Werkstoffe im Bauwesen - Fundamentals - Introduction To Matter And Materials - PDF

207.015 WERKSTOFFE IM BAUWESEN FUNDAMENTALS Introduction To Matter And Materials Prof. Agathe Robisson 4. Oct 2024 I will switch to English for the technical lecture. I know this may...

207.015 WERKSTOFFE IM BAUWESEN FUNDAMENTALS Introduction To Matter And Materials Prof. Agathe Robisson 4. Oct 2024 I will switch to English for the technical lecture. I know this may not be easy for some of you, and this is why I post the slides on TUWEL, with German translation in the comment section. 2 Copyright These slides are the property of Prof. Robisson and Vienna University of technology Please do not share and do not post on the web. Diese Folien sind Eigentum von Prof. Robisson und der Technischen Universität Wien Bitte nicht weitergeben und nicht ins Internet stellen. Deutsch wurde mit DeepL übersetzt. Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen 3  Notes US System: Numbers 100,000.00 References in bottom strip 12 copies available at the library Reference 1 Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen Reference 2 Das Buch von Callister und Rethwisch ist in deutscher Sprache in der Bibliothek erhältlich (sie haben viele Exemplare). ENG The Callister and Rethwisch book is available in German at the library (they have many copies). 4 Goal of this introductory class Link macroscopic properties (mechanical properties, optical properties, thermal properties, etc ) to the microstructure of materials. Understand the basics of thermodynamics and physics (quantum mechanics, energy, transport , etc). Understand what is matter, what are the states of matter (fluids, solids, gas) what differentiate a crystalline solid from an amorphous one. What differentiates a metal from a ceramic from a polymer. Specify some of the properties of materials that define how they respond to a load (mechanical behavior), what happens when we heat them (thermal properties), why do most materials have a color, etc. Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Verknüpfung makroskopischer Eigenschaften (mechanische Eigenschaften, optische Eigenschaften, thermische Eigenschaften usw.) mit der Mikrostruktur von Werkstoffen. Die Grundlagen der Thermodynamik und Physik (Quantenmechanik, Energie, Transport, usw.) verstehen. Verstehen, was Materie ist, welche Zustände der Materie (Flüssigkeiten, Festkörper, Gas) einen kristallinen von einem amorphen Feststoff unterscheiden. Was ein Metall von einer Keramik und von einem Polymer unterscheidet. Einige der Eigenschaften von Materialien spezifizieren, die definieren, wie das jeweilige Material auf eine Belastung reagiert (mechanisches Verhalten), was passiert, wenn wir es erhitzen (thermische Eigenschaften), warum haben die meisten Materialien eine Farbe, usw. 5 Goal of this introductory class 1.1. Categories of materials and importance of their properties 1.2 Atoms, molecules and organization of matter 1.3 The structure of crystalline solids 1.4 Imperfections in solids 1.5 Phase diagrams 1.6 The Structure of polymers 1.7 Mechanical properties 1.8 Transport properties: Diffusion - Permeability 1.9 Thermal properties 1.10 Optical properties 1.11 Acoustic properties Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen 1.1. Kategorien von Materialien und Bedeutung ihrer Eigenschaften 1.2 Atome, Moleküle und Organisation der Materie 1.3 Die Struktur von kristallinen Festkörpern 1.4 Unvollkommenheiten in Festkörpern 1.5 Phasendiagramme 1.6 Die Struktur der Polymere 1.7 Mechanische Eigenschaften 1.8 Transporteigenschaften: Diffusion - Permeabilität 1.9 Thermische Eigenschaften 1.10 Optische Eigenschaften 1.11 Akustische Eigenschaften 6 1.1. Categories of materials and importance of their properties Hammerstone (China) -1.66 million Handaxe (France) -250,000 Bones and ivory needles - 30,000 Stone age Neolithic “revolution” Bronze age (-3000) Iron(Eisen)age (-500) Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Während der Steinzeit lernte der Mensch Stein zu formen, um Werkzeuge für die Jagd, für die Nahrungszubereitung, zur Selbstverteidigung, zur Schaffung von Wohnstrukturen und Denkmälern die als astronomische Kalender und spirituelle Zentren dienten, herzustellen. Auch Geweihe (organische Materialien) und Knochen wurden verwendet. Um ca 3000 v. Chr. hat der Mensch gelernt, wie man Bronze, eine Legierung aus Kupfer und Zinn, herstellt. Es war das härteste Metall (Gold war bekannt, aber sehr duktil und deshalb noch nicht als kostbar angesehen, weil mechanisch nicht sehr nützlich). Die Herstellung von Bronze ist einer der ersten erkennbaren industriellen Prozesse, da er systematische Verfahren erforderte: die getrennte Gewinnung und Verhüttung (Form der Extraktionsmetallurgie) von Zinn, das dann dem geschmolzenen Kupfer hinzugefügt wird. Da Kupfer- und Zinnerze selten zusammen gefunden werden (mit Ausnahme von Cornwall), entwickelten sich frühe Handelsinfrastrukturen für Rohstoffe, wobei das Zinn aus Cornwall (südwestlich von Großbritannien) bis nach Phönizien im östlichen Mittelmeerraum exportiert wurde. Die Eisenzeit beginnt um ca 500 v. Chr. (Regionsabhängig). Eisen war schon früher bekannt, aber minderwertiger als Bronze... Die Knappheit von Zinn veranlasste die 7 Metallarbeiter, Eisen zu entwickeln und zu verbessern. Eisen war nicht nur für die Herstellung von Waffen, sondern auch für die Herstellung von Werkzeugen für Landwirtschaft und Holzbearbeitung usw. von entscheidender Bedeutung. WEITERE ANMERKUNGEN Im Neolithikum begann die landwirtschaftliche Revolution, die zwischen 10 000 und 5000 v. Chr. stattfand. (wiki) Genetische Messungen deuten darauf hin, dass sich die Affenlinie, die zum Homo sapiens führte, vor etwa 4,6 bis 6,2 Millionen Jahren von der Linie trennte, die zu Schimpansen und Bonobos, den nächsten lebenden Verwandten des modernen Menschen, führte. Der anatomisch moderne Mensch entstand vor etwa 300.000 Jahren in Afrika und erreichte vor etwa 50.000 Jahren das moderne Verhalten (wiki). ENG During stone age, we learnt to shape stone to make tools for hunting, for food preparation, to defend ourselves, to create structures for living in and monuments that acted as astronomical calendars and spiritual centers. We also use antlers (organic materials) and bones. Around -3000, humans learnt how to make bronze, an alloy of copper and tin. It was the hardest metal (gold was known but very ductile and therefore not yet seen as precious, because mechanically not very useful). The manufacture of bronze is one of the first recognizable industrial processes, as it required systematic procedures: the separate mining and smelting (form of extractive metallurgy) of tin, which is then added to molten copper. As copper and tin ores are rarely found together (the exception being in