2. Bindungen und einige Eigenschaften der Festkörper

2.1 Bindungspotentiale und erste Eigenschaften

2.1.1 Das Bindungspotential

Bindungspotentiale verstehen

Wir steigen eine Höhe h die Treppe hoch und haben die potentielle Energie U = m · g · h gewonnen (g = Erdbeschleuningung, m = Masse).

Genauer gesagt war es mechanische potentielle Energie; außererdem haben wir ohne nachzudenken den Nullpunkt der Höhenskala auf die Ausgangshöhe gelegt. Wir befinden uns jetzt auf dem Potentialniveau oder kurz auf dem Potential U(h); man sagt auch wir "haben" dieses Potential.

Der Zuwachs an Potential oder potentieller Energie kommt von einer Arbeitsleistung = Kraft (F) mal Weg (r), oder genauer gesagt Integral Fdr. Nur wenn der Wert des Integrals vom Anfang zum Endpunkt vom Weg unabhängig ist können wir von einem Potential reden. Für U = m · g · h gilt das - die potentielle Energie, die wir nach Bewältigung des Höhenunterschieds h gewonnen haben, hängt nicht davon ab, ob die Treppe steil oder flach ist, Kurven hat oder gerade ist.

U(h) =	r_h ó õ r₀	F(r)	· dr

Nur wenn das Integral Fdr vom Anfang zum Endpunkt vom Weg unabhängig ist können wir von einem Potential reden. Für U = m · g · h gilt das - die potentielle Energie, die wir nach Bewältigung des Höhenunterschieds h gewonnen haben, hängt nicht davon ab, ob die Treppe steil oder flach ist, Kurven hat oder gerade ist.

Dieser Link erklärt das präzise und mathematisch. Man kann sich das anschauen, muss aber nicht.

Jeder und jedem ist hoffentlich klar, dass die Formel U = m · g · h sich nicht direkt aus obigem Integral ergibt (die Gravitationskraft ist ja proportional zu (m₁·m₂)/r²), sondern nur eine Näherung für kleine h darstellt. Wem das nicht klar ist sollte unbedingt die erste Aufgabe der einfachen Fragen machen

Wenn wir ein bißchen verallgemeinern, haben wir gegen die von der Gravitation stammenden Bindungskräfte zwischen der Erde und einem Menschen, uns ein bißchen weiter vom Bindungspartner "Erde" entfernt. Der "Bindungsabstand" hat sich vergrößert.

Die von der Gravitation herrührende Bindungskraft möchte uns eigentlich zum Erdmittelpunkt ziehen. Wir kämen erst zur Ruhe wenn die Schwerpunkte der beiden Körper den Abstand Null haben. Das klappt aber nicht, denn sobald wir auf dem "Boden" stehen verhindert eine sehr starke abstoßende Kraft, die bei einem bestimmten Abstand r₀ zwischen Erdmittelpunkt und Massenschwerpunkt exakt gleich groß ist wie die anziehende Gavitationskraft, dass wir weiter Richtung Erdmittelpunkt fallen

Zwischen den beiden Körpern Erde - Studierender stellt sich der Gleichgewichtsabstand r₀ = r_Erde + r_Studi » r_Erde ein; die Summe aus den "Radien" der beiden Partner.

Wollen wir den Abstand um ein –Dr verringern, müssen wir, wie unten gezeigt, erheblich mehr Arbeit investieren im Vergleich zu einem +Dr = h im obigen Beispiel.

Aus "Asterix und die Normannen", Copyright Dargaud S.A. und EHAPA Verlag

Wir betrachten jetzt ein NaCl Molekül; die Bindungspartner sind jetzt die Atome oder besser Ionen. Das Cl Atom hat sein überschüssiges Elektron dem Na Atom übergeben, das gerne eins mehr hätte; beide liegen jetzt als Na⁺ und Cl^- Ionen vor.

