Table Of ContentChemie der Werkstoff e
Hauptgruppen VIIIB18 4,0026IIIBIVBVBVIBVIIBHe21314151617Helium21s 10,81112,01114,006715,999418,998420,180BCNOFNe5678910BorKohlenstoffStickstoffSauerstoffFluorNeon212223242526[He]2s[He]2s[He]2s[He]2s[He]2s[He]2sppppppIII2,0IV, II, –IV2,5–III, V, IV3,0–II, –I3,4–I4,026,981528,085530,973832,06635,45339,948IIBAlSiPSClAr131415161718AluminiumSiliciumPhosphorSchwefelChlorArgon12212223242526pppppp[Ne]3s[Ne]3s[Ne]3s[Ne]3s[Ne]3s[Ne]3sIII1,6IV1,9V, III, I2,2–II, VI, IV2,6–I, V, VII3,265,3869,72372,674,921678,9679,90483,80ZnGaGeAsSeBrKr30313233343536ZinkGalliumGermaniumArsenSelenBromKrypton102102110221023102410252106[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d 4s4s4sp4sp4sp4sp4sppII1,7III, I1,8IV, II2,0III, V2,2IV, –II2,6–I, V3,0112,41114,82118,71121,75127,60126,9045131,29CdInSnSbTeIXe48495051525354CadmiumIndiumZinnAntimonTellurIodXenon102102110221023102410251026[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d5s5sp5sp5sp5sp5sp5spII1,7III, I1,8IV, II1,8III, V2,1IV2,1–I, V, VII2,7II, IV2,6200,59204,38207,2208,9804(210)(222)(209)HgTlPbBiPoAtRn80818283848586QuecksilberThalliumBleiBismutAstatRadonPolonium14102141021141022141023141024141025141026[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sp[Xe]4f5d6sII, I2,0I, III2,0II, IV1,9III, V2,02,02,2(287)(291)(283)UuqUuhCn114116112UnunquadiumUnunhexiumCopernicium 162,50164,93167,26168,9342173,054174,967DyHoErTmYbLu666768697071DysprosiumHolmiumErbiumThuliumYtterbiumLutetium1021121221321421412[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f6s6s6s6s6s5d6sIII1,2III1,2III1,2III1,2III, II1,1III, II1,2(252)(252)(257)(258)(259)(262)CfEsFmMdNoLr9899100101102103CaliforniumEinsteiniumFermiumMendeleviumNobeliumLawrencium10211212213214214127s7s7s7s7s6d7s[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5fIII1,3III1,3III1,3III1,3II1,3III
IB11 63,546Cu29Kupfer101[Ar]3d4sII, I1,9107,868Ag47Silber101[Kr]4d5sI1,9196,9665Au79Gold14101[Xe]4f5d6sIII, I2,5(272)Rg111Roentgenium 158,9254Tb65Terbium92[Xe]4f6sIII1,2(249)Bk97Berkelium927s[Rn]5fIII1,3
10 58,6934Ni28Nickel82[Ar]3d4sII, III1,9106,4Pd46Palladium10[Kr]4dII2,2195,08Pt78Platin1491[Xe]4f3d6sII, IV2,3(269)Ds110Darmstadtium 157,25Gd64Gadolinium712[Xe]4f5d6sIII1,2(247)Cm96Curium7126d7s[Rn]5fIII1,3
1,0079H1Wasserstoff11sI, –I2,2 VIIIA9 58,9332Co27Cobalt72[Ar]3d4sII, III1,9102,9055Rh45Rhodium81[Kr]4d5sIII, I2,3192,22Ir77Iridium1472[Xe]4f5d6sI, IV2,2(266)Mt109Meitnerium 151,96Eu63Europium72[Xe]4f6sIII, II(243)Am95Americium727s[Rn]5fIII1,3
