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Kohlenstoff

Kohlenstoff

Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle und lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element. Es kommt in der Natur sowohl in gediegener Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.

Modifikationen des Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor: Diamant, Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist die Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte Element und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt. Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant (sp3) Struktur

Schalenmodell Die s und p Niveaus können [Hybrid-Orbitale|hybridisieren] und 4 energetisch gleichwertige sp3-Orbitale bilden.Orbitale besitzen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p- Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen.
Die vier sp3-Orbitalesind symmetrisch zueinander im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten Tetraeders. Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur wiederspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit (sp2) Struktur

Diamant Sind nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die sog. sp2-Orbitale. Die sp2- Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p-Orbital aus. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp2- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden. sp2-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3-Orbitale.
Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifach (sp1) Bindung

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp3-Bindungen dreidimendionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H-C≡C-C≡C-H.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2: Diamant, Graphit und Fulleren. Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Diamant

Siehe auch: Diamant
Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5.45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen wärend mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluß bei hohen Temperaturen in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ca. 700-800 °C zu Kohlendioxid. Diamant gilt unter normal Bedinungen (1 bar/25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
1) die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
2) bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluß der Umgebung -geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben- nicht berücksichtigt wurde/wird (s.h. Carpenter, M.A: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach, in: Stability of Minerals, Chapman & Hall London, 1992 oder Salje, E.: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals, Cambridge University Press, Cambridge 1990)) und schließlich
3) Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, daß in einer hydrothermalen Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Graphit

Siehe auch: Graphit
Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung. Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [anisotrop]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen relativ schelcht.

Fullerene

Siehe auch: Fulleren
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, die Fullerene. Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem Fußball. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie beim Graphit die Basalebenen. Die aus 60 bzw. 70 Atomen bestehenden Formen lassen sich isolieren und kristallisieren und können daher als Modifikation(en) gelten.

weitere Formen von Kohlenstoff

Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff, die einer Basalebene entspricht. Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesättigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-én). Man versucht, Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen, um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene für die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen. Streng genommen kann man Graphen nicht als Modifikation bezeichnen, da es parktisch um einen zweidimensionalen Kristall handelt.

Kohlenstoffnanoröhren

Siehe auch: Kohlenstoffnanoröhre
Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe Kohlenstoffnanoröhren).

Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, ähnlich der von Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern. Technisch gesprochen ist Kohlenstoffnanoschaum ein Aerogel mit einer Dichte von 0.2-1.0 Gramm/Kubikzentimeter.

Kohlenstoff-Fasern

Siehe auch: Kohlenstofffaser
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die Graphitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst die Festigkeit.
Kohlenstofffasern sind serh zugfest und werden daher in Verbundwerkstoffen genutzt.

Ruß

Siehe auch: Ruß
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

Aktivkohle

Siehe auch Aktivkohle
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert Feststoffe aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprägter struktureller Fehlordnung und glasartigem Bruchbild. Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in ebenen Schichten mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Im Gegensatz zu Graphit sind diese Schichten bei glasartigem Kohlenstoff nicht regelmäßig über größere Bereiche hinweg geordnet. Bänder aus graphitisch geordneten, übereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerähnliche Knäuelstruktur. Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei, zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche Hohlräume vorhanden. Ähnlich wie bei Gläsern beträgt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm. Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte, die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit und die Isotropie des Werkstoffs. Trotz der aufgeweiteten Struktur beträgt die Helium-Permeabilität nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cm² s-1. Neben seiner isotropen Festigkeit verbindet glasartiger Kohlenstoff die guten Hochtemperatureigenschaften von Graphit. Er sublimiert im Vakuum oder Inertgas erst bei Temperaturen oberhalb 3000 °C und oxidiert an Luft bei etwa 600 °C. Er ist hitze - und kälteschockbeständig. Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen. Die Folge ist die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen. Lediglich Sauerstoff über 600 °C und oxidierende Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an. Die hohe Reinheit des Werkstoffs prädestiniert Ihn für Anwendungen in der Analytik, Halbleiter- und Reinststofftechnik. Da Gefäße aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen, ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar.

Amorpher Kohlenstoff

(Entwurf: Sehr selten, nicht zu verwechseln mit Ruß. Enthält neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.)

Kohlenstoff-Verbindungen

Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:
- Oxide des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffsuboxid (C3O2)
- Kohlensäure (H2CO3) sowie ihre Salze, die Carbonate.
- Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS2).
- Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, Stahl.
- Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie.

Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung

Die Inkohlung erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1900 °C) und Graphitierung bzw. Graphitisierung (oberhalb 2000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen. Kohlenstoffgehalt in Gew.-% einiger Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung:
- Anthrazit: >90%
- Holzkohle: 90%
- Steinkohle: 85-90%
  - Koks (durch Karbonisierung von Steinkohle): ?
- Braunkohle: 60-75%
- Erdöl: 85-90%
- Erdgas: 85-95%
- Torf: 56
- Holz: 45-50%
  - Holzkohle (durch Karbonisierung von Holz): 80-90%

Weblinks


- [http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes] (in Englisch)
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node35.php Kohlenstoff auf Chemieseite.de]
- [http://www.htw-germany.com/de/content/glaskohlenstoff.php?aw=1 Glaskohlenstoff] Siehe auch: organische Chemie, Radiokarbonmethode, Polymer, Kohlenstoff-Senke, Kohlendioxid Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-2-Element ja:炭素 ko:탄소 ms:Karbon simple:Carbon th:คาร์บอน

Latein

Als Latein bzw. Lateinisch (lat. lingua Latina: „lateinische Sprache“) bezeichnet man die Sprache, die ursprünglich vom Volksstamm der Latiner gesprochen wurde, der Bewohner von Latium mit Rom als Zentrum. Innerhalb der indogermanischen Sprachen gehört Latein zur Gruppe der italischen Sprachen. Es bildete die Grundlage für alle heutigen romanischen Sprachen.

Entwicklung

romanischen Sprachen Ursprünglich in Rom und dem umliegenden Gebiet (Latium) gesprochen, wurde Latein später an humanistischen Gymnasien unterrichtet. Neben Griechisch war Latein die Amtssprache des römischen Reiches. Wegen der kulturellen Überlegenheit des Ostens verlor es dabei zeitweise in Nordafrika und selbst in Rom seine Vorrangstellung. So war die Liturgiesprache der römischen Christen bis um 300 das Griechische. In dieser Zeit drangen viele griechische Lehnwörter ins Lateinische ein. Während der Spätantike begannen sich verschiedene Volkssprachen, aus denen im Mittelalter die romanischen Sprachen entstehen sollten, phonetisch und grammatikalisch von der lateinischen Hochsprache wegzuentwickeln. Doch noch im 6. Jahrhundert entstanden hochsprachliche lateinische Werke. Im Oströmischen Reich war Latein bis ins frühe 7. Jahrhundert neben Griechisch eine der beiden Amtssprachen. Im Westen übernahmen die Germanen mit den Grundelementen der spätrömischen Verwaltung auch die lateinische Sprache, die in der Administration bis in die frühe Neuzeit vorherrschend blieb. Seit der Völkerwanderung und der Christianisierung der (zunächst zumeist arianischen) Germanenvölker wurde Latein im Westen des früheren Römischen Reiches und in den römisch-katholischen Folgestaaten die Sprache des Klerus (Kirchenlatein), der Rechtswissenschaft (Glossatoren) und der sich bildenden Hochschulen (studia generalia). Es bildete somit die Schriftsprache, vor allem für das kirchliche und weltliche Urkundenwesen (Diplomatik) im frühen Europa. In völkerrechtlichen Verträgen (z. B. im Westfälischen Frieden von 1648) dominierte Latein bis in das 17. Jahrhundert hinein. Es bildet noch bis ins 20. Jahrhundert den Affixvorrat für die Fachterminologie in den Wissenschaften und verliert durch die fortschreitende Absorption in die englische und andere Sprachen lediglich an direkter, nicht jedoch an indirekter Bedeutung. Es wird noch an vielen Schulen unterrichtet.

Antike

Antike Schreibweise

Die lateinische Sprache wurde ursprünglich als scriptio continua, d. h. als zusammenhängender Fluss von Zeichen ohne Zwischenräume geschrieben. Auch Satzzeichen und Kleinbuchstaben wurden in der Antike nicht verwendet. Auf Wachstafeln war nämlich wenig Platz zum Schreiben, und Papyrus war teuer. Die antiken lateinischen Texte sind für uns heute daher schwer zu lesen. Vergleiche folgendes Beispiel: Alte Schreibweise: AVREAPRIMASATAESTAETASQVAEVINDICENVLLO SPONTESVASINELEGEFIDEMRECTVMQVECOLEBAT POENAMETVSQVEABERANTNECVERBAMINANTIAFIXO AERELEGEBANTVRNECSVPPLEXTVRBATIMEBAT IVDICISORASVISEDERANTSINEVINDICETVTI NONDVMCAESASVISPEREGRINVMVTVISERETORBEM MONTIBVSINLIQVIDASPINVSDESCENDERATVNDAS NVLLAQVEMORTALESPRAETERSVALITORANORANT NONDVMPRAECIPITESCINGEBANTOPPIDAFOSSAE NONTVBADIRECTINONAERISCORNVAFLEXI NONGALEAENONENSISERANTSINEMILITISVSV MOLLIASECVRAEPERAGEBANTOTIAGENTES Heutige Schreibweise: Aurea prima sata est aetas, quae vindice nullo, sponte sua, sine lege fidem rectumque colebat. poena metusque aberant nec verba minantia fixo aere legebantur, nec supplex turba timebat iudicis ora sui, sed erant sine vindice tuti. nondum caesa suis, peregrinum ut viseret orbem, montibus in liquidas pinus descenderat undas, nullaque mortales praeter sua litora norant. nondum praecipites cingebant oppida fossae, non tuba directi, non aeris cornua flexi, non galeae, non ensis erant: sine militis usu mollia securae peragebant otia gentes. Auszug aus Ovids Metamorphosen: Die Schöpfung (Das goldene Zeitalter) Details zu den verwendeten Buchstaben finden sich in dem Artikel Lateinisches Alphabet. Siehe zu diesem Thema auch: Paläografie (dort Lateinische Paläografie), Capitalis, Versalschrift und Majuskel.