Zwischen den Ionen wirkt jetzt nicht nur die (vollständig vernachlässigbare) Gravitation, sondern die anziehende Coulombkraft als die Bindungskraft, die das Molekül zusammenhält.

Aber auch hier fallen die Zentren oder Ladungsschwerpunkte der Ionen nicht aufeinander, sondern arrangieren sich ebenfalls in einem Gleichgewichtsabstand r₀ = r₁ + r₂; die r_i sind die jeweiligen Ionenradien, die jetzt aber ungefähr gleich groß sind.

Wollen wir die beiden Ionen auseinanderbringen, d.h. den Abstand r = ¥ einstellen, müssen wir dazu die Arbeit U leisten; es gilt (mit q = Ladungen der Ionen, e = Elementarladung = 1,602 · 10¹⁹ C , e₀ = electrische Suszeptibilität des Vakuums = 8,854 · 10 ^–12As/Vm):

U_¥ =	¥ ó õ r₀	q₁ · q₂ 4p · e₀ · r ²	· dr	= –	e² 4p · e₀ · r₀

Wir haben damit die gesamte Arbeit ausgerechnet, die man braucht um die beiden Ionen gegen die Coulombkraft vollständig zu trennen.

Wer auch nur das geringste Problem mit dieser Gleichung hat, tut gut daran, die Fragen und Übungen zu diesem Modul sehr sorgfältig durchzuarbeiten. Wir konzentrieren uns in dieser Vorlesung auf das grundsätzliche Verständnis, und nicht auf's "Rechnen".

Wenn wir das Integral für einen beliebigen Abstand r > r₀ ausrechnen, ist das die zu leistende Arbeit um den Abstand von r₀ auf r zu erhöhen. Das ist wie oben bei der Gravitation dann die potentielle Energie oder das Bindungspotential der anziehenden Coulombkräfte im Abstand r. Zeichnen wir einen schematischen Graphen, sieht das so aus wie im Bild unten links gezeigt.


Anziehendes Coulombpotential	Anziehendes Coulombpotential und zugehörige Kraft	Anziehendes Coulombpotential und abstossendes Potential

Jetzt betrachten wir mal das inverse Problem: Der Potentialverlauf zwischen zwei wechselwirkenden Körpern sei von Gott oder seinem Stellvertreter auf Erden (für Studis ist das der Professor oder die Professorin) gegeben, wie in der Kurve im obigen Bild links. Wir interessieren uns jetzt für die zugehörige Kraft F zwischen den Körpern.

Wie das geht sollte klar sein; wir haben

F = –	dU(r) d r		F = –	grad[U(r)]	= – U(r)

also

F_x = –	¶U ¶x	,	F_y = –	¶U ¶y	,	F_z = –	¶U ¶z

Im rechten und unteren Teil der Gleichung sind wir dreidimensional geworden; alles was wir tun müssen ist F und r als Vektoren zu schreiben. (Geht nur mit Unterstrich in HTML).

Wenn man also eine Potentialkurve hat wie im Bild oben links gegeben, kann man durch (graphisches) Differenzieren sofort eine Kraftkurve (schematisch) einzeichnen; das ist im mittleren Bild gezeigt.

Wir betrachten jetzt den Fall, dass die beiden Ionen sich wieder lieb haben und möglichst dicht aufeinander hängen wollen.

Das geht aber nicht so einfach. Kommen sie sich zu nahe, beginnt eine sehr stark abstoßende Kraft zu wirken, die mit betragsmäßig größer werdendem Dr zu kleineren Abständen erfahrungsgemäß sehr schnell (= mit hoher Potenz von Dr) gößer wird. Man kann zwei Körper = 2 Atome nicht ineinanderschieben!

Diese abstoßende Kraft ist im Übrigen dieselbe, die die Gravitation daran hindert, uns zum Erdmittelpunkt zu ziehen.

Wie lautet die Formel für die abstoßende Kraft mit der wir dann das Abstoßungspotential berechnen können? Die Antwort auf diese Frage ist symptomatisch für die Materialwissenschaft:

Es gibt oft keine einfachen Formeln für einfache Tatbestände. Aber: Es gibt manchmal sehr einfache Formeln oder Graphiken für sehr komplexe Situationen.