12,011**Atommasse in u*CAtomsymbol6OrdnungszahlKohlenstoffElementname22[He]2spElektronenkonfigurationwichtigsteIV, II, –IV2,5Elektronegativität nach PaulingOxidationsstufen *eingeklammerte Werte geben die Massenzahleines wichtigen Isotops an Nichtmetalle und Halbmetalle sind durch**eine blaue bzw. graue Hinterlegung desFeldes gekennzeichnet Nebengruppen IIIAIVAVAVIAVIIA345678 51,996154,93855,84744,955947,8850,9415CrMnFeTiVSc242526212223ChromManganEisenScandiumTitanVanadium515262122232[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d4s4s4s[Ar]3d[Ar]3d[Ar]3d4s4s4sIII, VI1,7II, IV, VII1,6II, III1,8III1,4IV, III1,5V, IV, III1,695,96(99)101,0788.905991,22492,9064MoTcRuYZrNb424344394041MolybdänTechnetiumRutheniumYttriumZirconiumNiob516171122241[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d5s5s5s[Kr]4d[Kr]4d[Kr]4d5s5s5sVI, IV2,2VII1,9III, IV2,2III1,2III1,3V, IV1,6183,84186,207190,23178,49180,9479La …WReOsHfTa7475767273WolframRheniumOsmiumHafniumTantalLu14421452146214221432[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f5d6s5d6s5d6s[Xe]4f[Xe]4f5d6s5d6s*VI, IV2,4VII1,9VIII, IV2,2IV1,3V, IV1,5(265)(267)(270)(262)(261)Ac …SgBhHsDbRf106107108105104SeaborgiumBohriumHassiumDubniumRutherfordiumLr** 138,9055140,115140,9077144,24(147)150,36LaCePrNdPmSm575859606162LanthanCerPraseodymNeodymPromethiumSamarium1211232425262[Xe]5d[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f[Xe]4f6s5d6s6s6s6s6sIII1,1III, IV1,1III1,1III1,1IIIIII1,2(227)232,0381(231)238,029(237)(239)AcThPaUNpPu899091929394ActiniumThoriumProtactiniumUranNeptuniumPlutonium1222212312412627s7s6d7s6d7s6d7s7s[Rn]6d[Rn]6d[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5f[Rn]5fIII1,1IV1,3V1,5VI, IV1,4V1,4IV1,3
Hauptgruppen IAIIA12 6,9419,0122BeLi34LithiumBeryllium12[He]2s[He]2sI1,0II1,522,989824,305NaMg1112NatriumMagnesium12[Ne]3s[Ne]3sI0,9II1,339,098340,078KCa1920KaliumCalcium12[Ar]4s[Ar]4sI0,8II1,085,467887,62RbSr3738RubidiumStrontium12[Kr]5s[Kr]5sI0,8II1,0132,9054137,33CsBa5556CaesiumBarium12[Xe]6s[Xe]6sI0,8II0,9(223)(226)FrRa8788FranciumRadium12[Rn]7s[Rn]7sIII0,9 *Lanthanoide **Actinoide
Horst Briehl
Chemie der Werkstoff e
3., überarbeitete und erweiterte Aufl age
Horst Briehl
Hochschule Furtwangen
Villingen-Schwenningen, Deutschland
ISBN 978-3-658-06224-8 ISBN 978-3-658-06225-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-06225-5
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Vorwort
Dieses Lehrbuch wendet sich in erster Linie an Studierende der Ingenieurwissenschaften, die wäh-
rend ihrer Ausbildung und im späteren Berufsleben mit Problemen der Auswahl und des Einsatzes
des jeweils richtigen Werkstoffs konfrontiert werden.
Chemische Reaktionen spielen bereits bei der Herstellung von Werkstoffen eine bedeutende Rolle.
Auch viele weitere Verarbeitungsschritte wie z.B. Raffinations-, Veredlungs-, Formgebungs- und
Verfestigungsverfahren sowie Methoden der Fertigung von Verbundwerkstoffen bzw. die Fixierung
von Schichten auf Substratmaterialien beruhen meist auf chemischen Vorgängen. Alterungser-
scheinungen und Korrosionsprozesse an Werkstoffen sind durch die Chemie erklärbar; ebenso ba-
sieren zahlreiche Recyclingverfahren für ausgediente Werkstoffe auf chemischen Reaktionen.