Antike Aussprache

Auf die antike Aussprache der lateinischen Sprache wird im Artikel Lateinische Aussprache eingegangen.

Literatur

Mit Antiker Literatur des Lateinischen beschäftigt sich u. a. der Artikel Lateinische Literatur.

Gegenwart

Auch heute ist Latein noch an vielen Gymnasien aller Fachrichtungen zu finden. Etwa ein Drittel aller Gymnasiasten im deutschen Sprachraum lernt Latein als erste, zweite oder dritte Fremdsprache. An humanistischen Gymnasien wird dem Lateinischen, neben dem Griechischen, noch eine herausgehobene Bedeutung zugemessen, was früher auf eine aktive Beherrschung des Lateinischen zielte. Tatsächlich werden auch heute noch für zahlreiche Studiengänge das Latinum oder Lateinkenntnisse gefordert, insbesondere in zahlreichen geisteswissenschaftlichen Fächern. Das Latinum ist als Studienvoraussetzung für die Fächer Medizin und Jura weitestgehend abgeschafft, häufig aber nicht in Fächern wie Anglistik, Philosophie oder sogar Musikwissenschaften. Unabhängig von den Studienanforderungen wird von Befürwortern des Lateins betont, dass das Erlernen der lateinischen Sprache weiterhin Basis für die korrekte Verwendung von Fremdwörtern sei, das Erlernen anderer romanischer Sprachen wesentlich erleichtere und erhebliche Transfer-Effekte für die Denkschulung aufträten. Das Übersetzen lateinischer Texte fördere auf Grund der erheblichen Komplexität vieler lateinischer Sätze auch das logische Denken. Von den Gegnern ist hingegen zu hören, dass die Auseinandersetzung mit jeder Art von Grammatik, egal welcher Sprache, das strukturierte Denken fördere, und dass das Erlernen moderner romanischer Sprachen, welche im Gegensatz zu Latein noch gebraucht werden, mindestens ebenso gut dazu geeignet sei, die zahlreichen lateinischen Lehnwörter im Deutschen korrekt zu verwenden und andere romanische Sprachen zu erlernen. In der Tat sind viele gesamtromanische, also in allen romanischen Sprachen auftretende Wörter nicht im klassischen Latein vorhanden und müssen dann neu gelernt werden: guerra „Krieg“, testa „Kopf“, cavallo „Pferd“, mangiare/manger „essen“, andare
- „gehen“ , boc(c)a/bouche „Mund“, blanco/blanc „weiß“, die Himmelsrichtungen etc. Viele dieser Wörter erklären sich nämlich aus dem umgangssprachlichen oder dem späten Latein oder stammen aus der Soldatensprache, also aus Varietäten, die nicht in der Schule gelehrt werden. Aus deutschen und US-amerikanischen Untersuchungen geht hervor, dass zwischen absolviertem Lateinunterricht und der Beherrschung der englischen Sprache in Schrift und vor allem Wort eine signifikante Korrelation besteht. Ein kausaler Zusammenhang ist allerdings nicht nachgewiesen worden – möglicherweise macht eine hohe sprachliche Begabung eines Kindes die Wahl des als schwierig geltenden Latein wahrscheinlicher. Da auch im modernen Lateinunterricht die Sprachproduktion eindeutig der Rezeption (Leseverstehen) untergeordnet ist, glauben viele, Latein falle Menschen mit ausgeprägter Begabung für Mathematik und formelle Denkvorgänge generell leichter als andere Fremdsprachen, wohingegen Menschen mit ausgeprägter Begabung für intuitives Erlernen von Sprachen andere Fremdsprachen leichter fänden. Dieser Zusammenhang lässt sich allerdings nicht häufig verifizieren: Die Erfahrung zeigt, dass die Schülerleistungen in Latein überwiegend Hand in Hand mit denen in der Muttersprache und anderen Fremdsprachen gehen.

Modernes Latein

Auch heute werden deutsch-lateinische Lexika aufgrund neulateinischen Wortgutes herausgegeben, z. B. das „lexicon auxiliare“ oder das vom Vatikan herausgegebene „lexicon recentis latinitatis“, welches erst im Jahre 2004 eine Neubearbeitung erfuhr. Der finnische Rundfunksender YLE (Yleisradio) verbreitet Wochennachrichten in neulateinischer Sprache. Radio Bremen veröffentlicht regelmäßig die Nuntii Latini in schriftlicher und gesprochener Version. Seit April 2004 veröffentlicht auch die deutschsprachige Redaktion bei Radio Vatikan Nachrichten auf Lateinisch. Dabei handelt es sich um ursprünglich deutsche Meldungen. Gero P. Weishaupt übersetzt sie für die Redaktion ins Lateinische. Sehr beliebt ist auch die lateinische Fassung der Asterix-Comics, die der deutsche Altphilologe Graf v. Rothenburg (Rubricastellanus) verfasst hat. Der Autor Nikolaus Groß, beruflich seit zehn Jahren Deutsch-Lektor in der südkoreanischen Hauptstadt, hat 2004 eine komplett latinisierte Übertragung von Patrick Süskinds Das Parfum im Brüsseler Verlag der Fundatio Melissa, einem überregionalen Verein zur Pflege des gesprochenen Lateins, veröffentlicht. Dem Buch ist mit dem „Glossarium Fragrantiae“ eine größere Liste aktualisierter Neuschöpfungen beigegeben. Vom selben Wortartisten existiert des weiteren ein Buch über den Baron Mynchusanus (Münchhausen). 2003 erschien bereits der erste Teil der Harry Potter-Bücher von J. K. Rowling auf Latein (Harrius Potter et Philosophi Lapis). Daneben gibt es noch viele weitere Übersetzungen „klassischer“ Werke ins Lateinische, so zum Beispiel Karl Mays Winnetou III, oder Der kleine Prinz (Regulus) von St. Exupéry. Durch das Internet ist die Verfügbarkeit alter lateinischer Texte sowie das Entstehen neuer lateinischer Texte erheblich begünstigt worden. Inzwischen gibt es sogar lateinische Fassungen von Popsongs. Daneben entstehen auch neue Popsongs in lateinischer Sprache, etwa Cursum Perficio, gesungen von Enya, Liberatio, eines von vielen lateinischen Musikstücken der Gruppe „Krypteria“, oder bei Gruppen der Dark Wave bzw. Gothic (Jugendkultur). Roma Ryan hat neben Cursum Perficio für Enya noch weitere Songs in lateinischer Sprache verfasst. In Internetforen wie Grex Latine Loquentium kommunizieren Teilnehmer aus vielen Ländern ausschließlich in Latein. In der klassischen beziehungsweise neoklassischen Musik findet Latein ebenfalls Verwendung. So hat etwa der niederländische Komponist Nicholas Lens auf seinem Werk Flamma Flamma ein lateinisches Libretto vertont, für sein Werk Terra Terra hat Lens selbst ein Libretto in lateinischer Sprache verfasst. Nicht zu vergessen sind auch die zahlreichen Vertonungen lateinischer Gedichte wie z. B. von Jan Novák. Carl Orff unterlegte mehreren seiner Vokal-Kompositionen Texte in Latein oder Griechisch. Igor Strawinski ließ das nach Sophokles von Jean Cocteau in französischen Versen verfasste Libretto zu „Ödipus Rex“ von Jean Daniélou ins Lateinische übersetzen. Das Lehrbuch Lingua Latina per se illustrata des dänischen Autors Hans H. Ørberg hat die bisher hauptsächlich für den Unterricht in modernen Sprachen eingesetzte einsprachige Lehrmethode auf den altsprachlichen Unterricht übertragen. Das Lehrbuch erfreut sich in verschiedenen Ländern einer steigenden Beliebtheit.

Latein in den Wissenschaften

In der Biologie erfolgt die Namensbildung der wissenschaftlichen Namen lateinisch und griechisch, wobei neuere Vorschläge vorsehen, die Regeln nur aus der lateinischen Sprache zu entnehmen. In der Medizin sind die anatomischen Fachbegriffe lateinisch, für die einzelnen Organe wird zusätzlich auch latinisiertes Griechisch verwendet. Die Krankheitsbezeichnungen leiten sich aus dem Griechischen ab. Zahlreiche Sprichwörter haben einen lateinischen Ursprung und sind teilweise auch in der deutschen Übersetzung zu geflügelten Worten geworden. In den Rechtswissenschaften existieren verschiedene lateinische Lehrsätze und Fachbegriffe (Latein im Recht). Auch in der Geschichtswissenschaft spielt vor allem Latein weiterhin eine große Rolle. In der Meteorologie werden lateinische Begriffe in der Wolkenklassifikation eingesetzt.