Cornwall), early trade infrastructures in raw materials developed, with Cornish tin (southwest of UK) being exported as far as Phoenicia in the eastern Mediterranean. The iron age begins around -500, depending on the region. Iron was known before but inferior to bronze. The scarcity of tin make metalworkers develop iron and improve it. Iron was not only key to make weapons, but also to make tools for agriculture and wood working etc. SOURCES https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/09/the-seven-ages-of-materials/ https://humanorigins.si.edu/evidence/behavior/stone-tools/early-stone-age-tools/hammerstone- majuangou-china https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/09/the-seven-ages-of-materials/ FURTHER NOTES The Neolithic saw the Agricultural Revolution begin, between 10,000 and 5000 BCE. (wiki) Genetic measurements indicate that the ape lineage which would lead to Homo sapiens diverged from the lineage that would lead to chimpanzees and bonobos, the closest living relatives of modern humans, around 4.6 to 6.2 million years ago. Anatomically modern humans arose in Africa about 300,000 years ago, and reached behavioral modernity about 50,000 years ago. (wiki) 7 1.1. Categories of materials and importance of their properties Cleopatra Angela Merkel Stone age: Bronze age Steel Iron age Aluminum Polymers Glass Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] GER Wir setzen die Geschichte der Materialien fort. Glas (geschmolzener Quarz, Molekül Siliziumdioxid), ist ein weiteres wichtiges Material in der Geschichte der Menschheit. Seine industrielle Herstellung begann im 13. Jahrhundert. Seine Eigenschaft, transparent zu sein, war entscheidend. Denken Sie heute daran, dass Glasfasern aus Glas hergestellt werden. Glas kann unendlich oft wiederverwertet werden. Dann Stahl, im 18. Jahrhundert. Es ist eine Legierung, die fast ausschließlich aus Eisen besteht (bis zu 99 Prozent), während seine sekundäre Komponente Kohlenstoff bis zu 2 Gewichtsprozent ausmacht. Kohlenstoff wird hinzugefügt, um die Zugfestigkeit des Eisens zu erhöhen, trägt aber auch zu anderen Eigenschaften wie Härte bei, was es zu einem Metall macht, das so vielseitig ist, dass es eines der wichtigsten Materialien der modernen Welt ist. China ist derzeit der führende Produzent und erzeugt mehr als die Hälfte der weltweiten Produktion. Aluminium, später im 18. Jahrhundert ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste. Das Problem war schon immer, dass es in der Natur nur selten in rein metallischer Form vorkommt und chemisch in 270 verschiedenen Mineralien eingeschlossen ist. Polymere (Kunststoffe). Synthetische Polymere werden aus petrochemischen Derivaten hergestellt. Der erste synthetischer Kunststoff wurdeder Anfang des 20. 8 Jahrhunderts erfunden und ursprünglich als Ersatz für Elfenbein (leichtes, nicht reaktives Material) verwendet. Nylon, 1935 von Wissenschaftlern in Dupont entdeckt, ersetzte Seide für Vorräte und Tierhaare in Zahnbürsten. Während des Zweiten Weltkriegs wurde die gesamte Nylonproduktion in die Fallschirmproduktion umgeleitet. Verbundwerkstoffe (der letzten 50 Jahre): Strohschlammziegel, Papier (Fasern aus Zellulose), kohlefaserverstärkte Kunststoffe für Flugzeuge. Beachten Sie, dass auch Beton ein Verbundwerkstoff ist: Wenn Sie dem Zement Zuschlagstoffe hinzufügen, verringern Sie nicht nur die Kosten, sondern können auch die Festigkeit, den E-Modul und verschiedene andere Eigenschaften verbessern. Die große Entwicklung der Verbundwerkstoffe kam mit Fasern, Polymerfasern (Kevlar), Metallfasern, Keramikfasern (Kohlenstofffasern), kurz, lang (wie bei Geweben). Die Fasern verbessern die sonst eher schwachen Matrizen und führen teils zu wirklich erstaunlichen Eigenschaften. Kohlefaserverstärktes Epoxid wird z.B. in Flugzeugen verwendet, wo das geringe Gewicht entscheidend ist. ENG We continue the history of materials. Glass (fused quartz, molecule silicon dioxide), is another important material in human history. Its industrial production started in the 13th century. Its property of being transparent was key. Today, keep in mind that fiber optics are made of glass. Glass can be endlessly recycled. Then steel, in 18th century. An alloy, it is made up almost exclusively of iron (as much as 99 per cent), while its secondary component carbon contributes up to 2 per cent by weight. Carbon is added to increase iron’s tensile strength, but it also contributes to other properties such as hardness, resulting in a metal so versatile that it is one of the great building blocks of the modern world. China is currently the top producer, producing more than half the world wide production. Aluminum, later in 18th century is the most abundant metal in the earth’s crust. The problem has always been that it only rarely occurs naturally in pure metallic form, and is locked away chemically in 270 different minerals. Polymers (Plastics). Synthetic polymers are made of petrochemical derivatives. First synthetic plastic invented in early 20th century. Originally used as a replacement for ivory (light non reactive material). Nylon, discovered by scientist at Dupont in 1935, replaced silk for stocks, and animal hair in toothbrushes. During WWII, all nylon production got diverted into parachute production. Composites (the past 50 years): straw-mud bricks, paper (fibers of cellulose), carbon fiber reinforced plastics for aircrafts. Note that concrete is also a composite: when you add aggregates to cement, not only you decrease the cost but can improve strength, modulus and various other properties. The large development of composites came with fibers, polymer fibers (Kevlar), metallic fibers, ceramic fibers (carbon fibers), short, long (as in fabrics). Fibers brought really amazing properties to weak matrices. Carbon fiber reinforced epoxy is for example used aircrafts, where weight is critical. 8 EXTRA NOTES Examples: Titanium has low density (4.5 g/cc = 4500 kg/m3) compared to steel 7.8-8 g/cc, 116 Gpa and can stretch almost half its length before fracturing. That makes titanium difficult to machine, as it pulls and deforms instead of chips off. Applications: aerospace part (density), Implants (biocompatible), corrosion R in acidic environments https://www.thomasnet.com/articles/metals-metal-products/steel-vs-titanium-strength-properties-and-uses/ Zirconia is often more useful in its phase 'stabilized' state. Upon heating, zirconia undergoes disruptive phase changes. By adding small percentages of yttria, these phase changes are eliminated, and the resulting material has superior thermal, mechanical, and electrical properties. In some cases, the tetragonal phase can be metastable. If sufficient quantities of the metastable tetragonal phase is present, then an applied stress, magnified by the stress concentration at a crack tip, can cause the tetragonal phase to convert to monoclinic, with the associated volume expansion. This phase transformation can then put the crack into compression, retarding its growth, and enhancing the fracture toughness. This mechanism is known as transformation toughening, and significantly extends the reliability and lifetime of products made with stabilized zirconia. (Wikipedia) Composites: carbon fiber reinforced plastics for aircrafts. 