Warum nun „Chemie der Werkstoffe"? Beim Studium von gängigen Chemielehrbüchern, ist häufig
festzustellen, dass in diesen meist wissenschaftlich orientierten Büchern Werkstoffe und deren tech-
nische Anwendungen ein wenig vernachlässigt werden. Andererseits erfolgt in Fachbüchern über
Werkstoffe bisweilen eine nur recht stiefmütterliche Behandlung der chemischen Reaktionen von
Werkstoffen. Ferner werden in den reinen Werkstoffkundebüchern oft nur ganz bestimmte Werk-
stoffgruppen (z.B. Kunststoffe, Keramiken oder Metalle) separat behandelt.
Im vorliegenden Lehrbuch werden nun die wesentlichen Grundzüge der Chemie von metallischen,
nichtmetallisch-anorganischen und organischen Werkstoffen dargestellt, und zugleich wird auf cha-
rakteristische Eigenschaften und daraus resultierende Anwendungen dieser Werkstoffe eingegangen.
Bestimmte physikalische Größen, die besonders kennzeichnend für einen Werkstoff sind, sind in der
Regel herausgestellt; allerdings ist dieses Buch keine werkstoffkundliche Datensammlung, da im
Vordergrund immer die Chemie des Werkstoffs steht. Dies führt insbesondere bei der Einteilung
und Behandlung der metallischen Werkstoffe zu einer starken Orientierung am Periodensystem.
Auch bei der Bearbeitung der wichtigsten nichtmetallischen Elemente erscheint diese Vorgehens-
weise sinnvoll. In einem einführenden Kapitel über die Chemie einiger nichtmetallischer Elemente
und deren Verbindungen, die als Werkstoffe oder Hilfsstoffe im Umfeld von Werkstoffen von Be-
deutung sind, wird außerdem versucht, diverses chemisches Basiswissen und Stoffkenntnisse zu
vermitteln, die als wichtige Vorbereitung der folgenden, stärker werkstoffspezifisch ausgerichteten,
Kapitel beitragen sollen. Jedoch dürften die in diesem Kapitel in knapper Form dargebotenen Infor-
mationen in der Regel nur zur Auffrischung von chemischem Grundwissen dienen; mit wichtigen
Grundlagen der allgemeinen, anorganischen und organischen Chemie sollte der Leser bereits ver-
traut sein.
Zum besseren Verständnis von Redoxreaktionen und um klar herauszustellen, welches Element oxi-
diert bzw. reduziert wird, sind bei nahezu allen Redoxgleichungen die Oxidationszahlen über die
betreffenden Elemente geschrieben.
So weit der damalige, nahezu unveränderte, Text zur 1. Auflage.
Im Vergleich zur 1. und 2. Auflage wurden viele Abschnitte überarbeitet und erweitert, das Litera-
turverzeichnis durch die Aufnahme zahlreicher aktueller Standardwerke erneuert, während die meis-
ten der inzwischen nicht mehr lieferbaren, älteren Monographien in der Regel keine Berücksichti-
gung mehr finden. Ferner wurde in der vorliegenden Auflage die Orthografie im Wesentlichen den
Empfehlungen zur neuen Rechtschreibreform angepasst.
2 Vorwort
Wieder einmal schulde ich Herrn Dipl.-Chem. Dr. Siegfried Potthoff, der dieses Buch seit der 1.
