Naturwissenschaftliche Grundlagen, Goldschmied GS1

Ein Atom besteht aus Atomkern und der Atomhülle (Elektronenhülle). Der Kern besteht aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Diese Kernbausteine heissen Nukleonen. Die Hülle wird aus negativ geladenen Elektronen gebildet, sodass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist.

Die Anzahl der negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle, ist gleich der Protonanzahl (oder Ordnungnszahl)

• Die Elektronenschalen sind von innen nach aussen mit Buchstaben bezeichnet (K,L,M,N,O,P, und Q)
• Die Schalen können jeweils nur eine begrenzte Anzahl Elektronen aufnehmen.
• Je nach Schalenanzahl wird ein Atom ins Periodensystem (Periode 1-7 = K-Q) eingeordnet.
• Durch die Extremen Zentrifugal kräfte können sich die negativ ldeung der Hülle und die positive Ladung des Kernes nicht anziehen.

Formel zum Ausrechenen der Elektronenanzahl pro Schale:

1. Schale (K) 2 x 1² = 2

5. Schale (O) 2 x 5²= 50

Das Periodensystem ist eine systematische Anordnung der Elemente in Tabellenform.

Die Elemente werden im Periodensystem dach ihrem atomaren Aufbau und ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften aufgeliestet.

• Die Nummer einer Periode entspricht der Anzahl der Elektronenschalen welche die Elemente in dieser Periode aufweisen.
• Elemente in der gleichen Periode besitzen alle gleich viele Elektronenschalen.

• Eine Hauptgruppe besteht aus Elementen welche die gleiche Anzahl Aussenelektronen haben (Valenzelektronen)

• Es gibt insgesammt 8 Hauptgruppen (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Halbmetalle, Halogene, Edelgas usw.) Die Elemente in der gleichen Hauptgruppe (untereinanderstehend) haben aufgrund der gleichen Anzahl Aussenelektronen ähnliche Eigenschaften.

• Eine Verbindung ensteht durch eine chemische Reaktion aus verschiedenen Elementen
• Die enthaltenen Elemente weisen immer bestimmte gleichbleibende Proporionen auf. Dabei entsteht ein neuer Stoff mit ganz anderen Eigenschaften
• Man unterscheidet je nach Aufbau organische (meist Verbindungen mit Kohlenstoff) und anorganische ( Metalle) Verbindungen.
• Sie lassen sich durch chemische Reaktionen zerlegen (Analyse-zerlegen) und wieder aufbauen (Synthese-zusammenfügen).

• Ein Molekül ist der kleinste Teil einer Verbindung. Es besteht aus mindestens zwei miteinander verbundenen Elemente.
• Die Summenformel gibt den Aufbau eines Moleküls bekannt:

Z.b. Wasser H₂O(Summenformel)  besteht aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O)

• Somit sind 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom zusammen verbunden 1 Molekül von Wasser.

Atome welche zu Molekülen oder Kristallinen zusammentreten, werden als chemische Bindung bezeichnet.

Wir kennen:

• Ionenbindung
• Atombindung
• Metallbindung

Diese Bindungsart entsteht beim Zusammenstreffen zweier Atome mit stark Unterschiedlicher Valenzelektronenzahl. Ein Aussenelekron eines Atoms wird abgegeben und in der aussenschale eines anderen Atoms aufgenommen. Dabei wird das Atom welches Aussenelektronen abgegeben hat zu einem positiv geladenen Kation. Und jenes welches Elektronen aufgenommen hat zu einem negativ geladenem Anion. Diese beiden unterschiedlich geladenen Atome ziehen sich aufgrund elektrostatischer Kräfte an.

Ionen sind Atome die durch Abgabe oder Aufnahme von Valenzelektronen zu positiv geladenen Kationen oder negativ geladenen Anionen werden.

Die Atombindung wird auch als Elektronenpaarbindung bezeichnet und kommt nur zwischen Nichtmetallen vor.

Die Bindung funktioniert so, dass ein Nichtmetallatom gerne den Edelgaszustand (ganze Aussenschale voll) erreichen würde. trifft dieses Atom nun auf ein weiters Nichtmetallatom versuchen diese beiden Atome durch das Teilen von Aussenelektronen den Edelgaszustand zu erreichen.

