Kapitel 17 : Härte und Kristallstruktur
17.1. Warum ist ein Stoff hart ?
Ein Stoff ist hart, weil die kleinsten Teilchen in seinem Kristall durch möglichst energiereiche, kovalente, in alle Richtungen des Raumes wirkende Bindungen zusammengehalten werden.
17.1.1. Die Bindungen müssen energiereich sein
Bild 1 : Starke und schwache Bindungen. Große Entfernung zwischen den Atomen (und dadurch auch zwischen den Atomrümpfen und den Bindungselektronen) bewirkt eine schwache Bindung, geringe Entfernung entsprechend eine starke Bindung.
Je energiereicher (d.h. stärker) eine Bindung ist, umso mehr Energie muss zu ihrer Spaltung aufgebracht werden. Dies kann mechanische Energie sein. Braucht man viel mechanische Energie, um die Bindungen zwischen den kleinsten Teilchen im Kristall zu spalten, nennt man den Stoff hart.
Wann ist eine Bindung energiereich ? Bild 1 zeigt die Situation. Zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen (Atome, die ein oder wenige Elektronen abgegeben haben) und den negativ geladenen Bindungselektronen wirken elektrostatische Anziehungskräfte. Diese Kräfte sind umgekehrt proportional zur Entfernung.
Im oberen Teil von Bild 1 ist eine sehr lange Bindung zu sehen. Die Entfernung zwischen den Bindungselektronen (die sich im zeitlichen Mittel ja genau zwischen den beiden Atomen befinden) und den Atomen ist groß, die Anziehungskräfte also klein, und die Bindung ist schwach. Gerade umgekehrt ist es im unteren Teil. Bei dieser kurzen Bindung ist die Entfernung zwischen den Atomrümpfen und den Bindungselektronen gering, die Anziehungskräfte sind groß, und die Bindung ist stark.
17.1.2. Die Bindungen müssen kovalent sein
Situation in Ionenkristallen. – Wirken auf einen Ionenkristall Scherkräfte, so geraten Ionen gleicher Ladung in unmittelbare Nachbarschaft. Diese Ionen stoßen sich ab, und der Kristall zerbricht (Bild 2). Stoffe mit Ionenbindung sind nicht allzu hart. Ein Beispiel ist Natriumchlorid.
Bild 2 : Einfluss von Ionenbindungen auf die Härte. – Links : Auf den Kristall wirken starke Scherkräfte (Kräfte, die aus verschiedenen Richtungen angreifen). – Mitte : Dadurch werden Bindungen gespalten, und es verschieben sich Teile des Kristalls um eine sehr kleine Strecke gegeneinander. – Rechts : Durch die Verschiebung geraten Ionen gleicher Ladung in unmittelbare Nachbarschaft. Durch die Abstoßungskräfte zerbricht der Kristall.
Situation in Kristallen mit kovalenter Bindung. – Werden in einem Kristall Atome durch unpolare Bindungen zusammen gehalten, so bewirken Scherkräfte zwar die Spaltung dieser Bindungen, es werden aber sofort wieder neue Bindungen zwischen anderen Atomen geknüpft (Bild 3). Der Kristall zerbricht nicht. Stoffe, in denen alle Atome eines Kristalls durch kovalente Bindungen (Atombindungen) zusammen gehalten werden, sind hart.
Bild 3 : Einfluss von kovalenten Bindungen auf die Härte. Alle Atome im Bild sind gleich. Sie sind nur unterschiedlich gefärbt (orange und braun), um die sich ändernde Nachbarschaft zu illustrieren. – Links : Auf den Kristall wirken starke Scherkräfte (Kräfte, die aus verschiedenen Richtungen angreifen). – Mitte : Dadurch werden Bindungen gespalten, und es verschieben sich Teile des Kristalls um eine sehr kleine Strecke gegeneinander. – Rechts : Durch die Verschiebung geraten zwar andere Atome in unmittelbare Nachbarschaft. Da diese aber alle ungeladen sind, bilden sich sofort neue Bindungen aus. Der Kristall bleibt bestehen.