Latein in der katholischen Kirche

Latein ist neben Italienisch die Amtssprache des Vatikanstaats. Die katholische Kirche veröffentlicht alle amtlichen Texte von weltkirchlicher Bedeutung in Latein. Das gilt für die liturgischen Bücher, den Katechismus, den Codex des kanonischen Rechts sowie die päpstlichen Rechtsvorschriften (canones, decretales) und Rundschreiben (Enzykliken). Bis zum zweiten Vatikanischen Konzil (1962–1965) war Latein die offizielle Gottesdienstsprache und ist dies (laut Sacrosanctum Concilium) offiziell noch heute, wobei andere Sprachen jedoch gleichfalls erlaubt sind. Tatsächlich werden nur noch sehr wenige Gottesdienste in Latein gehalten. Der gegenwärtig amtierende Papst Benedikt XVI. bevorzugt bei seinen Messen aber das Lateinische vor dem Italienischen. Siehe auch: Lateinische Kirche

Referenzlisten


- Lateinische Präpositionen
- Liste lateinischer Ortsnamen
- Liste lateinischer Präfixe
- Liste lateinischer Redewendungen
- Liste lateinischer Suffixe
- Liste von lateinischen Palindromen
- Lateinische Zahlwörter

Siehe auch


- Grammatik des Lateinischen
- Lateinische Aussprache
- Lateinische Sprichwörter
- Küchenlatein
- Vulgärlatein
- Mittellatein
- Lateinische Literatur
- Sprachen im Römischen Reich
- Jägerlatein
- Panlatinismus

Weblinks


- [http://www.commtec.de/wb/ Wörterbuch Latein-Deutsch-Latein auxilium online (mit Download-Möglichkeit)]
- [http://www.latein-pagina.de/iexplorer/stil.htm Lateinische Stilblüten]
- [http://www.thelatinlibrary.com/ The Latin Library – klassische Texte im Original]
- [http://www.albertmartin.de/latein/ Latein-Deutsch-, Deutsch-Latein-Wörterbuch mit hilfreichen Extras]
- [http://www.radiobremen.de/online/latein/ Nuntii latini bei Radio Bremen]
- [http://www.latein-pagina.de/ Latein-Pagina]
- [http://www.antikeundeuropa.de/Alte_Sprachen_heute/alte_sprachen_heute.html Alte Sprachen heute]
- [http://www.fh-augsburg.de/~harsch/a_chron.html Sammlung lateinischer Texte/bibliotheca Augustana]
- [http://www.music.indiana.edu/tml/ Lateinische Musiktraktate im Original]
- [http://www.lateinservice.de/index.htm Die deutsche Latein-Seite]
- [http://www.alcuinus.net/GLL/ Grex Latine Loquentium (Internetforum in lateinischer Sprache)]
- [http://www.kreienbuehl.ch/lat/ Latein und Altgriechisch Site]
- [http://www.latein24.de/ Übersetzungen vieler klassischer lateinischer Texte bei Latein24.de] Kategorie:Einzelsprache
- als:Latein ja:ラテン語 ko:라틴어 simple:Latin language th:ภาษาละติน zh-min-nan:Latin-gí

Gediegenes Element

Gediegene Elemente sind Mineralien, meist Metalle, die in der Natur in Reinform, also nicht in Verbindung mit anderen Elementen vorkommen. Es handelt sich um etwa 20 Elemente, von denen 10 geologisch relevant sind. Beispiele sind:
- Kupfer
- Silber
- Gold
- Platin
- Schwefel
- Kohlenstoff (als Diamant und Graphit)
- Osmium
- Antimon
- Blei
- Wismut (Bismut)
- Selen
- Tellur
- Eisen (nur in Meteoriten) Auch Edelgase kommen nur elementar vor, bei diesen ist jedoch der Ausdruck „gediegen“ ungebräuchlich. Als Gase zählen sie auch nicht zu den Mineralen. Gediegene Metalle, die einen niedrigen Schmelzpunkt haben, wie zum Beispiel Kupfer, standen am Anfang des Metallgebrauchs durch den Menschen. Kategorie:Mineralogie

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration gibt die Verteilung der Valenzelektronen eines Atoms auf verschiedene Energiezustände bzw. Aufenthaltsräume (Orbitale) an.

Die Quantenzahlen

Die Hauptquantenzahl n bestimmt die Hauptenergiestufe, die so genannte Schale, und die relative Größe des Orbitals. Die äußerste von Elektronen besetzte Schale bestimmt die Periode des Elements im Periodensystem. Die Schalen werden von 1 beginnend durchnummeriert oder mit den Buchstaben K, L, M, N ... bezeichnet. Die maximale Anzahl der Elektronen in den einzelnen Schalen ergibt sich aus der Formel 2·n2. Theoretisch ergeben sich somit für die einzelnen Schalen: K-Schale (n=1) = 2 Elektronen L-Schale (n=2) = 8 Elektronen M-Schale (n=3) = 18 Elektronen N-Schale (n=4) = 32 Elektronen O-Schale (n=5) = 50 Elektronen Die Bahndrehimpulsquantenzahl l, der Drehimpuls, unterteilt die Schale in Unterschalen verschiedener Energieniveaus. Die Schale n besitzt genau n Unterschalen, nummeriert von 0 bis (n-1) oder mit den Buchstaben s, p, d, f, g, h ... bezeichnet. Ebenfalls wird die Gestalt der einzelnen Orbitale durch l bestimmt. Wie der Name schon sagt ergibt sich aus l der Bahndrehimpuls des jeweiligen Orbitals Die magnetische Bahndrehimpulsquantenzahl m gibt die Orientierung des Orbitals im Raum an. Außerdem macht m eine Aussage über das Verhalten des jeweiligen Orbitals in einem Magnetfeld und unterteilt jede Unterschale in 2l + 1 Orbitale, nummeriert von -l bis +l. Somit ergibt sich z.B. für das p-Orbital 3 Unterteilungen: px, py und pz. Jedes dieser kann von 2 Elektronen antiparallelen Spins besetzt werden (Siehe Pauli-Prinzip und Hundsche Regel) Durch diese 3 Quantenzahlen wird ein Orbital charakterisiert. n,l,m zeigen uns auf, welches Orbital von dem Elektron besetzt wird, z.B. n=2, l=1 zeigen, dass das Elektron in der 2.Schale aufgenommen wird und zwar in einem p-Orbital ( l=0 --> s / l=1 --> p / l=2 --> d, usw.)m charakterisiert nun noch, ob das px, py oder pz-Orbital vom Elektron besetzt wird. Das Elektron selbst wird durch 4 Quantenzahlen eindeutig charakterisiert. Man muss hierzu berücksichtigen, dass Elektronen um ihre eigene Achse rotieren können, mit oder gegen den Uhrzeigersinn. Die Eigenrotation der Elektronen wird beschrieben durch die Spinquantenzahl s. s = +½ (↑, Spin-Up) oder s = -½ (↓, Spin-Down). Orbital

Notation

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms wird durch Angeben der besetzten Unterschalen beschrieben. Der Nummer der Schale folgt dabei der Buchstabe für die Unterschale und hochgestellt die Anzahl der Elektronen in der Schale. So ergibt sich für die mit 5 Elektronen besetzte 2. Unterschale der 2. Schale die Schreibweise 2p5. Bei mehreren Unterschalen wird die gemeinsame Schale weggelassen. Aus 2s2 2p3 wird 2s2 p3. Eine weitere verkürzte Schreibweise erhält man, wenn man das Kürzel für das vorausgegangene Edelgas in eckige Klammern setzt und dann die Unterschalen angibt, die noch zum gewünschten Element fehlen. Diese wird wegen ihrer Kürze im Periodensystem verwendet: Beispiel: Chlor: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 -> [Ne] 3s2 3p5 Daneben ist noch die anschauliche grafische Darstellung die Zellenschreibweise (Kästchenschema) üblich.

Regeln

Bei der Verteilung der Elektronen in der Atomhülle müssen verschiedene Regeln beachtet werden: Energieprinzip: Orbitale mit niedrigerem Energieniveau müssen zuerst aufgefüllt werden. Hundsche Regel: Orbitale gleichen Energieniveaus werden zuerst alle einfach besetzt, bevor sie doppelt besetzt werden. Pauli-Prinzip (auch Pauli-Verbot): Es darf keine zwei Elektronen mit übereinstimmenden Quantenzahlen geben. D.h. Wenn 2 Elektronen schon in n, l, und m übereinstimmen und somit ein und das selbe Orbital besetzten, müssen sie in der vierten Quantenzahl s ( Spinquantenzahl ) unterschiedliche Werte aufweisen. Somit ergeben sich besetzte Orbitale mit antiparallelem (Elektronen-)Spin. Die Unterschalen werden in folgender Reihenfolge besetzt (zeilenweise geordnet): 1s (1. Periode) 2s 2p (2. Periode) 3s 3p (3. Periode) 4s 3d 4p (4. Periode) 5s 4d 5p (5. Periode) 6s 4f 5d 6p (6. Periode) 7s 5f 6d ... (7. Periode) Von den oben genannten Regeln gibt es mehrere Ausnahmen, u.a.:
- Bei Lanthan besetzt zuerst ein Elektron ein Orbital der 5d-Unterschale bevor 4f aufgefüllt wird, bei Actinium besetzt entsprechend ein Elektron 6d bevor 5f aufgefüllt wird. Die Elektronen besetzen zuerst leere Orbitale innerhalb einer Unterschale.
- Bei Kupfer und Chrom wechselt ein Elektron des 4s Orbitals in das 3d Orbital, sodass das 4s Orbital trotz seines niedrigeren Energieniveaus nur einfach besetzt ist.
- Weitere Ausnahmen sind: Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Rd, Ag, Ir, Pt, Au, Gd und einige Actinoide: Ac bis Np und Cm.

Zusammenhang mit dem Periodensystem

Im Periodensystem entspricht die Besetzung des s-Orbitals einer neuen Schale, den Sprung in eine neue Periode (siehe Reihenfolge der Elektronenbesetzung). Innerhalb einer Periode werden zuerst die s-Orbitale (2 Elektronen - 1. und 2. Hauptgruppe) und als letzte die p-Orbitale (6 Elektronen - 3. bis 8. Hauptgruppe) besetzt. Die Nebengruppen entprechen dem Besetzen der d-Orbitale (10 Elektronen - 10 Nebengruppen). Die Lanthanoide und Actinoide entsprechen der Besetzung der f-Orbitale (14 Elektronen). ok

Siehe auch

Bohr-Sommerfeldsches Atommodell [http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Lehre/gk4-2005/node56.html Auflistung der Elektronenkonfiguration]

Quellen


- Erwin Riedel, Anorganische Chemie, 2. Auflage, 1990 (für die Ausnahmen der Regel für die Besetzung der Atomorbitale) Kategorie:Physikalische Chemie ja:電子配置

Schalenmodell

Der Begriff des Schalenmodell wird in der Physik in zweierlei Zusammenhang verwendet. Zum einen versteht man darunter ein physikalisches Modell zur Beschreibung des Aufbaus von Atomen, zum anderen ein physikalisches Modell zur Beschreibung des Aufbaus von Atomkernen im Rahmen der Kernphysik.