Metallbindungen kommen nur zwischen Metallatomen vor.

Metallatome können keine Elektronen aufnehmen und geben aus diesem Grund alle ihre aussenelektronen ab. Durch die Abgabe der Aussenelektronen ist das Metallatom nun gegen aussen positiv geladen und wird zum Kation.

Durch die gegenseitige Abstossung auf Abstand gehalten, bewegen sich die abgegebenen Valenzelektronen als Elektronenwolke (Elektronengas) zwischen den Atomrümfpfen. Bei diesem gleichmässigen Abstand ergibt sich ein Gleichgewicht von Abstossung und Anziehung.

Durch von aussen eintretende elektrische Spannung (wärme) werden diese Valenzelektronen gegeneinander verschiebbar, es  ensteht die gute Wärmeleitfähigkeit. Dadruch ergeben sich auch die weiteren Metallischen Eigenschaften.

• Metallglanz (hohes Reflektionsvermögen)
• Polierbarkeit
• Undurchsichtikeit
• Verformbarkeit (Duktilität)(Verformbarkeit; spanlos und spanend, dank Valenzelektronen)
• gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität
• Aggregatszustand fest (ausser Quecksilber)

• kubisch-flächenzentriertes Gitter
• kubisch-raumzentriertes Gitter
• hexagonales Gitter

Oxydation bedeutet aufnahme von Sauerstoff

Schreibweise Oxid = als anorganische Verbindungen von zwei Elementen

Oxydation als Vorgang d.h. aus Verbindungen des Sauerstoffs mit anderen Elementen.

Die Umkehrung der Oxydation ist die Reduktion Kohlenstoff kann Sauerstoff aufnehmen und wirkt so reduzierend.

Ein Gemenge entsteht durch einen physikalischen Vorgang aus Elementen oder Verbindungen. Die enthaltenen Stoffe können in variablen Proportionen vorliegen, die charakteristischen Eigenschaften bleiben aber erhalten.

Wir unterscheiden:

• Homogenesgemenge: z.B Legierungen wie Gelbgold 750 oder Silber 925  es sind keine Bestandteile erkennbar.
• Heterogenensgemenge:  setzt sich zusammen aus Beestandteilen, die von blossem Auge oder unter dem Mikroskop sichtbar sind. z.B das Gestein Granat setzt sich aus Feldspat, Quarz und Glimmer zusammen.

• Nach Dichte in Leichtmetall (unter 4.5g/cm³)oder Schwermetall (über 4.5g/cm³)
• Nach technischer Hinsicht in Eisenwerkstoffe oder NE-Metallen (Nichteisenmetalle) Alle wichtigen Metalle ausser Eisen und Stahl
• Nach chemischer Beständigkeit in Edelmetalle, die nur schwer Oxide bilden, wie Gold, Silber, Platin, Iridium, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium) und Unedlemetalle, die sehr leicht Oxide bilden, wie Chrom, Eisen, Kupfer, Vanadium, Wolfram, usw.
• Und nach optischer Erscheinung der Unedlenmetallen in, Buntmetalle (Kupfer und seine Legierungen), Weissmetalle (Zinn, Zink, Antimon, Bismut, Blei und deren Legierungen) und Schwarzmetalle, wie (Eisen, Stahl und Nickel)

unlegierte Metalle ohne Eisen oder LEgierungen mit einem Eisenanteil unter 50%.

Der Kristalline Aufbau eines Metalls oder einer Legierung ist abhängig von dessen chemischen Zusammensetzung, Form, Grösse und Anordnung der einzelnen Kristallkörner (Kristallite), die an den Konrgrenzen miteinander verbunden sind. Im Kristallgitter bildet die Elementar Zelle die kleinste Einheit. Durch dreidimensionales aneinanderreihen lässt sich das Gefüge aufbauen

Elementarzellen sind die kleinsten Bausteine der MEtalle und LEgierungen, die noch Kristallformen erkennen lassen.

Die Erstarrung erfolgt vom flüssigen Zustand eines chemisch einheitlichen Stoffes durch Unterschreiten der Erstarrungstempereatur, die der schmelztemperatur gleich ist.