8 Quiz What properties were interesting in stones? Welche Eigenschaften waren bei Steinen interessant? What properties were interesting in bronze? Welche Eigenschaften waren bei Bronze interessant? What property is interesting in glass? Welche Eigenschaften ist bei Glas interessant? Why is it interesting to replace metal by polymer composites in aircrafts? Warum ist es interessant, Metall in Flugzeugen durch Polymerverbundwerkstoffe zu ersetzen? What country produces today more than 50% the worldwide production of steel? Welches Land produziert heute mehr als 50 % der weltweiten Stahlproduktion? Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen 9 The importance of mechanical properties Elastizitätsmodul (Elastizität) Young’s modulus (elasticity) Elastizitätsgrenze und Streckgrenze Elasticity limit and yield strength Zähigkeit Toughness Dichte Density Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] GER (DeepL) Die Bedeutung der mechanischen Eigenschaften wird hier anhand der Flügel eines Flugzeugs veranschaulicht. Man kann sie mit einem Lineal erfahren. Es lässt sich leicht elastisch verbiegen. “Elastisch“ bedeutet, dass es zurückfedert, wenn die Kraft, die ich mit meinen Händen aufbringe, nachlässt. Die elastische Steifigkeit (in diesem Fall der Widerstand gegen das Biegen) wird zum einen durch die Form bestimmt - dünne Streifen lassen sich leicht biegen - und zum anderen durch eine Eigenschaft des Materials selbst: den Elastizitätsmodul E. Materialien mit hohem Elastizitätsmodul, wie Stahl, sind von Natur aus steif; Materialien mit niedrigem E, wie Gummi, sind es nicht. Für den Bau der Flügel sollten Sie keinen Gummi verwenden, da dieser einen niedrigen Elastizitätsmodul hat. Die zweite Eigenschaft, über die wir hier sprechen, ist die Elastizitätsgrenze. Es gibt eine Elastizitätsgrenze, a Spannung, die sogenannte Streckgrenze, σy, über die hinaus sich das Material dauerhaft verformt (rote Farbe in der dritten Ebene von oben). Wir werden den mikrostrukturellen Ursprung dieses Fließphänomens während des Kurses erörtern. Wenn sich die Tragflächen Ihres Flugzeugs bei jedem Flug permanent hin- und herbiegen, sammeln sich Schäden im Material an, und nach einer Reihe von Zyklen kommt es zum Versagen. 11 Als nächstes führen wir das Konzept der Bruchzähigkeit ein. Denken wir wieder an unser Lineal. Wäre das Lineal nicht aus Stahl, sondern aus Glas oder aus PMMA (Plexiglas), wie es transparente Lineale sind, könnte man es überhaupt nicht dauerhaft biegen. Bei stärkerem Biegen wird das Lineal ohne Vorwarnung plötzlich brechen, bevor es eine dauerhafte Biegung erhält. Es gibt keine bleibende Verformung vor dem Versagen. Man kann die beiden Teile leicht zusammensetzen. So verhält sich zum Beispiel Glas. Sie können nach de Bruch Ihre Glasstücke auf eine Art und Weise wieder zusammenkleben, die bei Metall nicht möglich ist, wenn es sich dauerhaft verformt hat. Wir betrachten Materialien, die auf diese Weise brechen, als spröde, eine Eigenschaft, die wir als das Gegenteil von zäh betrachten können (der Metallfrontteil eines Autos sollte zäh sein, d.h. viel Energie durch Verformung absorbieren, bevor es bricht, so dass das Auto die beste Crashfestigkeit hat und wir im Inneren sicher sind). Die Eigenschaft, die den Widerstand von Materialien gegen Risse und Bruch misst, ist die Bruchzähigkeit, K1c. Die meisten Stähle sind zäh (Stähle können spröde gemacht werden), d.h. sie haben einen hohen K1c-Wert. Glas ist der Inbegriff für Sprödigkeit; es hat einen sehr niedrigen K1c-Wert. Die vierte Ebene von oben deutet auf Folgen einer unzureichenden Bruchzähigkeit hin. Die Dichte, oder Masse pro Volumeneinheit, Symbol ρ, ist in einem Lineal irrelevant. Im Gegenteil jedoch: für fast alles, was sich bewegt, bringt das Gewicht einen erhöhten Treibstoffverbrauch mit sich, noch gering bei Autos, grösser bei Lastwagen und Züge, noch grösser für Flugzeuge und enorm in Raumfahrzeugen. Gewichtsminimierung hat mit cleverem Design zu tun, aber ebenso mit der Wahl des Materials. Aluminium hat eine geringe Dichte, Blei eine hohe. Verbundwerkstoffe sind unter diesem Gesichtspunkt sehr interessant. Wäre unser kleines Flugzeug aus Blei, würde es gar nicht erst vom Boden abheben (unterste Ebene). Die oben genannten Eigenschaften sind nicht die einzigen mechanischen Eigenschaften, aber sie gehören zu den wichtigsten. ENG The importance of mechanical properties are illustrated here, with the wings of an aircraft. You can experience them with a ruler. It can easily be elastically bent. ‘Elastically’ means that it springs back when the load I apply with my hands is released. Its elastic stiffness (here, resistance to bending) is set partly by its shape - thin strips are easy to bend - and partly by a property of the material itself: its elastic modulus, E. Materials with high elastic moduli, like steel, are intrinsically stiff; those with low E, like rubber, are not. To build the wings, you may not want to use rubber, because of its low elastic modulus. The second property we talk about here is the elastic limit. There is an elastic limit, a stress called the yield stress, σy, beyond which the material permanently deforms (red color in third plane from top). We will discus the microstructural origin of this yielding phenomenon during the class. If the wings of your 11 plane bend permanently back and forth during each flight, damage will accumulate in the material, and then, after a number of cycles, failure will result. Next, we introduce the concept of fracture toughness. Let’s go back to our ruler. If the ruler were made not of steel, but of glass or of PMMA (Plexiglas), as transparent rulers are, it would not possible to bend it permanently at all. Upon more bending, the ruler will fracture suddenly, without warning, before it acquires a permanent bend. There is no permanent deformation before failure. You can put the two pieces together easily. It happens with glass of course. You can glue back you glass pieces in a way you cannot do with metal when it has deformed permanently. We think of materials that break in this way as brittle, property that we can consider the opposite of tough (the metal front part of a car should be tough, i.e. absorb a lot of energy by deformation before breaking, so that the car has best crash resistance, and we are safe inside). The