Atomares Schalenmodell

Das Schalenmodell ist eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells und eine Vereinfachung des Orbitalmodells:
- Elektronen kreisen um den Atomkern wie die Planeten um die Sonne (wie im Bohrschen Atommodell) und
- der Aufenthaltsort der Elektronen kann nur durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion - die sog. Wellenfunktion als Lösung der Schrödingergleichung - bestimmt werden. Die Wellenfunktion kann durch sog. Wahrscheinlichkeitswolken oder -schalen visualisiert werden (wie im Orbitalmodell). Das atomare Schalenmodell ist ein Atommodell, nach dem sich die Protonen und Neutronen eines Atoms im zentralen Atomkern und die Elektronen in um diesen angeordneten Schalen befinden. Die innerste Schale wird K-Schale genannt und fasst maximal zwei Elektronen; auf der nächsten Schale, der L-Schale, können maximal acht Elektronen untergebracht werden. Die weiter außen liegenden Schalen können zwar mehr als acht Elektronen enthalten, bei den Hauptgruppen-Elementen spielen diese zusätzlichen Elektronen aber so gut wie keine Rolle, so dass man von acht Elektronen pro Schale ausgehen kann. Mit dem Schalenmodell der Atome lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Elemente gut erklären. Die Alkalimetalle besitzen z.B. nur ein einziges Außenelektron (Valenzelektron) und können dieses besonders leicht abgeben (niedrige Ionisierungsenergie). Daher sind Alkalimetalle besonders reaktiv.
Den Halogenen andererseits fehlt nur ein Elektron für eine voll besetzte Außenschale, daher nehmen sie gern Elektronen von anderen Elementen auf (z.B. von Natrium) und sind ebenfalls sehr reaktiv. Nach der Aufnahme eines weiteren Elekrons in die äussere Atomschale erreichen sie somit die die Edelgaskonfiguration (acht Elektronen in äußerster Schale)
Die Edelgase wiederum besitzen bereits eine voll besetzte Außenschale (Edelgaskonfiguration) und zeigen daher überhaupt keine Neigung, chemische Reaktionen einzugehen.

Schwächen des Schalenmodells der Atome

Es gibt Phänomene, die das atomare Schalenmodell nicht erklären kann. Dazu gehört vor allem die räumliche Gestalt der Moleküle. Warum hat z.B. das Methan (CH4) eine tetraederförmige Gestalt, oder warum ist das Wassermolekül gewinkelt? Diese Eigenschaften der Moleküle lassen sich mit dem Kugelwolkenmodell erklären.

Schalenmodell des Atomkerns

Das Schalenmodell des Atomkerns wurde synchron von Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert-Mayer und J. Hans D. Jensen im Jahre 1949 postuliert. Es führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten (Pauli-Prinzip) zurück. Im Gegensatz zu dem Tröpfchenmodell ist das Schalenmodell ein Modell, das Nukleonen eine relative Bewegungsunabhängigkeit zugesteht. Kerne mit einer magischen Nukleonenzahl sind stablier als solche, die mehr oder weniger Nukleonen besitzen. Obwohl es bei dem Schalenmodell des Atomkerns - im Gegensatz zum Schalenmodells des Atoms - kein gemeinsames Anziehungszentrum gibt, sind die magischen Zahlen analog zu den Quantenzahlen, d.h., der Quantelung der Energie im Atommodell: beide weisen den Schalen eine bestimmte Anzahl von Teilchen zu (Elektronen im Fall des Atommodells und Nukleonen im Fall des Kernmodells).

Weblinks


- http://www.u-helmich.de/che/09/03-atombau/atombau04.html
- http://www.physik.unizh.ch/teaching/teilchen/ws0405/new_skript/Kap6.pdf Schalenmodell des Atomkerns Kategorie:Atomphysik ja:殻模型

Molekül

Ein Molekül (älter auch: Molekel) ist ein Teilchen, das aus mindestens zwei zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind. Moleküle stellen die kleinsten Teilchen dar, die die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes haben. Es gibt Moleküle, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind (O2, N2, P4 u.v.m), die meisten Moleküle sind aber Verbindungen aus Nichtmetallen mit einem (oder mehr) weiteren Nichtmetallen oder Halbmetallen. Einen etwas größeren Verbund von gleichartigen Atomen nennt man Cluster.

Bindungsart in Molekülen

In Molekülen halten die verbundenen Atome über gemeinsame Elektronenpaare zusammen. Man nennt solche Bindungen auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung. Wenn auch die einzelnen Atome keine vollen Elementarladungen haben, also nicht als Ionen vorliegen, kann es durch unsymmetrisch verteilte Bindungselektronenpaare zu Teilladungen kommen. Man unterteilt deshalb die Atombindungen in:
- kovalente Bindung / unpolare Atombindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist 0. Diese Art der Bindung kommt genau genommen nur bei Elementmolekülen, d.h. bei Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammen gesetzt sind, vor. Man fasst im weiteren Sinne allerdings auch Bindungen zwischen Atomen (z.B. zwischen C und H) als kovalente Bindungen auf, deren Differenz der Elektronegativität größer 0 und kleiner 0,4 ist.
- polare Bindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist größer 0,4 und kleiner 1,8.

Zwischenmolekulare Kräfte (sortiert nach abnehmender Stärke)

Zwischen den Molekülen können verschiedene Kräfte wirken, die sich zum Beispiel auf die Siede- und Schmelztemperatur und die Löslichkeitseigenschaften auswirken können.
- Wasserstoffbrückenbindung
- Dipol-Dipol-Kräfte
- van-der-Waals-Kräfte

Darstellung

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Die Summenformel eignet sich für einfache Moleküle, insbesondere anorganische Moleküle, z.B. H2O für Wasser oder NH3 für Ammoniak. Sie enthält die Atomsymbole der im Molekül enthaltenen Elementsorten, deren Anzahl über einen Index (die tiefgestellte Zahl) angegeben ist. Die Wirkung von Intermolekularen Kräften ist auch bei kleineren Molekülen von der räumlichen Struktur der Moleküle abhängig. Zur Beschreibung dieser Struktur dient die VSEPR-Theorie. Bei komplexeren Molekülen, wie sie vor allem in der organischen Chemie vorkommen, liefert eine Summenformel oft keine ausreichende Beschreibung, da es verschiedene Moleküle mit der gleichen Summenformel (Isomere) geben kann. Deshalb wird dazu die Strukturformel verwendet, die den Aufbau graphisch darstellt. In einigen Fällen, spiegelbildlich gebauten Molekülen, den Enantiomeren, gibt auch die Strukturformel nicht ausreichend Aufschluss über die nach außen wirksame Struktur. Hier werden Fischer- und Haworth-Projektion verwendet. Bei hochkomplexen Molekülen wie Proteinen oder polymeren Kohlenhydraten spielt die räumliche Darstellung eine noch größere Rolle. Man versucht, räumliche Darstellungen über Farbgebung zu erreichen (Bsp.: Hämoglobin). Man spricht dann - je nach Ebene - von der Primärstruktur (bei Proteinen durch die Abfolge der Aminosäuren definiert), der Sekundärstruktur (Auffaltung zu einer Helix oder einem Faltblatt), der Tertiärstruktur (Auffaltung der Sekundärstruktur zu Kugeln oder Fasern ) und der Quartärstruktur. (siehe hierzu: Protein)

Siehe auch:


- Chemische Bindung
- Atombindung
- Ionenbindung
- Molekularphysik
- Molekülbaukasten
- Ölfleckversuch Kategorie:Chemie Kategorie:Genetik Kategorie:Atomphysik als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล Kategorie:Chemie

Nichtmetall

Ein Nichtmetall ist ein chemisches Element, das leicht Elektronen aufnimmt, der Betrag seiner ersten Elektronenaffinität ist hoch. Die Nichtmetalle sind rechts im Periodensystem zu finden. Meistens leiten sie den elektrischen Strom nicht. Einige Nichtmetalle existieren jedoch auch in leitenden Modifikationen. So leitet Graphit den Strom, Diamant jedoch nicht. Die Nichtmetalle sind:
- Edelgase
- Halogene
- Sauerstoff, Schwefel, Selen, Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff, Wasserstoff Siehe auch: Halbmetall, Metall, Chalkogene Kategorie:Nichtmetall ja:非金属元素 ko:비금속 th:อโลหะ

Allotropie

Als Allotropie (v. griech.: allo- αλλος = ein anderer) bezeichnet man die Erscheinung, dass ein chemisches Element in zwei oder auch mehr Strukturformen im gleichen Aggregatzustand auftritt, die sich physikalisch und auch in ihrer chemischen Reaktionsbereitschaft voneinander unterscheiden. Sie findet sich zum Beispiel bei Kohlenstoff, welcher sowohl als farbloser, extrem harter Diamant vorkommt, der ein elektrischer Nichtleiter ist, wie auch als schwarzer, weicher Graphit, der elektrischen Strom leitet und auch als Makromolekül Fulleren, desweiteren bei Phosphor, welcher als giftiger, selbstentzündlicher weißer Phosphor existiert, im Gegensatz zum roten oder schwarzen Phosphor, der erst nach Aktivierung brennt. Weitere Beispiele sind Schwefel, Selen, Eisen (α-, γ-Eisen) oder Zinn (α-Sn und ß-Sn; bei der Umwandlung von ß-Sn zu α-Sn kann dann die Zinnpest auftreten). Eine allotrope Modifikation von Sauerstoff (O2) ist Ozon (O3). Hingegen spricht man bei den unterschiedlichen Isotopen eines Elementes nicht von Allotropie. Tritt eine chemische Verbindung im festen Zustand in mehreren Kristallformen auf, spricht man von Polymorphie. Kategorie:Chemie ja:同素体 ms:Alotrop

Graphit

Graphit bzw. Grafit ist neben Diamant und Fulleren eine Modifikation des Kohlenstoffs und ein (allerdings selten) natürlich vorkommendes Mineral. Es kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im rhomboedrischen Kristallsystem, ist mit einer Härte von 1 bis 2 sehr weich und hat eine schwarze Farbe, sowie eine grauschwarze Strichfarbe. Graphit sublimiert bei einer Temperatur von 3825 Grad Celsius.