Stoffgemische erstarren in einem Tempereaturintervall, dem Erstarrungsintervall.

Festes Metall schmilzt durch Energiezufur- flüssiges Metall erstarrt durch Energieentzug.

1. Schmelze
2. Kristallisationskeime
3. Kristallwachstum und weitere Kristallisationskeime
4. Erstarrung

Aus einer Metallschmelze(1) entstehen gleichzeitig an mehreren Stelle erste Kristallkeime (2). Die Ausbildung dieser Keime erfolt unterschiedlich schnell und in unterschiedlichen Richtungen(3). Im weiteren Verlauf behindern sie sich gegenseitig beim Wachsen und es entstehen Körner und Kristallite (Kristalldeformationen) mit deutlichen Korngrenzen, die das Gefüge ausbilden. (4)

LAngsames Abkühlen oder schnelles Abschrecken beeinflusst die Korngrösse eines Gefüges. Vorsicht! Nur feinkörniges Gefüge lässt sich gut weiterverarbeiten.

Das Mischverhältnis von zwei oder mehreren Metallen ist für die Feinstruktur der Legierung und die weiteren verarbeitungseigenschaften von grösster Bedeutung.

Zwei Metalle in einer Homogenen (Gleichartigen, gleichmässigen) Schmelze können in festem Zustand folgende Formen annehemn:

1. Heterogenes Kristallgemenge (nicht mehr dehnbar, bricht = unbrauchbar)
2. begrenzte Mischkristalle (noch brauchbar)
3. Homogene Mischkristalle (optimal)

Eine homogene Legierung wird auch als Eutektikum (schön gebaut, aus einheitlicher Schmelze) bezeichnet. Diese feinkörnige Anordnung steht im Gegensatz zu einem heterogenen Gefüge (uneinheitlich) das sich bei der Verarbeitung spröde und brüchig verhält.

unter Dichte versteht man das Verhältnis von Masse (m) auch Gewicht und Volumen (V). In unserer Branche wird Dichte in g/cm³ angegeben. Jedes Element hat seine eigenen Dichte.

Der SChmelzpunkt gibt an, bei welcher Temperatur ein Stoff vom festen in den flüssigen Aggregatszustand übergeht. Während Metalle in ihrem Elementaren Zustand einen Schmelzpunkt haben der gleich dem Erstarrungspunkt ist, Weisen die meisten Legierungen einen Schmelzbereich auf.

Das Schmelzintervall ist der Temperatur bereich, innerhalb dessen sich der Schmelzvorgang abspielt, zwischen Solidus und Liquidus.

Fest | Soliduslinie (Schmelzbereich) Liquiduslinie | flüssig

Solidus= festes bis Breiartiges Stadium

Liquidus= breiartigesbis flüssiges Stadium

Die Bruchdehnung gibt an, um wieviel Prozent der ursprünglichen länge sich ein Probestab bis zum zerreissen gedehnt hat.

Die Dehnbarkeit eines MEtalles lässt sich nur durch dessen zerstörung durch Zerreissen mit genügender Genauigkeit feststellen.

Härte ist allgemein der Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt.

Brinellhärte (HB)

Nach Brinell wird eine Stahlkugel mit 5mm d mit bestimmten Prüfdruck in das MEtall gedrückt, der Durchmesser des eindrucks gemessen und die Härte errechnet.

Bei besonders harten oder dünnen Werkstoffen und Beschichtungen wird das Verfahren von Vickers angewendet. Dabei wird eine Diamantpyramide (Spitzenwinkel 136°) mit einer bestimmten Prüfkraft ins probestück gedrückt.

Nach ROckwell wird ein Diamantkegel (SPitzenwinkel bei 120°) mit abgerundeter Spitze in zwei Stufen in die Probe eingedrückt und die Eindringtiefe gemessen.

Ein Prüfstück wird in Kunststoff eingebettet und die Oberfläche geschliffen und bis zum feinsten Hochglanz poliert. Danach wird die Fläche vorsichtig mi Ätzmitteln behandelt, wosurch einzelne Kristallite und das Strukturgefüge im Mikroskop sichtbar werden. Aus diesen Betrachtungen können wichtige Folgerungen in BEzug der Metallqualität gezogen werden.