property that measures the resistance of materials to cracking and fracture is fracture toughness, K1c. Most steels are tough (steels can be made brittle), i.e. they have a high K1c. Glass epitomizes brittleness; it has a very low K1c. The fourth plane from top suggests consequences of inadequate fracture toughness. Finally, density, or mass per unit volume, symbol ρ, is, in a ruler, irrelevant. On the contrary, for almost anything that moves, weight carries a fuel penalty, modest for automobiles, greater for trucks and trains, greater still for aircraft and enormous in space vehicles. Minimizing weight has to do with clever design but equally to the choice of material. Aluminum has a low density, lead a high one. Composites are very interesting from that viewpoint. If our little aircraft were made of lead, it would never get off the ground at all (lowest plane). The above properties are not the only mechanical properties, but they are among the most important ones. 11 The importance of thermal properties TMax (Stahl) ≈ 800 °C TMax (steel) ≈ 800 °C TMax (Kunstoffe) < 150 °C TMax (polymer) < 150 °C Wärmeausdehnungkoefficient Coefficient of thermal expansion Wärmeleitung Thermal conductivity Temperaturleitvermögen / Thermal diffusivity / heat capacity Wärmekapazität Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] GER Die Bedeutung der thermischen Eigenschaften wird hier veranschaulicht. Die Eigenschaften eines Materials ändern sich mit der Temperatur, in der Regel zum Schlechteren. Seine Festigkeit nimmt ab, es beginnt zu "kriechen" (mit der Zeit langsam abzusacken), es kann oxidieren, sich zersetzen oder zersetzen. Dies bedeutet, dass es eine Grenztemperatur gibt, die als maximale Gebrauchstemperatur, Tmax, bezeichnet wird und oberhalb derer seine Verwendung unpraktisch ist. Rostfreier Stahl hat einen hohen Tmax - er kann bis zu 800°C verwendet werden -; die meisten Polymere haben einen niedrigen Tmax und werden selten über 150°C verwendet. Die meisten Materialien dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden, jedoch in unterschiedlichem Maße, je nach ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten, α. Die Ausdehnung ist gering, aber ihre Folgen können groß sein. Wenn z.B. ein Stab, wie im zweiten Beispiel von oben eingezwängt und dann erhitzt wird, drückt die Ausdehnung den Stab gegen die Zwängung, wodurch er sich verbiegt. Eisenbahnschienen knicken auf diese Weise ein, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um dies zu verhindern. Einige Materialien - zum Beispiel Metalle - fühlen sich kalt an, andere - wie Holz - fühlen sich warm an. Dieses Gefühl hat mit zwei thermischen Eigenschaften des Materials zu tun: Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Die erste, die Wärmeleitfähigkeit, λ, misst die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch das Material fließt, wenn eine Seite 12 warm und die andere kalt ist. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit brauchen wir, wenn wir Wärme von einem Ort zum anderen leiten wollen, wie zum Beispiel in Kochtöpfen, Heizkörpern und Wärmetauschern. Die dritte Zeichnung von oben zeigt die Folgen einer hohen und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit für das Kochgefäß. Auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit ist nützlich. Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit isolieren Wohnungen, reduzieren den Energieverbrauch von Kühl- und Gefrierschränken und ermöglichen Raumfahrzeugen den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Diese Anwendungen haben mit einem lang anhaltenden, gleichmäßigen Wärmefluss zu tun. Wenn die Zeit begrenzt ist, kommt es auf diese andere Eigenschaft - Wärmekapazität, Cp - an. Sie misst die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Materials um einen bestimmten Betrag ansteigen zu lassen. Materialien mit hoher Wärmekapazität benötigen viel Wärme, um ihre Temperatur zu verändern; Materialien mit niedriger Wärmekapazität, wie Polymerschäume, benötigen viel weniger. Ein stetiger Wärmefluss hat, wie bereits besprochen, mit der Wärmeleitfähigkeit zu tun. Es gibt eine subtilere Eigenschaft, die beschreibt, was passiert, wenn zum ersten Mal Wärme zugeführt wird. Stellen Sie sich vor, Sie zünden das Gas unter einer kalten Materialplatte mit einer Schüssel Eis oben drauf (hier: Limetteneis) an, wie in der unteren Zeichnung. Einen Augenblick nach der Zündung ist die untere Oberfläche heiß, aber der Rest ist kalt. Nach einer Weile wird die Mitte heiß. Noch später beginnt sich die Oberseite zu erwärmen und das Eis beginnt zuerst zu schmelzen. Wie lange dauert es, bis ein Eisstück auf einem erhitzten Materialstück schmilzt? Bei einer gegebenen Dicke der Platte ist die Zeit umgekehrt proportional zum Temperaturleitvermögen a des Materials der Platte. Sie unterscheidet sich von der Leitfähigkeit, weil Materialien sich in ihrer Wärmekapazität unterscheiden - tatsächlich ist sie proportional zu λ/Cp. ENG The importance of thermal properties is illustrated here. The properties of a material change with temperature, usually for the worse. Its strength falls, it starts to ‘creep’ (to sag slowly over time), it may oxidize, degrade or decompose. This means that there is a limiting temperature called the maximum service temperature, Tmax, above which its use is impractical. Stainless steel has a high Tmax - it can be used up to 800°C -; most polymers have a low Tmax and are seldom used above 150°C. Most materials expand when they are heated, but by differing amounts depending on their thermal expansion coefficient, α. The expansion is small, but its consequences can be large. If, for instance, a rod is constrained, as in the second example from top, and then heated, expansion forces the rod against the constraints, causing it to buckle. Railroad track buckles in this way if provision is not made to cope with it. Some materials - metals, for instance - feel cold; others - like woods - feel warm. This feel has to do with two thermal properties of the material: thermal conductivity and 12 heat capacity. The first, thermal conductivity, λ, measures the rate at which heat flows through the material when one side is hot and the other cold. Materials with high thermal conductivity are what you want if you wish to conduct heat from one place to another, as in cooking pans, radiators and heat exchangers. Third drawing from top suggests consequences of high and low thermal conductivity for the cooking vessel. Low thermal conductivity is useful too. Low thermal conductivity materials insulate homes, reduce the energy consumption of refrigerator and freezers, and enable space vehicles to re-enter the earth’s atmosphere. These applications have to do with long-time, steady, heat flow. When time is limited, that other property - heat capacity, Cp - matters. It measures the amount of heat that it takes to make the temperature of material rise by a given amount. High heat capacity materials require a lot of heat to change their temperature; low heat capacity materials, like polymer foams, take much less. Steady heat flow has, as we said, to do with thermal conductivity. There is a subtler property that describes what happens when heat is first applied. Think of lighting the gas under a cold slab of material with a bowl of ice-cream on top (here, lime ice-cream) as in the bottom drawing. An instant after ignition, the bottom surface is hot but the rest is cold. After a while, the middle gets hot. Then later still, the top begins to warm up and the ice-cream first starts to melt. How long does this take for a piece of ice to melt on a heated piece of materials? For a given thickness of slab, the time is inversely proportional to the thermal diffusivity, a, of the material of the slab. It differs from the conductivity because materials differ in their heat capacity - in fact, it is proportional to λ/Cp. 12 The importance of electrical, magnetic and optical properties Elektrischer Widerstand Electrical resistivity Dielektrisches Verhalten Dielectric response Magnetic behavior Magnetisches Verhalten Interaktion mit Licht Interaction with light Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] GER Die Bedeutung der elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften wird hier veranschaulicht. Wenn Sie Strom vom Kraftwerk in Ihr Haus bringen wollen, sollten Sie Leitungen mit niedrigem Widerstand verwenden. Wir beginnen mit der elektrischen Leitung und Isolierung (oben schematisch). Ohne elektrische Leitung würde uns der einfache Zugang zu Licht, Wärme, Strom, Steuerung und Kommunikation fehlen, den wir heute als selbstverständlich ansehen. Metalle leiten gut; Kupfer (das in Hochspannungskabeln verwendet wird) und Aluminium sind die besten unter denen, die erschwinglich sind. Andererseits ist die Leitfähigkeit nicht immer eine gute Sache. Sicherungskästen, Schaltergehäuse, die Aufhängungen für Übertragungsleitungen, alle benötigen Isolatoren, und zusätzlich solche, die eine gewisse Last tragen können, eine gewisse Hitze vertragen und einen Funken überleben, wenn es einen gäbe. Hier ist die Eigenschaft, die wir wollen, der spezifische Widerstand ρe, der Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit κe. Die meisten Kunststoffe und Glas haben einen hohen spezifischen Widerstand (oben schematisch, rechts) - sie werden als Isolatoren verwendet - obwohl sie durch eine spezielle Behandlung leitfähig gemacht werden könnten. Die zweite Abbildung von oben deutet auf weitere elektrische Eigenschaften hin: die 13 Fähigkeit, Mikrowellenstrahlung durchzulassen, wie im Radom, oder sie zu reflektieren, wie im passiven Reflektor des Bootes. Beides hat mit dielektrischen Eigenschaften zu tun, insbesondere mit der Dielektrizitätskonstante εD. Materialien mit hoher εD reagieren auf ein elektrisches Feld, indem sie ihre Elektronen umherbewegen und sogar ihre Moleküle neu ausrichten; solche mit niedriger εD sind immun gegen das Feld und reagieren nicht (z.B. Blei). Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verbunden. Elektrische Ströme induzieren Magnetfelder; ein sich bewegender Magnet induziert in jedem nahegelegenen Leiter einen elektrischen Strom. Die Reaktion der meisten Materialien auf Magnetfelder ist zu gering, um von praktischem Wert zu sein. Aber einige wenige - Ferromagnete und Ferrimagnete genannt - haben die Fähigkeit, ein Magnetfeld dauerhaft einzufangen. Diese werden als "harte" magnetische Materialien bezeichnet, weil sie, wenn sie einmal magnetisiert sind, schwer zu entmagnetisieren sind (Ausrichtung ihrer inneren mikrokristallinen Struktur). Sie werden als Dauermagnete in Kopfhörern, Motoren und Dynamos verwendet (dritte Abbildung von oben, links). Die Schlüsseleigenschaft ist hier die Remanenz, ein Maß für die Intensität des zurückgehaltenen Magnetismus. Einige andere - "weiche" Magnetmaterialien - sind leicht zu magnetisieren und zu entmagnetisieren. Es handelt sich um die Materialien von Transformatorkernen und die Ablenkspulen einer Fernsehröhre. Sie haben die Fähigkeit, ein Magnetfeld zu leiten, es aber nicht dauerhaft festzuhalten (dritte Abbildung von oben rechts). Für diese ist eine Schlüsseleigenschaft die Sättigungsmagnetisierung, die misst, wie groß ein Feld ist, das das Material leiten kann. Materialien reagieren sowohl auf Licht als auch auf Elektrizität und Magnetismus. Dies ist kaum verwunderlich, da Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist (Elektromagnetische Wellen setzen sich aus oszillierenden magnetischen und elektrischen Feldern zusammen). ). Undurchsichtige Materialien reflektieren Licht; durchsichtige Materialien brechen es, und einige haben die Fähigkeit, einige Wellenlängen (Farben) zu absorbieren, während andere frei durchgelassen werden (untere Abbildung). ENG The importance of electrical, magnetic and optical properties is illustrated here. When you want to bring electricity from the power station to your home, you’d better use low resistivity lines. We start with electrical conduction and insulation (top schematic). Without electrical conduction we would lack the easy access to light, heat, power, control and communication that, today, we take for granted. Metals conduct well; copper (used in high-voltage cable) and aluminum are the best among those that are affordable. On the other hand, conduction is not always a good thing. Fuse boxes, switch casings, the suspensions for transmission lines, all require insulators, and in addition those that can carry some load, tolerate some heat and survive a spark if there were one. Here, the 13 property we want is resistivity ρe, the inverse of electrical conductivity κe. Most plastics and glass have high resistivity (top schematic, right)- they are used as insulators - though, by special treatment, they can be made conductive. Second figure from top suggests further electrical properties: the ability to allow the passage of microwave radiation, as in the radome, or to reflect them, as in the passive reflector of the boat. Both have to do with dielectric properties, particularly the dielectric constant εD. Materials with high εD respond to an electric field by shifting their electrons about, even reorienting their molecules; those with low εD are immune to the field and do not respond (lead for example). Electricity and magnetism are closely linked. Electric currents induce magnetic fields; a moving magnet induces, in any nearby conductor, an electric current. The response of most materials to magnetic fields is too small to be of practical value. But a few - called ferromagnets and ferrimagnets - have the capacity to trap a magnetic field