Struktur

Graphit kristallisiert in parallel verlaufenden Schichten, den Basalebenen. Innerhalb dieser Ebenen beträgt die Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoff-Atomen 4,3 Elektronenvolt, zwischen ihnen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:
- leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Basalebenen, deutlich höhere Festigkeit entlang der Kristallschichten;
- thermische und elektrische Isolation orthogonal zu den Basalebenen, gegenüber einer fast metallischen Leitfähigkeit entlang der Ebenen. Weisen die Ebenen zueinander keine feste Korrelation zueinander auf, spricht man von turbostratischem Kohlenstoff. Die durchstrahlungs-elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt Basalebenenstapel in Graphit. Die Überlagerung verkippter Stapel erzeugt Moiré-Streifen; die Basalebenenabstände von 0,34 Nanometer werden hier nicht aufgelöst. Moiré Im so genannten Glaskohlenstoff liegen die Ebenen dagegen nicht planparallel wie die Seiten eines Buches, sondern wie geknülltes Papier. Dieser Kohlenstoff ist hart und isotrop wie Glas, daher sein Name. Durch besondere Behandlung (Streckung von Kunststofffasern und anschließendes Graphitieren) gelingt es, die Ebenen in Faserrichtung zu orientieren. Das Ergebnis sind hochfeste Kohlenstofffasern. Fulleren und Nanoröhren besitzen nur eine Basalebene, die im ersten Fall zu einer Kugel, im zweiten Fall zu Röhren gekrümmt sind. Auch hier sind die Übergänge zum Graphit fließend. Weitere Schichten können sich zwiebelartig anlagern und rußartiges Pulver bilden. rußartiges

Vorkommen

Er kommt in der Natur in Form vereinzelter Flocken und Körner in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein und als Adern in Pegmatit vor. Abgebaut wird Graphit vor allem in China, Korea, Madagaskar, Simbabwe, Brasilien und Indien sowohl im Tagebau als auch unter Tage. Pro Jahr handelt es sich dabei um ca. 600.000 Tonnen. In Europa gibt es zur Zeit nur noch wenige aktive Graphitbergwerke. In der Ukraine und in Tschechien wird makrokristalliner Naturgraphit in unterschiedlicher Qualität unter Tage abgebaut. Bei dem makrokristallinen Naturgraphit sind die einzelnen Graphitkristallitpakete (Flocken) gut erhalten und sichtbar. In Norwegen und in Österreich werden dagegen mikrokristalline Naturgraphite gewonnen, deren Kristalle nicht so deutlich ausgeprägt sind.

Herstellung

Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierte Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Peche, aber auch Kunststoffe. Künstlich hergestellter Graphit ist auch als Acheson-Graphit bekannt.

Verwendung

Acheson-Graphit Graphit wird vielfältig genutzt:
- im Bleistift,
- in schwarzen Druckfarben (als Ruß),
- als Füllmittel in Reifen (als Ruß),
- als Schmierstoff,
- als Werkstoff für Lager und Dichtungen,
- zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit,
- als Kohlebürste in elektrischen Motoren,
- gepresst als Elektrode zur Stromeinspeisung,
- als Elektroden bei Lichtbogenlampen,
- als Schmelztiegel,
- als thermisch hochbelastbare Ofenauskleidung (jedoch nur bei reduzierender Atmosphäre),
- zur Regelung von Atomreaktoren,
- als Aktivkohle zur Adsorption von Gasen, Flüssigkeiten und Schwebteilchen (schaumartiger Kohlenstoff),
- als Monochromator im Röntgendiffraktometer und
- als Waffe in Form von Graphitfäden zum Kurzschließen der feindlichen Stromversorgung (Streubombe).

Geschichte

Der Name leitet sich aus dem Griechischen γραφειν (graphein) ab, was schreiben bedeutet. Er spielt damit auf die Tatsache an, dass Graphit auf Papier durch Abreibung der einzelnen Blättchen leicht eine graue Ablagerung hinterlässt, die im Bleistift zum Schreiben genutzt werden kann. In der späten Eisenzeit in Mitteleuropa (La-Tène-Zeit) wurde Graphit gerne verwendet, um die Oberfläche keramischer Gefäße zu schwärzen. Hier waren besonders die Vorkommen bei Passau bedeutsam.

Weblinks

[http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Graphit Graphit im Mineralienatlas WiKi] Siehe auch: Liste von Mineralen Kategorie:Schmierstoff Kategorie:Mineral ja:グラファイト th:แกรไฟต์

Gegensatz

Der Gegensatz bezeichnet
- im allgemeinen Sinne einen Begriff oder eine Aussage, der/die zu einem anderen Begriff bzw. zu einer anderen Aussage im Verhältnis eines logischen Widerspruchs oder einer komplementären Polarität steht.
- eine große Verschiedenheit entgegengesetzter Dinge, siehe auch Dualismus
- ein Widerspruch, siehe Antagonismus oder Paradoxon
- in der Philosophie, siehe Gegensatz (materialistische Dialektik) oder Gegensatz (personalistische Dialogik)
- siehe auch Polarität.

Formen der logischen Gegensätze

Logische Gegensätze bilden Begriffe oder Aussagen, die einander ausschließen. Dabei ist zwischen kontradiktorischem und konträrem Gegensatz zu unterscheiden. Die Begriffe stehen entsprechend der Regeln der formalen Logik im Verhältnis der Kontradiktion, wenn der eine die die einfache logische Negation des anderen darstellt. Beispiele:
- "Sein" - "Nichtsein"
- "weiß - "nichtweiß"
- "Möglichkeit" - "Unmöglichkleit" Konträre Gegensätze liegen dann vor, wenn beide Gegenstände/Erscheinungen u.a. positive Gegebenheiten widerspiegeln, die sich innerhalb eines bestimmten Bezugssystems ausschließen. Beispiele:
- "Sein" - "Anders-Sein"
- "weiß" - "schwarz"
- "Kreis" - "Quadrat"
- "Maximum" - "Minimum" Analoges gilt für Aussagen, die sich im Verhältnis der Kontradiktion(Beispiel:)
- "Jeder Baum hat Wurzeln" - "Nicht jeder Baum hat Wurzeln" oder der Kontrarietät, Beispiel:
- "Jeder Baum hat Wurzeln" - "Kein Baum hat Wurzeln"

Satz vom ausgeschlossenen Widerspruch

Kontradiktorische und konträre Begriffe bzw. Aussagen unterliegem dem Satz vom ausgeschlossenen Widerspruch (kontradiktorische Aussagen können nicht zugleich wahr sein). Demzufolge, wenn zwei derartige Begriffe Eigenschaften widerspiegeln, die einem Objekt unmöglich zugleich und in derselben Hinsicht zukommen bzw. zwei derartige Aussagen nicht zugleich wahr sein können, liegen hier kontradiktorische Gegegensätze vor. Während jedoch von zwei kontradiktorischen Sätzen immer der eine wahr und der andere falsch sein muß, wobei der eine aus dem anderen durch logische Negation formal ableitbar ist, können zwei konträre Sätze auch zusammen falsch sein: der eine ist aus dem anderen nicht logisch ableitbar.

Auffassung der Dialektik und der Dialogik

Reale Gegensätze sind nichts Starres, Unbewegliches, sondern unterliegen wie alle Erscheinungen der objektiven Realität dem Werden und Vergehen (dynamische Gegensätze). Sie entwickeln sich aus Unterschieden, sind der Unterschied auf der höchsten Stufe seiner Entwicklung. Andererseits können reale Gegensätze sich auch über wesentliche Unterschiede in unwesentliche Unterschiede verwandeln und unter Umständen ganz zu existieren aufhören. Die Dynamik realer Gegensätze findet ihren Ausdruck auch darin, daß beide Gegensätze (Pole) aufeinander einwirken, miteinander in Wechselwirkung stehen. In dieser aktiven Wechselwirkung können sich die Gegensätze gegenseitig durchdringen, können ineinander übergehen und in bestimmter Hinsicht identisch werden( z.B. als extensionale Wirkung extremer Strömungen). Das Prinzip von der Identität und der gegensätzlichen Durchdringung der Gegensätze bildet eines der wichtigsten Prinzipien in der idealistischen und materialistischen Dialektik. Der dialektische reale Gegensatz unterscheidet sich sowohl vom kontradiktorischen als auch vom konträren. Während diese in der Realität nicht existieren, sondern nur als Widerspiegelungen der objektiven Gegenheiten erscheinen, bestehen dialektische Gegensätze objektiv real. Sätze, die einen kontradiktorischen oder konträren Gegensatz zum Ausdruck bringen, können nicht zusammen wahr sein, während zwei Sätze, die einen dialektischen realen Gegensatz widerspiegeln beide wahr sein müssen". Beispiel:
- "Ein Elementarteilchen besitzt Wellencharakter" - "Ein Elementarteilchen besitzt Korpuskelcharakter" Eine Problematik der von Hegel ausgehenden idealistischen und materialistischen dialektischen Philosophie ist, dass der Unterschied zwischen konträren und kontradiktorischen Gegensätzen (Widersprüchen) auf der einen und polaren Gegensätzen (Polaritäten) auf der anderen Seite meist nicht konsequent gemacht wird und daher auch polare Gegensätze als These und Antithese dargestellt werden, die sich dann in die Synthese hinein auflösen. Der Unterschied zwischen idealistischer und materialistischer Dialektik besteht diesbezüglich nur in Bezug auf das Absolute Metaphysik Dagegen hat Romano Guardini in seiner Gegensatzlehre (1925) polare Gegensätze grundsätzlich von Widersprüchen unterschieden und als sich ständig neu konkretisierende, also lebendig-konkrete Spannungseinheit beschrieben, ohne dass dabei die jeweiligen Pole zu existieren aufhören. Dies führt zu eine dialogischen statt dialektischen Struktur der Gegensätze.