Zur Berechnung der abstoßenden Kraft zwischen Atomen / Ionen braucht man die Quantentheorie. Es gibt dann i.d.R. keine einfachen Formeln mehr, oft gibt es überhaupt keine "hinschreibbaren" (= analytische) Formeln mehr. Das heißt aber nicht, dass die zugrundeliegenden Phänomene schwierig sind!

Wir behelfen uns hier schlicht damit, dass wir das abstoßende Potential so hinzeichnen wie es ungefähr aussehen muss. Das ist im rechten Teil des obigen Bildes getan.

Die Kraftkurve dazu denken wir uns (bzw. machen das in der Übung); damit werden auch die Vorzeichen klar.

Jetzt kommt der entscheidende Schritt: Potentiale darf man einfach (vorzeichenrichtig) addieren. da sie vom Weg unabhängig sind. Wir tun das mal (graphisch) und bekommen für das gesamte Bindungspotential von Na⁺ — Cl^– (und qualitativ auch für jedes andere Ionenpaar) die unten gezeigte Kurve.

Bindungspotentialkurve für Ionen

Wir haben eine Potentialkurve mit einem Minimum bei U₀. In einem solchen Fall reden wir immer von einem Potentialtopf!

Wir können –U₀, den Wert des Bindungspotentials im Minimum, mit Fug und Recht auch die Bindungsenergie der Ionen nennen. Um die Ionen zu trennen (Abstand auf "Unendlich erhöhen) muss man den Betrag von –U₀ aufbringen (Achtung! U₀ ist eine negative Zahl; Bindungsenergien gibt man aber gern als positive Zahl an).

U₀ ist allerdings noch nicht die Bindungsenergie des NaCl Moleküls. Warum? Darüber sollte man erst mal selbst nachdenken.

Bindungspotentiale verallgemeinert

Wir machen jetzt eine leicht zu verstehende Verallgemeinerung mit weitreichenden Folgen.

1. Wir nehmen viele Ionen in einer Fläche und nicht nur zwei wie oben. Falls NaCl eine atomare Schicht bilden würde, sähe das z.B. (halbwegs massstabsgetreu) wie folgt aus:

Massstabsrichtige NaCl Schicht

Wenn wir jetzt für das zentrale Na⁺ Ion die Arbeit ausrechnen um es (nach "oben" ) zu entfernen, müssen wir "einfach" nur alle Coulombkräfte aufaddieren als Funktion des jeweiligen Abstandes (durch die Kreise markiert)

Wir haben eine Folge von anziehenden und abstoßenden Kräften. Falls wir den zweidimensionalen Kristall gleich ins Unendliche ausdehnen (schwierig zu zeichnen) bekommen wir eine unendliche Reihe, die aufzusummieren wäre. Das ist mathematisch sehr anspruchsvoll, aber es geht.

Was wir erhalten ist ein Potenial das graphisch genauso aussieht wie das im entsprechenden Bild für zwei Ionen gezeigte. Nur die Zahlen an den Achsen würden sich etwas ändern. Da wir schlauerweise keine eingezeichnet haben, ändert sich erstmal gar nichts.

2. Wir gehen noch einen Schritt weiter. Wir nehmen viele Ionen, aber jetzt sogar dreidimensional angeordnet - halt den realen NaCl Kristall.

Es ist jetzt nicht so klar, wie wir ein Ion entfernen. Das muss uns aber keine Sorgen machen, denn das zugehörige Potential ist vom Weg unabhängig.

