Werkstoffkunde Aluminiummischkristall

[HeAdbAnGeR]

Hallo miteinander!

Ich lerne gerade für meine hoffentlich letzte Prüfung zum Thema Werkstoffkunde. Zu diesem Zweck gehe ich ein paar alte Klausuren durch.

Die fragliche Aufgabe besteht darin, einen Aluminiummischkristall zu zeichnen, bei dem das Kristallgitter von Siliziumatomen gestört wird. Aluminium weißt eine kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur auf. Mir stellt sich nun die Frage, ob die Siliziumatome als Interstitionsatome oder Substitutionsatome im Kristallgitter auftreten.

Vorlesungsskript und Internet habe ich durchsucht ohne eine Antwort zu finden.
Meine Kommilitonen sind ähnlich ratlos. Vielleicht befindet sich ja hier ein paar Maschinenbauer oder Chemiker, die bescheid wissen!

Danke schonmal!

 

[Ancient]

Beides möglich, kommt drauf an was mit "gestört" gemeint ist.

 

[HeAdbAnGeR]

"Gestört" soll heißen, dass das ideale Kristallgitter des Aluminiums durch das Beisein von Siliziumatomen verändert oder beeinträchtigt wird. Ein genaue Konzentration des Siliziums ist nicht angegeben, da es sich jedoch um einen Aluminiummischkristall handeln soll, ist anzunehmen, das die Konzentration des Siliziums recht gering ist.

 

[Ancient]

Die Frage ist leider sehr ungenau gestellt, aber ich würde Substitutionsteilchen tippen.
Denn Si kristallisiert ebenfalls kubisch flächenzentriert. Statistisch gesehen verändern sich also durch den Si Anteil die Abmessungen der Elementarzelle im Vergleich zu reinem Al.

 

[Bowser]

edit: hm ist wohl falsch, was ich da erzählt habe. :O
falls dich meine idee trotzdem interessiert: ich dachte die atomradien könnten für substitutionsatome zu sehr voneinander abweichen. das ist wohl aber doch nicht kritisch hier.

wobei jetzt habe ich nochmal weitergesucht, weil mich das brennend interessiert: also anscheinend ist eine maximal 15%-ige abweichung der atomradien eine voraussetzung für das auftreten der gelösten atome als substitutionsatome.

z.b. hier:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hume-Rothery_rules

das ist hier aber ein enger grenzfall. die anderen kriterien sind ja soweit alle erfüllt.

 

[HeAdbAnGeR]

Kuhl, danke erstmal für die Antworten. Ich persönlich tippe auch eher auf Substitution. Ich hab zwar von Chemie keine Ahnung, da die beiden Elemente aber nebeneinander im Periodensystem stehen, würde ich schätzen das die Atome auch ähnlich groß sind, ergo kann Silizium garnicht interstitiell im Aluminiumkristallgitter auftreten.

Ancient, welche Parameter bräuchtest du denn noch um eine klare Aussage treffen zu können?

Werd mich nachher nochmal mit einem Kommilitonen hinsetzen.

 

[Bowser]

naja aber bei dem link von mir und auch bei anderen quellen steht eben der unterschied der atomradien dürfe maximal 15% betragen, er beträgt hier aber ca 17%, wenn ich mich nicht irre.
aber ob das wirklich so streng erfüllt sein muss weiss ich selbst nicht.

 

[Ancient]

in der kristallographie ist nie was streng erfüllt.

 

[HeAdbAnGeR]

Hab mich grad mit meinem Kommilitonen getroffen. Der hatte eben jene Aufgabe in der Prüfung, wusste die Antwort aber auch nicht mehr 8[.

Ist denn das Siliziumatom 17% größer als das Aluminiumatom oder umgekehrt?
Sollte das Siliziumatom größer sein, schließt sich eine Anordnung als Interstitionsatom doch sowieso von vornherein aus oder?

 

[Gelöschtes Mitglied 160054]

ich suche mal nach meinem alten werkstoffkundeskript, vielleicht steht da was zu drin. Das Thema kam aufjedenfall dran.

 

[Bowser]

silicium ist kleiner, ein blick ins PSE hilft da schon. ^^
aber so wie ich das sehe gelten die 15% sowohl für kleiner als auch für größer.

 

[zoiX]

Aluminium und Sillicium kristallisieren nicht im selben Kristallgitter, Aluminium ist kfz, wie hier schon erwähnt wurde, Sillicium kristallisiert in Fd3-m (Diamantstruktur).
Der große Unterschied in den Atomradien (die meistens röntgenographisch aus Metallkristallen bestimmt werden) rührt daher, dass die Koordinationszahlen in den Metallstrukturen unterschiedlich sind.
Nähern wir uns dem Problem, die Atomgrößen zu vergleichen mal etwas anders, und vergleichen die Bindungslängen E-CH3 Trimetylaluminium (wir betrachten natürlich eine Bindung zu einer terminalen Methylgruppe) und Tetramethylsilan. Dann zeigt Sillicium eine Bindungslänge von 188 pm, die Aluminium-Kohlenstoffbindung ist 197 pm lang. Eine Kohlenstoff-Kohlenstoffbindung misst 154 pm - aus den Werten resultieren Kovalenzradien von 111 pm für Si und 120 pm für Al, womit der Unterschied kleiner wäre als 15%.