Links


- [http://www.philosophia-online.de/mafo/heft2005-2/Maeder_Marx.htm Marx’ Konzeption des Gegensatzes (Denis Maeder)]
- [http://www.re-wi.de/dialektik-kurz.pdf Zum Begriff der Dialektik (R. Winter)]
- [http://www.math.uni-bielefeld.de/birep/phil/hendrichs_scan.pdf Die Konstituirung des Lebendigen aus polar Gegensätzlichem (Hubert Hendrichs)]
- [http://www.kath.de/akademie/rahner/04Vortraege/inhalt-online/_wacker-einheit.html Die wahre Einheit aller Gegensätze. Katholisch-christliche Weltanschauung als politische Theologie. Zum Spätwerk von Joseph Görres (Bernd Wacker)]
- [http://www.textlog.de/4138.html Gegensatz (Rudolf Eisler)] Kategorie:Metaphysik Kategorie:Dialektik

Leiter (Physik)

Als Leiter (m.) bezeichnet man Stoffe, die verschiedene Arten von Energie oder Teilchen weiterleiten können. Es gibt Leiter für Strom, Wärme, Licht und Magnetismus. Wenn ein Stoff nicht leitet, nennt man ihn Isolator.

Elektrischer Leiter

Ein elektrischer Leiter (oder Konduktor) ist ein Medium, welches frei bewegliche Ladungsträger besitzt, und somit zum Transport geladener Teilchen benutzt werden kann. Diesen Transport nennt man elektrischen Strom.

Leiter 1. Klasse

Metalle sind Leiter 1. Klasse. Die Leitfähigkeit von Metallen beruht auf der Anzahl der Elektronen auf ihrer Außenschale. Metalle bilden eine Bindung in der die Elektronen nur schwach gebunden sind. Die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich. Leiter haben die Eigenschaft des spezifischen Widerstands, einem Maß für die Leitfähigkeit. Der beste elektrische Leiter ist Silber. Als günstigere Alternative wird aber das ebenfalls gut leitende Kupfer verwendet. Die Leitfähigkeit hängt auch von der Temperatur ab. Ihre Leitfähigkeit bleibt innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen konstant. Der spezifische Widerstand der meisten Leiter vergrößert sich bei Erwärmung.

quantenmechanisch betrachtet

Wenn man Metalle quantenmechanisch (Blochwellenfunktion, Fermistatistik) betrachtet, ergibt sich, dass die Elektronen nicht jede Energie annehmen können, sondern nur in bestimmten Energiebändern sein können - die Form dieser Bänder hängt vom Kristallgitter des Materials ab.
Die Fermienergie (ist in etwa die Energie der energiereichsten Elektronen) ermöglicht eine Unterscheidung:
- Wenn die Fermienergie in einem erlaubten Band (Leitungsband) liegt spricht man von einem Leiter.
- Liegt die Fermieenergie zwischen den erlaubten Bändern ist es ein ...
  - ... Isolator wenn der energetische Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband groß gegenüber der thermischen Energie ist.
  - ... sonst ist es ein Halbleiter. Halbleiter sind eine Sonderform, im reinen Zustand können ihre Kristallgitter stabile Elektronenbindungen aufbauen. Die Elektronen können bei höherer Temperatur in ein Leitungsband aufsteigen, daher leiten Halbleiter im Gegensatz zu Metallen bei höheren Temperaturen besser.
Ein interessanter Effekt bei Halbleitern ist die Löcherleitung (auch Fehlstellenleitung). Das in das Leitungsband aufgestiegene Elektron hinterlässt ein Loch in der Bindung. Dieses Loch verhält sich ähnlich einem Elektron mit positiver Ladung und trägt auch zur Leitfähigkeit bei. In Halbleiter können auch noch Fremdatome eingebracht werden. Man spricht dann von Dotierung. Die Fremdatome dienen entweder dazu zusätzliche Elektronen einzubringen - man spricht dann von n-Dotierung (z.B. N in Si-Kristall) oder enthalten weniger Elektronen um Löcher einzubringen, was p-Dotierung genannt wird (z.B. B in Si-Kristall). Modelle: Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie, Bloch-Theorie

Supraleitung

Ein interessanter Effekt der bei niedrigen Temperaturen auftritt ist die Supraleitung. Dabei geht der Widerstand des supraleitenden Materials gegen Null. Der Effekt ist von quantenmechanischer Natur. Die nötige Temperatur ist von der Legierung abhängig. Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen in der Nähe des Absoluten Nullpunktes (Absoluter Nullpunkt) benötigten sind heute auch so genannte Hochtemperatur-Supraleiter bekannt, bei denen dieser Effekt schon bei Temperaturen in der "Nähe" der normalen Raumtemperatur auftritt. Anwendungen:
- Für hochempfindliche Sensoren für elektromagnetische Felder.
- zum vermindern der Widerstandsverluste in elektrischen Anlagen.
- verlustfreier Transport von Elektrizität.

Leiter 2. Klasse

So genannte Ionen-Leiter sind Leiter 2. Klasse. Als Beispiel für solche Leiter seien hier Salzlösungen genannt. Die Leitfähigkeit entsteht durch Dissoziation (Aufspaltung) der Bindung in Wasser. Die beiden Ionen trennen sich im Wasser und werden frei beweglich. Damit sind freie Ladungsträger als Voraussetzung für die Stromleitung vorhanden. Die Leitfähigkeit dieses Leiters kann sich im Laufe eines Versuchs verändern, wenn Teile der Ladungsträger andere chemische Bildungen eingehen. Dann kann man davon reden, dass der Leiter "verbraucht" wird. Diese Leiter werden auch Elektrolyten genannt.

Wärmeleiter

Die Wärmeleitung ist einer von drei Mechanismen in denen thermische Energie transportiert werden kann. (Die beiden anderen Möglichkeiten sind Strahlung und Konvektion (Strömung).) In Festkörpern erfolgt der Wärmetransport durch die Ausbreitung von Gitterschwingungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für diese anregregten Schwingungen bieten Leitungselektronen, daher sind elektrische Leiter, insbesondere Metalle, auch gute Wärmeleiter. Die Behandlung dieses Phänomens erfolgt in der Regel zweckmäßigerweise im Modell eines freien oder quasifreien Elektronengases (also von Elektronen, die sich in guter Näherung annähernd frei im Festkörper bewegen können, vergleichbar der Beweglichkeit eines Gases. (Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie). Da bei dieser Leitung die Elektronen bewegt werden entsteht auch ein Stromfluss (Seebeck-Effekt). In elektrischen Isolatoren wird die Wärme im Wesentlichen durch Gitterschwingungen (Phononen) übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit hängt daher von der Schallgeschwindigkeit ab. In Halbleitern treten beide Effekte auf. Gute Wärmeleiter sind: Metalle Gute thermische Isolatorern sind: Holz, Kunststoffe, Salze Entgegen allgemeiner Annahme ist Wasser ein schlechter Wärmeleiter. Wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport liefert hier, im Gegensatz zu Festkörpern, die Konvektion. Weitere Modelle: Einsteinmodell des Festkörpers

elektromagnetische Wellenleiter

Hochfrequenz- und Mikrowellenleiter

Ein bekannter Wellenleiter für hochfrequente elektromagnetische Wellen ist das Koaxialkabel. Der Wellenleiter für Mikrowellen nützt aus, dass die Wellen Ströme induzieren. Sie sind im Wesentlichen ein metallisches Rohr (rund oder auch rechteckig), dessen Durchmesser etwas größer ist als die halbe Wellenlänge der zu transportierenden Welle.

Höchstfrequenzleiter

-Auszug aus Hohlleiter (s. dort): "Ein Hohlleiter ist ein Wellenleiter für elektromagnetische Wellen vorwiegend im Zentimeter-Wellenbereich (3 bis 30 GHz). Hohlleiter sind runde oder rechteckige Metallrohre, in denen sich derart hohe Frequenzen im Gegensatz zu Kabeln sehr verlustarm übertragen lassen." ff

Licht

Optische Wellenleiter gibt es in zwei Bauformen
- 1-Dimensional: Ein Beispiel sind als Lichtwellenleiter dienende Glasfasern. Bei konventionellen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung mithilfe der Totalreflexion. Bei einigen modernen Varianten wird die Licht mithilfe von photonischen Kristallen geführt.
- 2-Dimensional: Ein Beispiel sind planare Wellenleiter. Sie werden z. B. in Halbleiterlasern eingesetzt. Kategorie:Physik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Festkörperphysik ja:導体

Anisotrop

Anisotropie (griech.: "an(ti)” gegen/nicht "isos” gleich, "tropos” Drehung, Richtung) bezeichnet die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft. Anisotropie ist das Gegenteil von Isotropie. Der Begriff wird in diesem Sinn in der Physik (z. B. Strahlung, Magnetismus, Ausbreitunggeschwindigkeit von Erdbebenwellen), Materialwissenschaft, Kristallographie und Mathematik auf jeweils unterschiedliche Eigenschaften der betrachteten Systeme angewandt.