Die Berechnung wäre ähnlich wie oben, nur wird die unendliche Folge von abstoßenden und anziehenden Kräften, über die integriert werden muss, noch komplizierter; mehr dazu im Link

Wir müssen das aber gar nicht selber tun - Herr Madelung (und viele nach ihm) haben es schon für uns getan. Das Ergebnis ist trotz sehr trickreicher Mathematik verblüffend einfach:

Coulombpotential für ein Ion des Na⁺ - Cl^– Moleküls	U(r) =	–	A' \|r\|

Coulombpotential für ein Ion des Na⁺ - Cl^- Kristalls	U(r) =	– a_M ·	A' \|r\|

Die Konstante A' ist uns von der Übung her bekannt (??), der Faktor a_M heißt Madelungkonstante.

Der exakte Wert der Madelungkonstanten hängt natürlich von den Ionensorten und den damit verknüpften Bindungslängen sowie der dreidimensionalen Anordnung ab. Für Na⁺ - Cl^– haben wir zum Beispiel a_M = 1.748. Im Allgemeinen liegt die Madelungkonstante zwischen ca. 1.5 und 4.5; genaue Werte gibt's im Link.

Das bedeutet erstmal, dass ein Ion im Kristall a_M mal fester gebunden ist als im Molekül.

3. Was uns für das anziehende Potential recht war, muss auch für das abstoßende Potential gelten. Versuchen wir, ein Ion in einem NaCl Kristall dichter auf einen Nachbar zu drücken, wird die abstoßene Kraft mit abnehmendem Abstand sehr schnell anwachsen; das zugehörige "abstossende" Potential U_ab sieht schematisch aber nicht anders aus als oben gezeigt.

Um eine halbwegs passende Formel zu haben beschreiben wir es als U_ab » B/r^m. Wir haben damit zwei noch unbestimmte Konstanten B und m eingeführt, über die wir noch nichts wissen, außer dass m >>1 sein sollte.

Damit haben wir für das Bindungspotential des Na⁺ - Cl^– und damit auch für alle Ionenbindungen die (ungefähre) Formel

U_ion(r) =	B r^m	– a_M ·	A r

In dieser Allgemeinheit gilt das außerdem nicht nur für Na⁺Cl^–, sondern für alle Ionen in allen Ionenkristallen.

Bevor wir weiter verallgemeinern, müssen wir noch schnell die Frage klären, warum wir betont haben, dass wir über das Bindungspotential des Na⁺ - Cl^– reden, und nicht über Kochsalz, NaCl.

Einfach: Bevor wir Na⁺ und Cl^– haben, müssen wir erst mal Na und Cl ionisieren. Das geht nicht ganz ohne Energie. Zwar hat das Na Atom ein Elektron "zu viel", und ein Cl Atom ein Elektron "zu wenig", aber einfach so wird das Na Atom sein überschüssiges Elektron nicht hergeben, und das Cl Atom auch nicht eines anlagern. Die enge Bindung zwischen A und B beginnt sozusagen mit einem Flirt, in dem erstmal eine kleine Aufmerksamkeit (ein Elektron) überreicht wird. Nur wenn der prospektive Partner das Geschenk annimmt (= bindet), geht's weiter.

Wir beschreiben die Ionisation deshalb durch die einfachen Beziehungen:

Na	+	5,14 eV	Û	Na⁺	+	e^–
Cl	–	3,61 eV	Û	Cl ^–	–	e^–

Besser formuliert.
Cl ^–	+	3,61 eV	Û	Cl	+	e^–

Gesamtbilanz
Na + Cl + 1.43 eV			Û	Na⁺	+	Cl ^–

Damit haben wir auch schon zwei Kennzahlen von Atomen kennengelernt:

Die Ionisationsenergie I = Energie, die es braucht um einem Atom ein Elektron abzutrennen: A_Atom + I = A⁺_Ion

Nebenbei haben wir noch unsere Hauptmaßeinheit für Energien definiert: das Elektronenvolt [eV]. Dazu machen wir eine extrem einfache schnelle Übuung:

Übungsaufgabe
Aufgabe 2.1-4

Die Elektronenaffinität A definiert nach A^–_ion + A = A_Atom. Man kann das als Energie sehen, die frei wird wenn ein neutrales Atom ein Elektron bindet, oder als die "Ionisationsenergie", die Abtrennenergie, für das negativ geladene Ion.

