetzt. Die normale Mi-schung darf nicht bei Temperaturen über 60°C angewendet werden. Sondermischungen für erhöhte und umgekehrt tiefe Temperaturen sind erhältlich.



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2.13.9.5.2 Polyäthylen Polyäthylen (PE) ist ein thermoplastischer Kunststoff aus Äthyl-en C2H4. Äthylen wird als Gas von den Erdölraffinerien geliefert. Aus dem EinzelmoIekül werden entweder bei Druckanwendung von 1000...2000 bar und Temperaturen von 185... 220°C oder beim Niederdruckverfahren mit geeigneten Beschleunigern Po-lymere 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 Hochfre-quenzkabel ergeben sich kleine Verluste. Die Kabel sind feuch-tigkeits- und salzwasserbeständig. Das erste Transatlantikkabel für Telephonie ist mit PE isoliert.

Polymerisat Jahr der

Produktions-Aufnahme

Polyvinilchlorid 1928 Polyacrylester 1928 Polyvinylazetat 1930 Polyvinylazetat 1932 Polystyrol 1935 PoIytetrafluoräthylen 1940 Polytrifluorchloräthylen 1940 Polyäthylen 1948 Polyacrylnitril 1948 Polypropylen 1953 Polyoxymethylen 1958

Eigenschaft Anwendungen Dichte kg/dm3 0,92...0,96 Zuber, Becken, Flaschen, Fässer Zugfestigkeit N/mm2 10...17 Schrumpfschläuche Wärmebeständig °C 80...100 Draht- und Kabelisolationen Brennbarkeit brennbar Installationsrohre, Schwimmerschalter Isolationswiderstand MΩcm 109-1010 Kondensatoren, Isolierscheiben in Koaxialkabel Dielektrizitätszahl εr 3,1...3,5 Helm Durchschlagfestigkeit kV/mm 40...50 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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2.13.9.5.3 Polyamid

Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 1,14 Zahnräder Zugfestigkeit N/mm2 hoch Lagerschalen Wärmebeständig °C 100 Gleitschienen Brennbarkeit Schutzhelme Isolationswiderstand MΩcm Kraftstofftanks, Polyamidfasern (Nylon, Perlon) Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen: Durethan, Ultramid, Vestamid Zytel, Rilsan

2.13.9.5.4 Polytetrafluoräthylen Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 2,2 Wärmebeständige Beschichtungen Zugfestigkeit N/mm2 Schmiermittel Wärmebeständig °C -150 bis 280 Chemiearmaturen

Dichtungen Brennbarkeit Lagerschalen Isolationswiderstand MΩcm Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen: Teflon, Hostaflon



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2.13.9.5.5 Polystyrol Das Polymere enthält je nach Art der Herstellung 300...5000 Ein-zelmoleküle. 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 Gebrauchs-gegenständen des täglichen Lebens wird es in der Nachrichten- und HF-Technik eingesetzt.

Polystyrol (PS), heute vorwiegend aus Benzol einem Erdölderivat ge-wonnen. hat folgende Eigenschaften:

Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 1,04 Fäden, Folien, Platten, Rohre, Formteile Zugfestigkeit N/mm2 60...80 Wekzeuggriffe, Isolierungen der Elektrotechnik Wärmebeständig °C 80 Spulenkörper HF-Technik Brennbarkeit leicht Sockel, Stecker, Gehäuseteile Isolationswiderstand MΩcm 109 Akkumulatorenkästen, Klemmenleisten Dielektrizitätszahl εr 2,6 Klemmensockel, Isolierteile Wärme und Kälte Durchschlagfestigkeit kV/mm 50 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 Käl-teapparaten. als Füllstoff zur Versteifung paralleler Verkleidungsplatten und für die Schallisolierung. Der Schaumstoff ist weiss (Kunstschaumstoffe vergleichen).



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2.13.9.5.6 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 Anwendungen Dichte kg/dm3 1,18 Rasterwerkstoff bei Beleuchtungskörpern Zugfestigkeit N/mm2 75 Reklamebeleuchtungen Wärmebeständig °C Isoliermaterial Brennbarkeit schwer Schutzgläser, Schutzbrillen, Splitterschutz Isolationswiderstand MΩcm 107-1010 Durchsichtige Gehäuse, Dachverglasungen Dielektrizitätszahl εr 3...3,7 Sanitärartikel Durchschlagfestigkeit kV/mm 20...40 Handelsnamen: Plexiglas, Plexigum, Acronal, Resarit

Viele durchsichtige Anschauungsmodelle, Abdeckgläser und Abdeckhauben bestehen aus Plexiglas.


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 6 DUROPLASTE

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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:

Phenoplaste (PF) Aminoplaste (UF) Epoxydharze (EP)

2.13.9.6.1 Phenoplaste Phenoplaste (PF) bestehen aus Kresol und Phenol einerseits und aus Formaldehyd. Kresol und Phe-nol 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, Gewebe-schnitzel, 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 be-gegnen ihnen bei den Schichtstoffen. Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 1,5 Gehäuse elektrischer Apparate Zugfestigkeit N/mm2 Isoliergriffe Wärmebeständig °C 130 Klemmenleisten Brennbarkeit Lampenfassungen Isolationswiderstand MΩcm T+T-Installationsmaterial Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen: Trylitan, Asplit, Trolitax, Corephan, Pertinax,

