Gitterstruktur der Metalle | Aufbau | kubisch-raumzentriert, -flächenzentriert, hexagonal dichtest

Описание: Metalle besitzen eine regelmäßige Gitterstruktur, die ihre physikalischen Eigenschaften entscheidend beeinflusst. In diesem Video erklären wir den Aufbau verschiedener Gitterstrukturen und ihre Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Zunächst betrachten wir die Metallbindung, die für den Zusammenhalt der Atome verantwortlich ist. Dabei geben die Metallatome ihre Außenelektronen ab, wodurch positiv geladene Metall-Ionen entstehen, die von einem Elektronengas umgeben sind.

Die Gitterstruktur entsteht durch das Wechselspiel von Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen den Metall-Ionen und dem Elektronengas. Die Atome ordnen sich in einer regelmäßigen Struktur an, um einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen. Diese Anordnung wird als Kristallgitter bezeichnet. Eine charakteristische Größe dabei ist die Gitterkonstante, also der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen. Sie liegt meist im Bereich von 250 bis 500 Pikometer. Die Elementarzelle beschreibt die kleinste sich wiederholende Einheit eines Kristallgitters.

Es gibt verschiedene Gittertypen, deren Atome sich in ihrer Anordnung und der Packungsdichte unterscheiden. Eine wichtige Struktur ist das kubisch-raumzentrierte Gitter (krz), bei dem sich zusätzlich zu den Atomen in den Ecken der Elementarzelle ein weiteres Atom im Zentrum des Würfels befindet. Typische Metalle mit dieser Struktur sind Eisen, Chrom und Wolfram. Sie besitzen eine Packungsdichte von etwa 68% und eine Koordinationszahl von 8, was bedeutet, dass jedes Atom mit 8 Nachbaratomen in direktem Kontakt steht.

Eine weitere bedeutende Gitterstruktur ist das hexagonal-dichtest gepackte Gitter (hdp). Hierbei sind die Atome in einer sechseckigen Anordnung angeordnet, die eine besonders dichte Packung ermöglicht. Metalle wie Titan, Kobalt, Zink und Magnesium besitzen diese Gitterstruktur. Die Atome sind hier in einer Stapelfolge so angeordnet, dass jede Atomebene maximal dicht gepackt ist. Die Packungsdichte beträgt 74%. Die Koordinationszahl beträgt 12.

Eine besondere Form des hexagonalen Gitters findet sich in Graphit (hex). Im Gegensatz zu Metallen, deren Gitter durch metallische Bindungen zusammengehalten wird, besteht Graphit aus Kohlenstoffatomen, die sich in hexagonalen Ebenen anordnen. Diese Ebenen sind nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, weshalb sie leicht gegeneinander verschiebbar sind. Dadurch erklärt sich die typische Eigenschaft von Graphit als Schmiermittel oder als Material für Bleistiftminen.

Neben den kubisch-raumzentrierten und hexagonalen Gitterstrukturen gibt es das kubisch-flächenzentrierte Gitter (kfz). Hier befinden sich die Atome nicht nur in den Ecken der Elementarzelle, sondern auch in der Mitte jeder Würfelfläche. Diese Struktur hat ebenfalls eine Packungsdichte von 74% und eine Koordinationszahl von 12. Metalle mit dieser Gitterstruktur sind Aluminium, Kupfer, Nickel und Blei

Die Verformbarkeit eines Metalls hängt direkt mit seiner Gitterstruktur zusammen. Während Metalle mit kubisch-flächenzentrierter Struktur besonders weich sind und sich gut umformen lassen, sind Metalle mit hexagonaler Struktur relativ spröde und brechen schneller. Kubisch-raumzentrierte Metalle nehmen dabei eine mittlere Position ein, da sie zwar verformbar sind, aber nicht so stark wie die flächenzentrierten Metalle.

00:00 Aufbau von Metallen
00:29 Metallbindung
01:08 Entstehung der Gitterstruktur
02:42 Gitterkonstante
03:46 Elementarzelle
04:50 Kubisch-raumzentriertes Gitter (krz)
06:49 Hexagonal-dichtestgepacktes Gitter (hdp)
08:33 Hexagonale Gitterstruktur von Graphit (hex)
09:38 Kubisch-flächenzentriertes Gitter (kfz)
11:22 Verformbarkeit der Gitterstrukturen