Soviel dazu - das Problem bleibt, deine Frage kann ich dir auch nich zweifelsfrei beantworten. Hast du mal in der ICSD (habt ihr da Zugriff drauf?) nach Intermetallica von Aluminium und Sillicium gesucht?
Mein Gefühl tendiert allerdings stark zu Substitution.

 

[Bowser]

sie haben zwar unterschiedliche koordinationszahlen, aber der abstand ist doch identisch mit (a/2)*√2, dachte ich zumindest?

also ich habe bisher nur eine einführungsveranstaltung zur kristallographie hinter mir und schätze mal du bist wesentlich kompetenter, vielleicht kannst du mir das ja kurz erklären.

 

[HeAdbAnGeR]

Soa, hab heute die Prüfung geschrieben und bin auch ohne die Antwort ausgekommen : ). Hatte danach leider nicht mehr dran gedacht, mal nachzufragen.

Was zoiX sagt, versteh ich nicht 8[. Fest steht es entsteht ein Aluminiummischkristall in dem Silizium entweder interstitiell oder substitutionell gelöst ist. Von anderen Kristallstrukturen als denen, die für die meißten Metalle relevant sind (krz kfz hdp) haben wir in der Vorlesung nie gesprochen, geschweige denn von Kovalenzradien und derlei^^. In Anbetracht der Komplexität deines Erklärungsversuchs finde ich es fast schon dreist, diese Frage in der Prüfung einer Einführungsveranstaltung für Maschinenbauer zu stellen...

 

[zoiX]

Tatsächlich hat mich das zu einigem Überlegen gebracht, und letztlich hab ich angefangen, dran zu zweifeln, ob sich das Argument der Koordinationsabhängigkeit des Atomradius überhaupt auf Elemente anwenden lässt. Aber langsam - begründen wir erstmal, warum in salzartigen Verbindungen der gemessene Radius eines Ions abhängig von der Koordinationszahl ist.

Greift man eine Koordinationseinheit [MX6]n- bzw. [MX4]m- raus, dann sieht man sofort, dass sich im ersteren Fall durch die Koordination ans Kation sechs Anionen nahe kommen - das resultiert in einer stärkeren repulsiven WW zwischen den Anionen als im zweiten Fall, wo nur vier gleichsinnige Ladungen aneinander angenähert werden. Die Abstoßung der koordinierenden Ionen untereinander erhöht dann den gemessenen Radius des koordinierten Ions.

Man merkt sofort, warum ich ins Stolpern geraten bin, als ich das auf unseren Fall übertragen wollte: Im Element gibt es keine Ladungen, die sich in einem solchen Sinne abstoßen könnten. Die Begründung für die großen Unterschiede in den Atom-Atom-Abständen muss also woanders liegen - und man findet tatsächlich noch eine vielleicht eingängigere Begründung: Sillizium ist ein Halbmetall, mit überwiegend kovalenten Atom-Atom-Wechselwirkungen und größtenteils lokalisierten Elektronen, während Aluminium ein echtes Metall ist - die Valenzelektronen stecken also naiv betrachtet delokalisiert irgendwo zwischen allen Atomen und die Bindungen sind ungerichtet - das erklärt die höhere Koordinationszahl und die schwächere (längere) Atom-Atom-Bindung.

In den Organylen, die ich dann zu Rate gezogen hab sind beide Elemente in etwa der gleichen Situation, was die Sache (in meinen Augen) vergleichbarer macht.

an den TE: Wenn ich dran denke, werf ich morgen in der Bibliothek mal nen Blick in die ICSD - da findet sich bestimmt was ^^

Edit, weil Headbangers Antwort kam, während ich den Post hier geschrieben hab:
Mein Post bezog sich streng genommen auch gar nicht auf dein Problem, sondern vielmehr darauf, dass hier festgestellt wurde, dass die Atomradien von Al und Si sich dramatisch (dafür, dass sie nebeneinander stehen und es sich bei beiden um p-Blockelemente handelt) unterscheiden. Das konnte ich einfach nicht glauben - also hab ich mich auf die Suche nach ner Erklärung dafür gemacht. Wenn du das nicht verstehst hat das erstmal nichts damit zu tun, dass die Frage unangebracht schwer ist Ob sie das trotzdem ist wage ich nicht zu beurteilen, weil ich Vorlesung und empfohlene Literatur nicht kenne

Edit2 aus der Bibliothek:
War klar - die Lizenz für die Strukturdatenbank na den Bibliotheksrechnern ist mal wieder abgelaufen und ne Literaturrecherche findet erstmal auch nix. Wikipedia hilft einem aber nach etwas suchen (so fern man sich auf die Wiki verlassen mag):
http://de.wikipedia.org/wiki/Druckguss#Silicium
Bis 0.xx% (bei 300°C 0.22%) Si-Gehalt bildet sich ein Mischkristall aus Aluminium und Silizium, d.h. Si sitzt im Aluminiumgitter auf Aluminiumplätzen (Substitution). Bei höheren Si-Gehalten sind die Metalle in der Schmelze scheinbar vollständig mischbar, im Feststoff jedoch nicht.