E1 Kristallstruktur und ionisch-kovalente Bindung

Thema

Die gemischte Natur der chemischen Bindungen in Keramik – sowohl ionisch als auch kovalent – ​​bildet den Ausgangspunkt dieses Modells und führt letztendlich zu der charakteristischen Sprödigkeit der Keramik: einer Sprödigkeit, die aus der Kombination zweier unterschiedlicher Aspekte der Kristallstruktur resultiert. Der eine Aspekt ergibt sich aus der chemischen Bindung selbst, der andere aus der Geometrie der Ionenanordnung. Da diese Sprödigkeit auf der Kombination zweier unterschiedlicher Aspekte beruht, lässt sie sich nicht allein durch die Betrachtung eines dieser Aspekte erklären. Wir werden zunächst den Aspekt der Bindung erläutern.

Diese ionisch-kovalente Bindung weist einen gewissen ionischen Charakter auf, der mithilfe der Pauling-Regel gemessen wird. Ein größerer Unterschied in der Elektronegativität zwischen den Atomen in der Bindung führt zu einem stärkeren ionischen Charakter; ein kleinerer Unterschied zu einer stärker kovalenten Bindung.

Eine stärkere ionische Bindung führt zu einer höheren Kristallgitterenergie: Je ionischer die Bindung zwischen den Ionen ist, die die Struktur bilden, desto stärker ist die elektrostatische Anziehung zwischen ihnen und desto mehr Gitterenergie akkumuliert der Kristall.

Ein weiterer Faktor, der zur Sprödigkeit von Keramiken beiträgt, liegt in der Geometrie der Ionenanordnung: Das Verhältnis von Kationen- zu Anionenradius bestimmt die Koordinationszahl, also wie viele benachbarte Ionen mit entgegengesetzter Ladung jedes Kation im Kristallgitter umgeben. Ein größeres Kationen-Anionen-Radiusverhältnis – also ein im Verhältnis zum Anion größeres Kation – ermöglicht es, dass mehr Anionen jedes Kation umgeben, und erhöht somit die Koordinationszahl; ein kleineres Verhältnis ermöglicht es, dass weniger Anionen Platz finden, und verringert die Koordinationszahl. Da die Gitterenergie, die sich aus dem ionischen Charakter der Bindung ergibt, und die Koordinationszahl, die sich aus dem Kationen-Anionen-Radiusverhältnis ergibt, zusammenwirken – und nicht getrennt –, bestimmen sie gemeinsam die charakteristische Sprödigkeit von Keramiken, die dieses Modell vorhergesagt hat: Keiner der beiden Faktoren allein reicht aus, um diese Sprödigkeit zu erklären.

Die für Keramik charakteristische Sprödigkeit, die auf der gemischten Natur der chemischen Bindung beruht, welche diesem Modell zugrunde liegt, dient somit als konzeptionelle Grundlage für ein weiteres Modell innerhalb dieser Gruppe. Dieses Modell beschreibt die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Keramik auf Basis eben dieser Sprödigkeit. Die hier festgelegte Sprödigkeit ermöglicht es dem anderen Modell, sie als Ausgangspunkt zu nutzen, ohne sie neu definieren zu müssen.

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