Auflage begleitet hat, großen Dank für die überaus sorgfältige Durchsicht des Manuskripts und sei-
ne kritischen Anmerkungen. Ein herzliches Dankeschön geht an Frau Dipl.-Ing. (FH) Heike Kitzig,
die ebenfalls bereits bei der 1. Auflage mit Rat und Tat zur Stelle war, wenn es Hard- oder insbeson-
dere Softwareprobleme gab, und mir auch diesmal bei diversen Schwierigkeiten während der text-
lichen Fertigstellung des Buches sehr geholfen hat. Für die gute Zusammenarbeit und ihre groß-
zügige Kooperationsbereitschaft gebührt Frau Lektorin Kerstin Hoffmann vom Springer Vieweg
Verlag ein spezieller Dank. Ferner möchte ich mich bei den Leserinnen und Leser bedanken, die mir
in den letzten zwei Jahrzehnten mit ihrer sachlichen Kritik und ihren Verbesserungsvorschlägen
geholfen haben, einige Fehler in den bisherigen Auflagen zu beseitigen. Und natürlich vielen Dank
an meine Familie für ihre Rücksichtnahme während der Bearbeitung und Fertigstellung dieser Auf-
lage.
Villingen-Schwenningen, im Mai 2014
Horst Briehl
Verzeichnis spezieller Abkürzungen
HG: Hauptgruppe
HT: Hochtemperatur
HTK: Hochtemperaturkorrosion
l: liquid
LM: Lösungsmittel
Me: Metall
NG: Nebengruppe
Ph: Phenylgruppe
PSE: Periodensystem der Elemente
RMM: Relative molare Masse
RT: Raumtemperatur
~ : Umlagerung
Inhaltsverzeichnis
Vorwort.............................................................................................................................................1
1 Einleitung.................................................................................................................................10
2 Werkstoffspezifische Chemie und Anwendungen einiger nichtmetallischer Elemente...........11
2.1 Wasserstoff.................................................................................................................11
2.2 Edelgase.....................................................................................................................14
2.3 Halogene....................................................................................................................15
2.4 Chalkogene.................................................................................................................19
2.5 Nichtmetalle der V. Hauptgruppe..............................................................................23
2.6 Nichtmetalle der IV. Hauptgruppe.............................................................................28
2.6.1 Kohlenstoff.....................................................................................................29
3 Metallische Werkstoffe............................................................................................................35
3.1 Einführung.................................................................................................................35
3.2 Allgemeine Eigenschaften der Metalle......................................................................35
3.3 Haupt- und Nebengruppenmetalle.............................................................................36
3.4 Vorkommen...............................................................................................................38
3.5 Prinzipielle Verfahren zur Gewinnung der Rohmetalle.............................................38
3.5.1 Cyanidlaugerei.............................................................................................38
3.5.2 Reduktion der Metalle aus Erzen.................................................................39
3.5.2.1 Reduktion mit Kohlenstoff..............................................................39
3.5.2.2 Reduktion mit Wasserstoff..............................................................39
3.5.2.3 Reduktion mit unedlen Metallen......................................................40
3.5.2.4 Elektrolytische Reduktion................................................................41
3.6 Hauptgruppenmetalle.................................................................................................42
3.6.1 Alkalimetalle................................................................................................42
3.6.2 Erdalkalimetalle...........................................................................................45
3.6.2.1 Bindebaustoffe.................................................................................46
3.6.2.2 Wasserhärte......................................................................................47
3.6.3 Metalle der III. Hauptgruppe des PSE.........................................................49
3.6.3.1 Bor....................................................................................................49
3.6.3.2 Aluminium.......................................................................................51
3.6.3.3 Gallium, Indium und Thallium........................................................53
3.6.4 Metalle der IV. Hauptgruppe des PSE.........................................................54
3.6.4.1 Silicium............................................................................................54
3.6.4.2 Germanium......................................................................................56
4 Inhaltsverzeichnis
3.6.4.3 Zinn..................................................................................................56
3.6.4.4 Blei...................................................................................................58
3.6.5 Metalle der V. Hauptgruppe des PSE..........................................................60
3.6.5.1 Arsen................................................................................................60
3.6.5.2 Antimon...........................................................................................61
3.6.5.3 Bismut..............................................................................................62
3.6.6 Metalle der VI. Hauptgruppe des PSE.........................................................63
3.6.6.1 Selen und Tellur...............................................................................63
3.7 Nebengruppenelemente..............................................................................................65
3.7.1 Metalle der I. Nebengruppe (Kupfergruppe)................................................65
3.7.1.1 Kupfer..............................................................................................65
3.7.1.2 Silber................................................................................................69
3.7.1.3 Gold.................................................................................................70