permanently. These are called ‘hard’ magnetic materials because, once magnetized, they are hard to demagnetize (align their internal microcrystalline structure). They are used as permanent magnets in headphones, motors and dynamos (third figure from top, left). Here the key property is the remanence, a measure of the intensity of the retained magnetism. A few others - ‘soft’ magnet materials - are easy to magnetize and demagnetize. They are the materials of transformer cores and the deflection coils of a TV tube. They have the capacity to conduct a magnetic field, but not retain it permanently (third figure from top, right). For these a key property is the saturation magnetization, which measures how large a field the material can conduct. Materials respond to light as well as to electricity and magnetism. This is hardly surprising, since light itself is an electromagnetic wave (Electromagnetic waves are composed of oscillating magnetic and electric fields.). Materials that are opaque reflect light; those that are transparent refract it, and some have the ability to absorb some wavelengths (colors) while allowing others to pass freely (bottom figure). 13 The importance of chemical properties Frisch Wasser Fresh water Salzwasser Salted water Säuren und Laugen Acid and alkali Organisches Lösungsmittel Organic solvent Oxidation UV-Strahlung Oxidation UV Radiation Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] GER Die Bedeutung der chemischen Eigenschaften wird hier veranschaulicht. Produkte müssen oft in feindlichen Umgebungen funktionieren, in denen sie korrosiven Flüssigkeiten, heißen Gasen oder Strahlung ausgesetzt sind. Feuchte Luft ist korrosiv, ebenso wie Wasser; besonders korrosiv ist der Schweiß Ihrer Hand, und natürlich gibt es weitaus aggressivere Umgebungen als diese. Wenn das Produkt seine Konstruktionslebensdauer überleben soll, muss es aus Materialien hergestellt - oder zumindest mit Materialien beschichtet - werden, die die Umgebung, in der sie betrieben werden, vertragen können. Hier sind einige der am häufigsten vorkommenden Umgebungen dargestellt: Süß- und Salzwasser, Säuren und Laugen, organische Lösungsmittel, oxidierende Flammen und ultraviolette Strahlung. Wir betrachten die intrinsische Beständigkeit eines Materials gegenüber jedem dieser Stoffe als Materialeigenschaften, die die chemische Beständigkeit der Komponenten bestimmen. ENG The importance of chemical properties is illustrated here. Products often have to function in hostile environments, exposed to corrosive fluids, to hot gases or to 14 radiation. Damp air is corrosive, so is water; the sweat of your hand is particularly corrosive, and of course there are far more aggressive environments than these. If the product is to survive for its design life, it must be made of materials - or at least coated with materials - that can tolerate the surroundings in which they operate. Here are illustrated some of the commonest of these: fresh and salt water, acids and alkalis, organic solvents, oxidizing flames and ultraviolet radiation. We regard the intrinsic resistance of a material to each of these as material properties to determine the component chemical durability. 14 QUIZ What material’s property is linked to such buckling of railway? Welche Materialeigenschaft ist mit einer solchen Beulung der Eisenbahn verbunden? Mechanical strength / Mechanische Festigkeit Expansion coefficient / Ausdehnungskoeffizient Thermal conductivity / Thermische Leitfähigkeit Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] 15 QUIZ What property of the material present in the walls of your house is important to keep energy consumption low when you heat your house in winter? Welche Materialeigenschaften in den Wänden Ihres Hauses vorhanden sind, ist wichtig, um den Energieverbrauch niedrig zu halten, wenn Sie Ihr Haus im Winter heizen. Mechanical strength / Mechanische Festigkeit Expansion coefficient / Ausdehnungskoeffizient Thermal conductivity / Thermische Leitfähigkeit Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [en.decorexpro.com] https://en.decorexpro.com/dom/uteplenie/ekstrudirovannyj-penopolistirol/ 17 QUIZ What is that? Was ist das? Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [emseal.com] https://en.decorexpro.com/dom/uteplenie/ekstrudirovannyj-penopolistirol/ 19 Length scale -12 Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Soutsos & Domone, 2017] GER Zum Schluss möchte ich hier noch die Längenskala vorstellen. Wir können Materialien aus vielen verschiedenen Längenskalen betrachten. Wenn wir als nächstes über Atome sprechen, befinden wir uns auf der Angström-Skala. Während des Unterrichts werden wir uns auf die Mikro- und Makroskala zurückarbeiten. ENG To finish, I would like to introduce here length scale. We can look at materials from many different length scales. Talking next about atoms, we are at the Angstrom scale. During the class, we will work our way back to micro and macro scale. 21 Length scale Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Zhang, 2013] GER Zum Beispiel kann Beton, wenn man ihn auf Brückenebene (Maßstab 1-100 m) oder in anderen Strukturen betrachtet, die typischerweise von Bauingenieuren entworfen werden, als homogenes Material betrachtet werden. Mit anderen Worten, er wird als ein einphasiges Material mit vorgegebenen Eigenschaften betrachtet. Auf einer Skala von 0,1-0,001 m ist das Material nicht mehr homogen, da wir die Zuschlagstoffe und die Sandpartikel von der Zementmatrix unterscheiden können. Auf einer Skala von 10- 4m = 0,1 mm = 100 mm können wir verschiedene Phasen innerhalb der Zementmatrix sehen: die Portlanditkristalle, die Klinkerphase (d.h. nicht hydratisierte Zementkörner) und die Kalziumsilikathydratphase (C-S-H, Haupthydratationsprodukt). Auf einer noch niedrigeren Skala, 10-9 m = 1 nm, sehen wir einzelne Calciumsilikathydrat-Partikel (C-S- H) und Kristallebenen. Wenn wir noch weiter "zoomen", könnten wir weiter in die Materie hineinsehen: Der Durchmesser eines Siliciumdioxidatoms liegt bei etwa 0,2 nm. ENG For example, concrete, when looked at a bridge level (scale  1-100 m) or in other structures typically designed by civil engineers, can be considered as a homogeneous material. In other words, it is seen as a one-phase material with given properties. At a 22 scale of  0.1-0.001 m, the material is not homogeneous anymore, as we can differentiate the aggregates and the sand particles from the cement matrix. At a scale of  10-4m = 0.1 mm = 100 mm, we can see various phases inside the cement matrix: the Portlandite crystals, the clinker phase (i.e. unhydrated cement grains) and the calcium silicate hydrate phase (C-S-H, main hydration product). At a scale even lower,  10-9 m = 1 nm, we can see individual calcium silicate hydrate (C-S-H) particles, and crystal