Hier treffen wir auch zum ersten Mal auf den

1. Hauptsatz der Materialwissenschaft

Mit Gewalt kann man alles kaputtmachen

Man kann mit Gewalt - d.h. mit hinreichend viel Ionisationsenergie jedem Atom ein Elektron wegnehmen. Man kann aber Atome, die kein zusätzliches Elektron haben möchten, nicht zwingen eines zu binden.

In anderen Worten: Die Ionisationsenergie ist immer eine positive Zahl; die Elektronenaffinität kann in Prinzip aber auch negativ werden. Das würde bedeuten, dass man Energie gewinnt (und nicht hineinstecken muss) um einem negativ geladenem Ion sein Elektron wegzunehmen, oder schlicht, dass das Elektron sofort "von allein abfällt". Da es in diesem Fall keine negativ geladenen Ionen geben kann, ist die Angabe einer Elektronenaffinität in diesen Fällen (z. B. für alle Alkali und Erdalkali Elemente (warum???)) sinnlos. Mehr dazu in diesem Link.

Von dem Bindungspotential U₀ der Ionen, wie oben angegeben, müssen wir also noch die Bilanz der Energien abziehen, die man zunächst braucht um aus Atomen Ionen zu machen.

Das verschiebt aber nur den Nullpunkt der entsprechenden Potentialkurven - den wir schlauerweise nirgendwo eingezeichnet haben. Auch die Formel können wir beibehalten solange wir keine Zahlenwerte angeben.

Damit haben wir "eigentlich" die Bindung reiner Ionenkristalle schon abgehandelt. Wir werden uns das aber noch ein bißchen näher ansehen. Vorher machen wir aber noch den nächsten Schritt in Richtung Verallgemeinerung:

4. Was für die Anziehung, also die Bindungskräfte zwischen zwei Ionen gilt, läßt sich jetzt auf jeden Fall von Bindung verallgemeinern.

Was immer die Anziehung bewirkt und zur Bindung führt - z. B. für die Cl-Atome im Cl₂ Gas - muss ein Potential U_an haben, das mit kleiner werdendem Abstand "runter" geht, also schematisch immer noch wie im Bild oben links aussieht. Solche Kurven kann man in Näherung immer durch einen Ausdruck in der Form U_an = – A/rⁿ beschreiben, mit n = 1 für Ionen, und n irgendeine Zahl > 1 für andere Bindungen. Die Madelungkonstante steckt im Zweifel in der Konstanten A (jetzt ohne Strich).

Damit haben wir ein ganz allgemeines Bindungspotential U_Bindg definiert

U_Bindg =	–	A r ⁿ	+	B r ^m

	Anziehend			Abstossend

Cui bono - Wem nützt's? Nun, wie wir sehen werden, haben wir mit dem allgemeinen Bindungspotential eine Menge erreicht:

Wir haben einige wesentliche Eigenschaften der Kristalle (wenn nicht gar aller feste Stoffe), die wir im Folgenden kennenlernen werden, damit im Grunde schon "erschlagen".
Wir haben einen guten Grund uns jetzt schon nach der Rolle der Temperatur T zu fragen (die bisher gar nicht vorkam), und dabei einige erste Antworten zu finden.
Wir haben den Schlüssel zur Struktur der Festkörper (Kristall, welcher Kristalltyp?, ...) .
Wir haben einen generellen Ansatz zur Behandlung materialwissenschaftlicher Fragen gefunden, der ausbaufähig sein wird.
Wir haben gleich zu Beginn verstanden, dass es um's Prinzip geht, und dass trotz komplizierter Mathematik einfache Ergebnisse herauskommen können.

Diese Punkte werden wir im folgenden aufgreifen und vertiefen.

Fragebogen
Einfache Fragen zu 2.1

Fragebogen
"Multiple Choice" Fragen zu 2.1