Azolene, Bakalite



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2.13.9.6.2 Aminoplaste Aminoplaste (UF) bilden eine Gruppe verschiedener Harze. Die bekanntesten sind die Harnstoff- oder Carbamidharze und die Melaminharze. Beides sind Verbindungen aus Kohlenstoff, Sau-erstoff, 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 Anwendungen Dichte kg/dm3 Deckel von Steckdosen, Dosen, Schaltern Zugfestigkeit N/mm2 Dechel von Sicherungselementen Wärmebeständig °C Abdeckplatten Brennbarkeit Schaltergriffe Isolationswiderstand MΩcm Klemmenplatten Dielektrizitätszahl εr Teile von Schützen, Apparateteile T+T und HF Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen:

Harnstoffharze: Albamit, Beckamin, Resamin, Pollopas, Cibanoid

Melaminharze: Albamit, Resamin, Resopal, Ultrapas, Cibamin



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2.13.9.6.3 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 ei-nem Begriff geworden. Die Erdölindustrie lie-fert 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 ange-fertigt. Ganze elektrische Apparate, Wicklungen und Kondensatoren lassen sich eingiessen. Die Formbeständigkeit, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die elektrischen Isolationswerte sind hervorra-gend. Laminierharze dienen dem Aufbau von Schichtstoffen. Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 Isolatoren Zugfestigkeit N/mm2 Giesharz Wärmebeständig °C Klebeharz Brennbarkeit Lackharz Isolationswiderstand MΩcm Ausgangsstoff für faserverstärkte Kunststoffe Dielektrizitätszahl εr Leiterplatten Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen: Araldit, Epoxin, Epikote, Lekutherm


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 7 ELASTOMERE

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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. Natur-kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Nitrikautschuk und Chloroprenpolymerisate. Die Elastomere können aber auch im Polyadditionsverfahren, z.B. als Polyurethanelastomere, hergestellt werden.

Synthetische Elastomere (SR) Styro-Butadien-Gummi (SBR) Acryl-Butadien-Gummi (NBR) Bytyl-Gummi (IIR) Ethylen-Propylen-Gummi (EPM) Fluor-Gummi (FPM) Silikon-Gummi (Q) Wird Naturkautschuk erwärmt und mit Schwefel behan-delt, so erhält man Gummi. In der Elektrotechnik ver-wendet man Gummi vor allem zur Isolation flexibler Lei-tungen. Styrol-Butadien-Kautschuk und Butadien-Kautschuk 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 Tempe-raturbeständigkeit, ist beständig gegen verdünnte Säu-ren und witterungsfest. Deshalb verwendet man Chloro-pren-Kautschuk in der Elektrotechnik, z.B. als Isolation von Schlauchleitungen für mittlere mechanische Bean-spruchung.


13 ISOLIERSTOFFE 9 KUNSTSTOFFE/PLASTE 7 ELASTOMERE

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2.13.9.7.1 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 Zwischenpro-dukte, die anschliessend zu Polymeren, den Silikonen, kondensiert werden. Es lassen sich Silikonöle und Silikonfette gewinnen, die wasserabstossend wirken. Sie dienen als lmprägniermittel. Silikonkaut-schuk ist elastisch und sehr temperaturbeständig. Silikonharze werden mit Glasseide, Glimmer und Asbest zu Isolierstoffen für thermisch hochbeanspruchte Maschinen verarbeitet. Als Lack dienen Sili-kone zum Imprägnieren von Wicklungen. Eigenschaften Anwendungen Dichte kg/dm3 Isolierstoff bei Maschinen Zugfestigkeit N/mm2 Imprägniermittel Wärmebeständig °C Gipsbecher Brennbarkeit Isolationswiderstand MΩcm Dielektrizitätszahl εr Durchschlagfestigkeit kV/mm Handelsnamen:


14 GESCHICHTE DES PERIODENSYSTEMS

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2.14 Geschichte des Periodensystems Wer sich mit dem Periodischen System der chemischen Elemente befassen will, tut gut da-ran zu wissen, dass hierbei das Wort 'Element' in zwei völlig verschiedenen Bedeutungen neben-einander verwendet wird:

Einmal meint man z.B. mit dem "Element Gold" den gelb glänzenden, den elektrischen Strom hervorragend leitenden, bei 1064°C schmelzen-den und spezifisch sehr schweren Stoff (Dichte 19,32 g/cm³). Und ohne Vorwarnung meint man daneben mit dem "Element Gold" auch das Gol-datom, 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 Tages-licht betrachtet.

Die Betrachtung der elementaren Stoffe stand im 19. Jahrhundert im Vordergrund als das Perioden-system der Elemente entwickelt wurde. Die Betrachtung der elementaren Atome kam erst im 20. Jahr-hundert 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)


14 GESCHICHTE DES PERIODENSYSTEMS

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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 (Edelmetall-synthese) 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)


15 GESCHICHTE DER BERUFSRELEVANTEN WERKSTOFFE

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2.15 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 er-klärt, warum man immer in Richtung des Erd-kerns angezogen wird. Wie ich schon oben er-wähnte, die Gravitation ist von der Masse abhän-gig. Ganz grob teilen wir die Erdschichten in drei: den Kern, den Mantel und die Kruste. Nach innen wird das Gestein immer flüssiger und der Metall-anteil 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. Sechs-hundert Jahre später (ca. 3'900 v. Chr.) begannen die Ägypter die Gewin-nung 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.


15 GESCHICHTE DER BERUFSRELEVANTEN WERKSTOFFE

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Nr. 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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