planes. If we “zoom” even more, we could see further into the matter: the diameter of a silica atom is around 0.2 nm. 22 Atom : Smallest particle of a chemical element Example of helium (He) Bohr model or Rutherford–Bohr model (1913) electron’s Charge of proton = charge of electron = 1.602 x 10-19 Coulomb electron orbital (Battery of your phone ≈ 10 000 Coulomb) protons Atom: number of protons = number of electrons neutrons → an atom is electrically neutral Protons and neutrons have ≈ the same mass 1.67 x 10-27 kg An electron weights 2000 times less than a proton or a neutron ≈ 0.03 nm = 0.3 Å = 3 x 10-11 m Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Jede Materie besteht aus Atomen, die zu Molekülen gruppiert sind, die sich zu Kristallen anordnen oder zu amorpher Materie aggregieren können. Die Atome und wie sie organisiert sind, bestimmt die Art des Materials. Wir können die makroskopischen Eigenschaften von Materialien nicht verstehen, wenn wir sie nicht auf der mikrostrukturellen Ebene verstehen: Bindungskräfte, molekulare Anordnungen usw. Atome können als die kleinste Grundeinheit betrachtet werden, die ein chemisches Element definiert. Atome sind die Bausteine der Materie. Sie bestehen aus einem Kern, um den sich Elektronen drehen. Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen. Der Kern hat eine positive Nettoladung und enthält Elektronen, die auf der Umlaufbahn negativ geladen sind. Die Ladungen des Protons und des Elektrons sind gleich und entgegengesetzt (1.602 x 10-19 Coulomb) und die Anzahl der Protonen und Elektronen ist gleich, so dass die Gesamtladung eines Atoms neutral ist. Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse (1,67 x 10-27 kg), während ein Elektron 2.000 Mal weniger wiegt. Das Heliumatom, das zwei Elektronen besitzt, hat einen Radius von etwa 0,03 nm. 23 Iphone-Batterie 3 Ampere.Stunde = 3 * 3600 Coulomb ENG All matter is composed of atoms, grouped into molecules, which can arrange into crystals, or can aggregate into amorphous matter. The atoms and how they organize themselves define the type of material. We cannot understand macroscopic properties of materials if we do not understand them at the microstructural level: bonding forces, molecular arrangements, etc. Atoms can be considered the smallest basic unit defining a chemical element. Atoms are the building blocks of matter. They consist of a nucleus around which electrons revolve. The nucleus consists of positively charged protons and neutrally charged neutrons. The nucleus, having a net positive charge, holds electrons that are negatively charged in orbit. The charges on the proton and the electron are equal and opposite (1.602 x 10-19 Coulomb) and the number of protons and electrons are equal so that the overall charge of an atom is neutral. Protons and neutrons have approximately the same mass 1.67 x 10-27 kg, whereas an electron weights 2,000 times less. The helium atom, which has two electrons, has a radius of about 0.03 nm. The coulomb (symbol: C) is the International System of Units (SI) unit of electric charge. The SI system defines the coulomb in terms of the ampere and second: 1 C = 1 A × 1 s. Iphone battery 3 Ampere.hour = 3 * 3600 coulomb 23 Atom : Smallest particle of a chemical element Example of helium (He) 1926 Schrödinger Bohr model or Rutherford–Bohr model (1913) + Current model with probably function of orbitals protons electron’s neutrons electron orbital 1 Å = 1 x 10-10 m = 100 000 fm protons neutrons ≈ 0.03 nm = 0.3 Å = 3 x 10-11 m Grey : electron cloud. Grey scale : probably function of orbitals of electrons Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen Wikipedia GER Die Elektronen sind in Orbitalen um den Kern herum organisiert. Ein vereinfachtes Modell des Atoms wurde von Niels Bohr (1885 - 1962) und Rutherford (1871-1937) erstellt. Bohr und Rutherford stellten dieses Modell 1913 vor. Bohr entwickelte die bestehende Theorie weiter, dass Atome aus Elektronen bestehen, die auf Bahnen um den Atomkern kreisen. Das Coulomb (Symbol: C) ist die Einheit des Internationalen Einheitensystems (SI) der elektrischen Ladung. Das SI-System definiert das Coulomb in Bezug auf Ampere und Sekunde: 1 C = 1 A × 1 s. Eine genauere Beschreibung eines Atoms kann mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsfunktion von Orbitalen erstellt werden. 1926 verwendete Schrödinger mathematische Gleichungen, um die Wahrscheinlichkeit zu beschreiben, ein Elektron in einer bestimmten Position zu finden. Man kann von "Elektronenwolken" sprechen, d.h. von Räumen, in denen sich wahrscheinlich Elektronen befinden. Während diese Darstellung genauer ist, ist das Rutherford-Bohr-Modell einfacher aber immer noch sehr nützlich. ENG 24 Electrons are organized in orbitals around the nucleus. A simplified model of the atom was built by Niels Bohr (1885 – 1962) and Rutherford (1871-1937). Bohr and Rutherford presented this model in 1913. Bohr developed further the existing theory that atoms were composed of electrons travelling in orbits around the atom's nucleus. A more accurate description of an atom can be built using the probably function of orbitals. In 1926, Schrödinger used mathematical equations to describe the likelihood of finding an electron in a certain position. We can talk about “electron clouds”, spaces where electrons are likely present. While this representation is more accurate, the Rutherford-Bohr model is simpler and still very useful. 24  Atom : Some relative length scale Example of helium (He) If the whole helium atom is the Ernst-Happel-stadium in Vienna, the nucleus is only a chickpea in the middle of it. 0.03 nm = 0.3 Å = 3 x 10-11 m atom (300 m) nucleus (1 cm) www.vienna.at Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen Wikipedia GER Helium (He)-Atomgröße 0,03 nm= 30000 fm. Seine Kerngröße beträgt 1 fm. Betrachtet man das Ernst-Happel-Stadion in Wien (ca. 300 m lang), und betrachtet man das Stadion als das Heliumatom, dann wäre der Kern 300 m / 30000 fm x 1 fm = 1/100 m = 1 cm Der Kern hätte die Größe einer Kichererbse (!!). Das gibt Ihnen eine Vorstellung von den Kräften, die hier im Spiel sind: Die Anziehungskräfte reichen über große Entfernungen im Vergleich zur Größe des Kerns. Wie Sie wissen, ist die Menge der Energien, wenn Sie beginnen, Kerne zu manipulieren, enorm (Kernkraft). Es ist auch interessant zu sehen, wie viel Raum gar nicht von "Materie" in einem Atom besetzt ist. ENG Helium (He) atom size 0.03 nm= 30000 fm. Its nucleus size is 1 fm. If we consider the Ernst-Happel-stadium in Vienna (around 300 m long), and we consider the stadium is the helium atom, then, the nucleus would be 300 m / 30000 fm x 1 fm = 1/100 m = 1 cm The nucleus would be the size of a chickpea (!!). That gives you an idea of the forces that are at play: the attraction forces