Beispiele


- Die Strahlung der Sonne ist isotrop, die eines Lasers anisotrop.
- Gerichtete Anordnung der Kristallite im Metall (Textur): daraus ergibt sich eine Anisotropie der elastischen und plastischen Verformbarkeit.
- Die Doppelbrechung (Optik) beruht auf einer Anisotropie der Brechzahl.
- Flüssigkristalle sind anisotrope Flüssigkeiten.
- Ein Element x eines Bilinearraumes (V, b) heißt anisotrop, wenn die Gleichung b(x, x) = 0 nicht gilt.
- Die Elastizität von Werkstoffen ist im Allgemeinen anisotrop. Dies wird mit den Elastizitätsgesetzen beschrieben. Die bekanntesten anisotropen Elastizitätsgesetze sind das triklin anisotrope, das orthotrope und das transversal isotrope Elastizitätsgesetz.
Beispiele: Glas- und Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe (GFK und CFK) haben ein richtungsabhängiges Elastizitätsgesetz.

Siehe auch


- Isotropie
- Symmetrie (Physik) Kategorie:Physik Kategorie:Werkstoffeigenschaft

Isolator

Ein Isolator in der Elektrotechnik ist eine Substanz, die keinen elektrischen Strom leitet und daher als Isolierung wirkt. Ein Isolator hat einen spezifischen Widerstand von typischerweise mehr als 1010 Ωm. Die Eigenschaften von Isolatoren können von der Temperatur und von der Umgebung abhängig sein. Üblicherweise ändert sich die Leitfähigkeit eines Isolators mit steigender Temperatur wenig. Man muss Isolatoren von Halbleitern unterscheiden. Auch Halbleiter haben oft eine geringe Leitfähigkeit. Diese wird aber schnell größer, wenn der Halbleiter erwärmt wird. Auch bei anderen Phänomenen der Leitfähigkeit, z. B. thermische Leitfähigkeit oder akustische Leitfähigkeit, spricht man von Isolatoren, wenn Stoffe eine geringe Leitfähigkeit aufweisen (Wärmeisolator, Schallisolator, Feuchtigkeitsisolator).

Beispiele für elektrische Isolatoren

Beispiele für elektrische Isolatoren sind
- viele Keramiken (zu beachten ist, dass einige Keramiken bei tiefen Temperaturen zu Supraleitern werden!)
- viele organische Verbindungen
- Gläser
- trockene Salze
- die meisten Nichtmetalle,
- Gase (soweit sie nicht bei hohen Temperaturen als Plasma vorliegen)
- Kohlenstoff in der Modifikation Diamant
- Silikon

Anwendungen

Isolatoren finden in der Technik vielfache Anwendung. Sie dienen insbesondere dazu
- Kurzschlüsse zu vermeiden
- elektrische und elektronische Bauteile voneinander zu trennen
- Schalter zu bauen
- zur Befestigung von Leiterseilen von Freileitungen

Bauarten

Als Isolatoren für Fernsprechfreileitungen und Niederspannungsfreileitungen werden meist knopfförmige Keramikkörper gewählt, um deren Kappe das Leiterseil mit einer speziellen Schlinge geschlungen wird. Sie sind im Regelfall stehend auf den Masten montiert. Für Mittelspannung (Bereich 1 kV bis 30 kV) werden meist Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die zur Erhöhung des Kriechwegs gerippt sind. Die Leiterseile werden mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart je nach Anwendungszweck (Trag- oder Abspannklemme) unterschiedlich ist. Es gibt in diesem Spannungsbereich sowohl auf den Traversen der Masten stehende als auch an diesen hängende Isolatoren. Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten durch die Mastkonstruktion eine Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils, während hängende Isolatoren größere Kräfte auszuhalten vermögen. Sie können für erhöhte statische Anforderungen auch doppelt (nebeneinander angeordnet) sein. In diesem Fall kann ein Isolator im Fall eines Isolatorbruchs noch das Leiterseil tragen. Isolatoren zur Befestigung von Oberleitungen (Fahrleitungen) unterscheiden sich nicht grundlegend von denen für Freileitungen, müssen aber für die besonderen mechanischen Belastungen der Oberleitung ausgelegt sein. Isolatoren für Stromschienen müssen die schwere Stromschiene tragen. Häufig dient auch eine vorhandene Schutzabdeckung als Isolation zur isolierten Befestigung wie bei der Berliner S-Bahn. Schutzabdeckung Isolatoren für Hochspannung (30 kV bis 150 kV) werden nur in hängender Ausführung verwendet. Die Technik der Befestigung der Leiterseile unterscheidet sich nicht von der im Mittelspannungsbereich angewandten Technik. Häufig werden Doppelisolatoren verwendet. Für Bahnstromleitungen werden die gleichen Typen wie für Drehstromleitungen verwendet. Isolatoren für Höchstspannungen (> 150 kV) werden häufig als Ketten aus zwei oder mehreren Isolatoren für Hochspannung hergestellt (Isolatorkette). Daneben kommen auch Langstabisolatoren zum Einsatz. Als Materialien werden neben Glas und Porzellan vermehrt auch hochfeste Kunststoffe verwendet. In Deutschland werden für 380 kV-Leitungen grundsätzlich doppelte Isolatoren verwendet. Für sehr hohe statische Anforderungen können auch drei oder vier parallele Langstabisolatoren oder Isolatorketten verwendet werden. Isolatoren für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung unterscheiden sich prinzipiell nicht von den für Drehstrom verwendeten Typen. Allerdings müssen sie bei gleicher Betriebsspannung im Regelfall länger sein als für Drehstromanwendungen, da sie leicht verschmutzen. Für Hochfrequenzanwendungen werden zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten meist glatte Isolatoren verwendet. Besondere Anforderungen werden an die Isolatoren von selbststrahlenden Sendemasten gestellt, denn diese müssen bei hohen Sendeleistungen Spannungen von bis zu 300 kV und Lasten von bis zu 1000 Tonnen tragen können. Man verwendet hierfür zur Isolation der Pardunen Gurtbandisolatoren aus Steatit und zur Isolierung der Türme und Masten Hohl- oder Massivkörper aus Steatit, auf denen exakt passend der Aufliegekörper, der den Turm oder Mast trägt, befestigt ist. Der Isolator muss bis zum Einbau in einer Preßvorrichtung liegen. Der Turm oder Mast wird zum Einbau des Isolators hydraulisch gehoben und langsam auf dem Isolator abgesetzt.

Optischer Isolator

Unter einem optischen Isolator versteht man eine sog. optische Diode, also ein Ventil für Licht, ein Bauteil, das Licht in eine Richtung passieren lässt und es in der anderen Richtung sperrt. Das funktioniert jedoch nur mit polarisiertem Licht: in einer Richtung wird dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht, in der anderen jedoch nicht. Den gedrehten Anteil kann man mit Polarisationsfiltern oder schrägen dielektrischen Spiegeln (Brewsterfenster) entfernen.

Isolator als Bauelement der Hochfrequenztechnik

In der Hochfrequenztechnik ist ein Isolator ein Bauelement mit zwei Anschlüssen (Ports), dass die elektromagnetische Leistung nur in eine Richtung passieren lässt, während in Gegenrichtung idealerweise keine Leistung übertragen wird. Das in der Praxis endliche Übertragungsverhältnis zwischen Vor- und Rückrichtung wird als Isolation bezeichnet. In der Regel wird ein Isolator mit Hilfe eines Zirkulators realisiert, bei dem einer der drei Ports mit einem Abschlusswiderstand versehen ist. Die Signale werden auf diese Weise zwischen den verbleibenden zwei Ports nur in eine Richtung weitergeleitet, in der anderen Richtung werden sie auf den Abschlusswiderstand umgeleitet und dort in Wärme umgesetzt.

Siehe auch

Nichtleiter, elektrische Leitfähigkeit, elektrischer Widerstand, Leiter, Dielektrikum, Zirkulator Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Festkörperphysik ja:絶縁体

Atommodell

Ein Atommodell ist ein Modell, das auf der Grundlage beobachtbarer Eigenschaften der Materie und experimentell ermittelter Daten den Aufbau der Atome beschreibt. Die Modelle der Atomphysik konnten im Laufe der Zeit immer mehr Beobachtungen erklären, wurden aber auch komplizierter. Heute ist man in der Lage, Atome mit Hilfe der Quantenmechanik zu beschreiben. Auf die Frage, wie man sich denn ein Atom nun vorzustellen habe, antwortete der Physiker Werner Heisenberg: "Versuchen Sie es gar nicht erst!" Dies ist heute aktueller denn je, da neuere Atommodelle nur noch mit mathematischen Formeln darzustellen sind.

Voraussetzungen

Voraussetzung für die Entwicklung von Atommodellen war die Entdeckung der Atome und die Entdeckung, dass auch diese aus kleineren Teilchen aufgebaut sind.
- Leukipp, Demokrit (ca. 500 v.Chr.): Alle Stoffe bestehen aus definierten kleinsten Teilchen den Atomen von Atomos Teilchen des Unteilbaren
- Daniel Sennert (1618): Gesetz der Erhaltung der Elemente. Bei einer chemischen Reaktion gehen Elemente weder verloren, noch werden Elemente neu geschaffen.
- Robert Boyle (1661): Elemente sind bestimmte primitive und einfache, völlig unvermischte Körper, sie enthalten keine anderen Körper, sie sind Zutaten, aus denen alle perfekt gemischten Körper zusammengesetzt sind und in welche diese letzlich zerlegt werden.
- Antoine Laurent de Lavoisier (1785): Gesetz der Erhaltung der Masse. Die Summe der Massen der Edukte ist stets gleich der Summe der Massen der Produkte.
- Jeremias Benjamin Richter (1791/92): Gesetz der äquivalenten Proportionen. Erste experimentelle Hinweise auf Atome gibt es erst Ende des 18. Jahrhunderts, als John Dalton sein Gesetz der multiplen Proportionen findet. Aufgrund seiner Atomhypothese sagt er das Gesetz der konstanten Proportionen voraus, welches von Joseph-Louis Proust 1799 formuliert wird. Siehe auch: Atomphysik

Daltons Atomhypothese (1808)

#Materie besteht aus kleinsten kugelförmigen Teilchen oder Atomen. #Diese Atome sind unteilbar und können weder geschaffen noch zerstört werden. #Alle Atome eines chemischen Elements sind untereinander gleich, sie unterscheiden sich jedoch nur in der Masse von denen anderer. #Diese Atome können chemische Bindungen eingehen und aus diesen auch wieder gelöst werden. #Das Teilchen einer Verbindung wird aus einer bestimmten, stets gleichen Anzahl von Atomen der Elemente gebildet, aus denen die Verbindung besteht. Meist wurden Atome als feste Kugeln angenommen. Dies änderte sich erst, als Joseph John Thomson 1897 das Elektron entdeckte, dieses wurde 1874 erstmals von George Johnstone Stoney vorausgesagt und 1891 namentlich benannt.