17.1.3. Die Bindungen müssen in alle Richtungen zeigen
Nur wenn von den Atomen oder Ionen im Kristall in alle Richtungen starke Bindungen ausgehen, ist der Zusammenhalt im Kristall vorhanden, und der Stoff ist hart.
Bild 4 : Der Kristall ist schichtenartig aufgebaut. Wirken Scherkräfte senkrecht zu den Schichten, wird der Kristall nur zusammengedrückt. Es werden keine Bindungen gespalten, und er bleibt unverändert.
Oft sind nur in 2 Raumrichtungen starke Bindungen vorhanden, in die dritte Richtung dagegen nur schwache Bindungen. Dadurch bilden sich Schichten von Atomen oder Ionen, die zwar in sich gut zusammen halten, aber leicht gegenüber benachbarten Schichten verschoben werden können. Solche Stoffe sind sehr weich und können zum Beispiel als Schmiermittel benutzt werden. Ein Beispiel ist Graphit.
Bild 5 : Wirken die Scherkräfte parallel zu den Schichten, werden die schwachen Bindungen zwischen den Schichten leicht gespalten, und die Schichten verschieben sich gegeneinander.
Die schwachen Bindungen zwischen den Schichten können schon durch geringe Scherkräfte gespalten werden. Die Schichten verschieben sich sehr leicht gegeneinander.
Die Bilder 4 und 5 zeigen die Auswirkungen von Kräften, die senkrecht zu den Schichten wirken, und von Kräften, die parallel zu den Schichten wirken.
17.1.4. Härte von Ionenkristallen
Sind nur Ionenbindungen vorhanden, richtet sich die Härte des Stoffes nach der Kraft, mit der sich die Ionen gegenseitig anziehen. Diese Kraft ist proportional der Ladung der Ionen und umgekehrt proportional dem Quadrat ihres Abstands. Ionenkristalle, die aus kleinen, mehrfach geladenen Ionen aufgebaut sind, sind also relativ hart.
17.2. Wie man die Härte misst – die Mohssche Skala
Ein Stoff ist härter als ein anderer, wenn er diesen ritzt. Der Mineraloge Friedrich Mohs (1773 – 1839) hat eine Skala aufgestellt, in der Mineralien nach steigender Härte geordnet sind.
- Härte 1 : Talk (ein sehr weiches Mineral)
- Härte 2 : Gips (man kann ihn gerade noch mit dem Fingernagel ritzen)
- Härte 3 : Kalkspat
- Härte 4 : Flussspat
- Härte 5 : Apatit (man kann ihn gerade noch mit dem Messer ritzen)
- Härte 6 : Kalifeldspat
- Härte 7 : Quarz
- Härte 8 : Topas
- Härte 9 : Korund
- Härte 10 : Diamant (der härteste bekannte Stoff)
Um die Härte eines Stoffes zu bestimmen, versucht man ihn der Reihe nach mit den 10 Mineralien der Mohsschen Skala zu ritzen und ordnet ihn dann entsprechend ein.
-
mehr über die Mohssche Härte -
eine historische Abhandlung über Härtemessung von 1906 – die Grundlagen gelten noch immer
Im technischen Bereich benutzt man andere Verfahren zur Härteprüfung. Brinell–, Rockwell– und Vickers–Verfahren gehören dazu.
-
mehr über Verfahren zur Härteprüfung im technischen Bereich von einem Unternehmen der Mess– und
Prüftechnik (05/2022)
Infobereich
Alle Bilder dieser Seite : Lizenz CC–BY–SA–4.0. Bildnachweis und Lizenzinfo.
Text : Lizenz CC–BY–SA–4.0. Lizenzinfo.
Impressum Datenschutzerklärung