3.7.2 Metalle der II. Nebengruppe (Zinkgruppe)..................................................71
3.7.2.1 Zink..................................................................................................71
3.7.2.2 Cadmium..........................................................................................73
3.7.2.3 Quecksilber......................................................................................74
3.7.3 Metalle der III. Nebengruppe (Scandiumgruppe)........................................76
3.7.3.1 Yttrium und Lanthan........................................................................76
3.7.3.2 Lanthanoide......................................................................................77
3.7.3.3 Actinoide..........................................................................................78
3.7.4 Metalle der IV. Nebengruppe (Titangruppe)................................................79
3.7.4.1 Titan.................................................................................................80
3.7.4.2 Zirconium.........................................................................................81
3.7.4.3 Hafnium...........................................................................................82
3.7.5 Metalle der V. Nebengruppe (Vanadiumgruppe).........................................83
3.7.5.1 Vanadium.........................................................................................83
3.7.5.2 Niob und Tantal...............................................................................84
3.7.6 Metalle der VI. Nebengruppe (Chromgruppe).............................................85
3.7.6.1 Chrom..............................................................................................85
3.7.6.2 Molybdän.........................................................................................87
3.7.6.2 Wolfram...........................................................................................88
3.7.7 Metalle der VII. Nebengruppe (Mangangruppe)..........................................90
3.7.7.1 Mangan............................................................................................90
3.7.7.2 Rhenium...........................................................................................91
3.7.8 Metalle der VIII. Nebengruppe....................................................................92
3.7.8.1 Eisen.................................................................................................92
Inhaltsverzeichnis 5
3.7.8.2 Cobalt.............................................................................................100
3.7.8.3 Nickel.............................................................................................102
3.7.8.4 Ruthenium......................................................................................104
3.7.8.5 Osmium..........................................................................................104
3.7.8.6 Rhodium.........................................................................................104
3.7.8.7 Iridium............................................................................................105
3.7.8.8 Palladium.......................................................................................105
3.7.8.9 Platin..............................................................................................106
4 Korrosion von Metallen.........................................................................................................107
4.1 Einführung...............................................................................................................107
4.2 Chemische Korrosion...............................................................................................107
4.3 Elektrochemische Korrosion....................................................................................108
4.3.1 Sauerstoffkorrosion....................................................................................108
4.3.2 Säure- oder Wasserstoffkorrosion..............................................................108
4.3.3 Kontaktkorrosion.......................................................................................109
4.4 Korrosion von Eisen (Rostvorgang).........................................................................110
4.5 Hochtemperaturkorrosion (HTK) metallischer Werkstoffe.....................................112
4.5.1 Ursachen der Hochtemperaturkorrosion....................................................112
4.5.2 Auswirkungen der Hochtemperaturkorrosion............................................113
4.6 Erscheinungsformen der Korrosion.........................................................................115
4.6.1 Ebenmäßige Korrosion..............................................................................115
4.6.2 Lochfraßkorrosion......................................................................................115
4.6.3 Spaltkorrosion............................................................................................116
4.6.4 Interkristalline Korrosion...........................................................................116
4.6.5 Selektive Korrosion...................................................................................116
4.6.6 Spannungsrisskorrosion.............................................................................117
4.6.7 Schwingungsrisskorrosion.........................................................................117
4.6.8 Verschleißkorrosion...................................................................................117
4.6.9 Mikrobiologische Korrosion......................................................................117
4.7 Korrosionsprodukte..................................................................................................118
5 Korrosionsschutz....................................................................................................................119
5.1 Passiver Korrosionsschutz.......................................................................................119
5.1.1 Metallische Schutzschichten......................................................................119
5.1.2 Nichtmetallische Schutzschichten.............................................................121
5.2 Aktiver Korrosionsschutz........................................................................................126
5.2.1 Kathodischer Korrosionsschutz.................................................................126
5.2.2 Inhibitoren..................................................................................................127