Atommodelle

Dynamidenmodell (1903)

1903] Nach dem Dynamidenmodell bestehen Atome zum größten Teil aus leerem Raum zwischen kleinen, rotierenden elektrischen Dipolen, den Dynamiden. Die atomare Massezahl ist gleich der Zahl der Dynamiden in dem Atom. Das Modell blieb weitgehend unbekannt.

Thomsonsches Atommodell (1903)

Nach dem Thomsonschen Atommodell besteht das Atom aus einer gleichmäßig verteilten positiven Ladung und negativ geladenen Elektronen, die sich darin bewegen. Dieses Modell wird auch als Plumpudding-Modell oder zu deutsch Rosinenkuchenmodell bezeichnet.

Rutherfordsches Atommodell (1911)

1911] Nach dem Rutherfordschen Atommodell (nach Ernest Rutherford) besteht das Atom aus einem positiv geladenen Atomkern, der nahezu die gesamte Masse des Atoms beinhaltet und einer Atomhülle, in der die Elektronen um den Kern kreisen. Dieses Modell wurde entworfen, weil geladene Teilchen Atome weitgehend störungsfrei passieren können.

Bohrsches Atommodell (1913)

1913] Nach dem Bohrschen Atommodell (nach Niels Bohr) besteht das Atom aus einem positiv geladenen Kern und Elektronen, die diesen auf diskreten konzentrischen Bahnen umkreisen.

diskret]

Bohr-Sommerfeldsches Atommodell (1916)

Das Bohr-Sommerfeldsche Atommodell ist eine Erweiterung des bohrschen Atommodells durch Arnold Sommerfeld. In ihm sind auch bestimmte Ellipsenbahnen um den Atomkern zugelassen.

Orbitalmodell (1928)

Nach dem Orbitalmodell besteht das Atom aus einem Kern, der von Orbitalen umgeben ist. Die Form der Orbitale ist durch die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen gegeben. Im strengen Sinn ist ein Orbital eine Lösung der Schrödingergleichung.




Didaktische Modelle

Schalenmodell

Im Schalenmodell wird ein positiv geladener Atomkern von Kugelschalen umgeben, in denen sich die Elektronen befinden. Nur die jeweils äußerste Schale ist für die chemischen Eigenschaften des Elements verantwortlich. Über die Bewegung der Elektronen wird keine Aussage gemacht. Das Schalenmodell ist
- eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells: Elektronen kreisen um den Atomkern wie die Planeten um die Sonne und
- eine Vereinfachung des Orbitalmodells: der Aufenthaltsort der Elektronen kann nur durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion - die sog. Wellenfunktion als Lösung der Schrödingergleichung - bestimmt werden. Die Wellenfunktion kann durch sog. Wahrscheinlichkeitswolken oder -schalen visualisiert werden. Schrödingergleichung

Kugelwolkenmodell

Das Kugelwolkenmodell (Kimballsches Atommodell) ist ein in der Schule häufig verwendetes Atommodell, mit dem sich viele Phänomene (Atombindung, Molekülbau) erklären lassen. Es stellt einer Erweiterung des Schalenmodells dar und ist eine Vereinfachung gegenüber dem genaueren Orbitalmodell.

Punktteilchen und inkompressible Kugeln

In einigen Fällen können Atome als Punkte ohne Ausdehnung genähert werden (z. B. ideales Gas), in anderen als Kugeln mit bestimmtem Volumen (z. B. Van-der-Waals-Gas).

Kern und Hülle

Der Radius des Atomkerns ist etwa um den Faktor 10.000 kleiner als der Radius der Atomhülle. Wenn man also vom Radius eines Atoms spricht, dann ist immer der Außen-Radius der Atomhülle gemeint (im anderen Falle spricht man vom Kernradius). Der Atomradius schwankt zwischen 0,3·10-10 m und 2,62·10-10 m. Der Atomkern wird aus Protonen und Neutronen gebildet. Er enthält fast die gesamte Masse des Atoms (mehr als 99,9%) und ist positiv geladen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Element. Sein Radius beträgt ungefähr 10-14 m
Bei Atomen mit der gleichen Anzahl Protonen, aber unterschiedlich vielen Neutronen im Kern spricht man von Isotopen des jeweiligen Elements. Die Atomhülle wird von den Elektronen gebildet. Sie kompensiert durch ihre negative Ladung, die Ladung des positiven Atomkerns, sodass das Atom nach außen neutral ist. Enthält die Hülle mehr oder weniger Elektronen als der Kern Protonen, so spricht man von einem Ion.

Modelle des Atomkerns

Es gibt auch Modelle, die sich ausschließlich mit dem Atomkern beschäftigen.

Tröpfchenmodell (1936)

Das Tröpfchenmodell beschreibt den Atomkern als Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit. Mit diesem klassischen Modell kann etwa die Kernspaltung gut erklärt werden.

Schalenmodell (1949)

Das Schalenmodell des Atomkerns wurde synchron von Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert-Mayer und J. Hans D. Jensen im Jahre 1949 postuliert. Es führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten (Pauli-Prinzip, ) zurück. Im Gegensatz zu dem Tröpfchenmodell ist das Schalenmodell ein Modell, das Nukleonen eine relative Bewegungsunabhängigkeit zugesteht.

Weblinks


- [http://stshome.de/elektronik/atom-modell/ Einfach erklärtes Atom Modell zum Thema Elektronik]
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die Atommodelle] Planetenmodell, Schalenmodell, Wellenmechanisches Modell, Schrödingergleichung und Ansichten der Orbitale
- [http://home.germany.net/101-92989/atom/atom.htm Geschichte der kleinsten "unteilbaren" Teilchen] Erstaunlich gute Einführung des Leistungskurses der 12. Klasse des Georg-Forster-Gymnasiums.
- [http://www.csmate.colostate.edu/cltw/cohortpages/viney/atomhistory.html Sehr einfache Übersicht der Entwicklung des Atommodells auf Englisch]
- [http://netchemie.de/netchemie/index.php?c=peri Animierte Darstellung aller Atome nach dem Bohrmodell]
- [http://www.physics.uc.edu/~sitko/CollegePhysicsIII/28-AtomicPhysics/AtomicPhysics.htm Atomic Physics - eine englische Einleitung] Kategorie:Atomphysik

Tetraeder

Ein Tetraeder (v. griech.: tetráedron = Vierflächner) ist ein Körper mit vier Seitenflächen. Das Wort wird jedoch nur selten in dieser allgemeinen Bedeutung gebraucht. Meist ist mit Tetraeder das regelmäßige (oder gleichseitige) Tetraeder gemeint, während das allgemeine Tetraeder als dreiseitige Pyramide oder dreidimensionaler Simplex bezeichnet wird.

Regelmäßiges Tetraeder

Das (oft auch: der) regelmäßige Tetraeder (reguläre Tetraeder) ist einer der fünf platonischen Körper, genauer: ein (dreidimensionales) Polyeder (ein Vielflächner) mit
- vier (kongruenten) gleichseitigen Dreiecken als Flächen
- sechs (gleichlangen) Kanten und
- vier Ecken, in denen jeweils drei Flächen zusammentreffen Das Tetraeder ist auch eine gleichseitige dreiseitige Pyramide (mit einem gleichseitigen Dreieck als Grundfläche).

Symmetrie

right Wegen seiner hohen Symmetrie – alle Ecken, Kanten und Flächen sind untereinander gleichartig – ist das Tetraeder ein reguläres Polytop. Es hat
- vier dreizählige Drehachsen (durch die Ecken und die Mitten der gegenüberliegenden Seitenflächen),
- drei zweizählige Drehachsen (durch die Mittelpunkte gegenüberliegender Kanten) sowie
- sechs Symmetrieebenen (jeweils durch eine Kante und senkrecht (normal) zur gegenüberliegenden Kante) und ist
- punktsymmetrisch (zentralsymmetrisch). Insgesamt hat die Symmetriegruppe des Tetraeders – die Tetraedergruppe – 24 Elemente. Sie ist die symmetrische Gruppe S4 und bewirkt alle 4! = 24 Permutationen der Ecken bzw. der Seitenflächen. Sie ist Untergruppe der Oktaedergruppe (Würfelgruppe). Im Einzelnen gehören zur Tetraedergruppe
- 12 Drehungen (gerade Permutationen), nämlich
  - die identische Abbildung,
  - 8 Drehungen um 120° (4 mögliche Drehachsen durch jeweils eine Ecke und den Mittelpunkt der gegenüberliegenden Dreiecksfläche, 2 Möglichkeiten für den Drehsinn) und
  - 3 Drehungen um 180° (Drehachsen jeweils durch die Mittelpunkte zweier gegenüberliegender Kanten) sowie
- 12 ungerade Permutationen, nämlich
  - 6 Ebenenspiegelungen (an Ebenen, die jeweils zu einer Kante senkrecht sind und durch den Mittelpunkt dieser Kante gehen) und
  - 6 Drehspiegelungen (Ebenenspiegelungen, jeweils kombiniert mit einer nachfolgenden 90°-Drehung). Die geraden Permutationen bilden eine Untergruppe der Tetraedergruppe, die so genannte alternierende Gruppe A_4. Manchmal wird der Begriff Tetraedergruppe auch