range long distances compared to the size of the 25 nucleus. As you know, when you start manipulating nuclei, the amount of energies are enormous (nuclear power). This is also interesting to see how much space is not occupied by “matter” in an atom. EXTRA NOTES Even though it looks like the electrons are very far from the nucleus, it is extremely difficult to ionize Helium, i.e. to remove an electron to Helium, making it positively charged, as the charge balance is not respected anymore. “Under conditions (temperatures around 60,000 to 80,000 kelvins) that exist in the sun's atmosphere, helium atoms are ionized to form He II ions. These ions emit extreme ultraviolet (EUV) radiation at a wavelength of 30.4 nm (304 Å)” https://www.windows2universe.org/sun/spectrum/uv_helium_ions_he_ii_eit304.html 25 Atoms are differentiated by the number of their protons Hydrogen H Helium He Iron Fe Uranium U 1 proton 2 protons 26 protons 92 protons 1 electron 2 electrons 26 electrons 92 electrons Sizes are relative using approximated atomic size NIST Wikipedia GER Die chemischen Elemente werden nach der Anzahl ihrer Protonen unterschieden. Wasserstoff hat 1 Proton und 1 Elektron. Helium hat 2 Protonen und 2 Elektronen. Eisen hat 26 Protonen und 26 Elektronen. Uran hat 92 Protonen und 92 Elektronen. Sie werden hier mit einer Größe dargestellt, die proportional zu ihrer berechneten atomaren Größe ist (diese Zahl hängt von der Definition der Größe ab, wie sie gemessen oder berechnet wird und in welcher Umgebung). Wir werden nicht näher auf die Größe der Atome eingehen. Diese Darstellung soll Ihnen nur eine Vorstellung von den relativen Größen geben. ENG Chemical elements are differentiated by the number of their protons. Hydrogen has 1 proton and 1 electron. Helium has 2 protons and 2 electrons. Iron has 26 protons and 26 electrons. Uranium has 92 protons and 92 electrons. They are represented here with a size proportional to their calculated atomic size (This number depends on the definition of size, how it is measured or calculated and in which environment). We will not go into details about atomic size. This representation is only to give you an idea of relative sizes. 26 The periodic table 118 elements today 94 occur naturally on earth NIST Wikipedia GER Die Elemente sind im Periodensystem in der Reihenfolge der wachsenden Anzahl von Protonen (oder gleichwertigen Elektronen) von links nach rechts und von oben nach unten angeordnet. Insgesamt wurden 118 Elemente identifiziert. Die ersten 94 kommen auf der Erde natürlich vor, und die restlichen 24 sind synthetische Elemente, die in Kernreaktionen entstehen. Mit Ausnahme der instabilen radioaktiven Elemente (Radionuklide), die schnell zerfallen, sind fast alle Elemente in unterschiedlichen Mengen industriell verfügbar. (wiki) Viele Wissenschaftler arbeiteten an dem Problem, die Elemente zu ordnen, aber Dmitri Mendelejew veröffentlichte seine erste Version des Periodensystems im Jahr 1869 und wird meist als dessen Erfinder angesehen. (https://www.acs.org/education/whatischemistry/periodictable.html) ENG Elements are organized in the periodic table, in the order of growing number of protons (or equivalently electrons), from left to right and top to bottom. In total, 118 elements have been identified. The first 94 occur naturally on Earth, and the remaining 24 are synthetic elements produced in nuclear reactions. Except for 27 unstable radioactive elements (radionuclides) which decay quickly, nearly all of the elements are available industrially in varying amounts. (wiki) Many scientists worked on the problem of organizing the elements, but Dmitri Mendeleev published his first version of the periodic table in 1869, and is most often credited as its inventor. (https://www.acs.org/education/whatischemistry/periodictable.html) 27 The periodic table – Atomic number Hydrogen (H) has 1 protons and 1 electron Helium (He) has 2 protons and 2 electrons Lithium (Li) has 3 protons and 3 electrons.. Carbon (C) has 6 protons and 6 electrons.. Oxygen (O) has 8 protons and 8 electrons.. Iron (Fe) has 26 protons and 26 electrons.. Uranium (Ur) has 92 protons and 92 electrons NIST 28 Atomic mass – atomic weight - Avogadro’s number Atomic number is the number of protons in the atom Atomic mass of an atom = (Mass of protons + mass of neutrons) in amu Atomic mass of carbon-12 (6 protons and 6 neutrons) is 12 amu ---> 1 mole (= 6.022 x 1023 atoms) of carbon-12 weights 12 g/mol Mass of only one atom carbon-12 of is ≈ 12 g / 6.022 x 1023 = 2.0 x 10-23 g (impractical) Avogadro’s number was defined as 6.022 x 1023 Na has 11 protons C has 6 protons The atomic weight of an element corresponds to the weighted average of all naturally occurring isotopes Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Das Atomgewicht eines Elements entspricht dem gewichteten Mittel aller natürlich vorkommenden Isotope (in Mol). Einheit ist die Standardeinheit der Atommasse (amu oder Dalton) Standardeinheit der Atommasse ist 1/12 der Masse des Kohlenstoff-12-Isotops. Die Atommasse des Kohlenstoff-12-Isotops beträgt 12 g/mol. Obwohl ein Element immer die gleiche Anzahl von Protonen hat, kann seine Anzahl von Neutronen variieren; die Atome werden dann Isotope genannt ENG The atomic weight of an element corresponds to the weighted average of all naturally occurring isotopes (in moles). Unit is Standard unit of atomic mass (amu or Dalton) Standard unit of atomic mass is 1/12th the mass of carbon-12 isotope. Atomic mass of carbon-12 is 12 g/mol. Although an element has always the same number of protons, its number of neutrons can vary; the atoms are then called isotopes 29 QUIZ What atom is heavier? Welches Atom ist schwerer? Sodium / Natrium Na Oxygen / Sauerstoff O Copper / Kupfer Cu Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen [Asbhy et al, 2009] 30 From atomic mass to molecular weight When atoms group into molecules, mass is conserved Wenn sich Atome zu Molekülen gruppieren, bleibt die Masse erhalten QUIZ ≈ 10 g/mol Calculate molecular weight of water (H2O) ≈ 9 g/mol Berechnen Sie das Molekulargewicht von Wasser ≈ 18 g/mol QUIZ ≈ 44 g/mol Calculate molecular weight of carbon dioxide (CO2) ≈ 20 g/mol Berechnen Sie das Molekulargewicht von Kohlendioxid ≈ 14 g/mol Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen 32 A break with Tom Lehrer (1928- ) 1967 Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen Tom Lehrer was considered a child prodigy and entered Harvard Univ. at 15 year old. He then taught mathematics there and had a long career in academia. https://de.wikipedia.org/wiki/Tom_Lehrer 35 Chemical Reactions, weight & volume: Exercise Magnesium oxide reacts with water to form magnesium hydroxide MgO + H2O → Mg(OH)2 Density 3.58 g/cm³ 1 g/cm³ 2.34 g/cm³ My question is: what is the theoretical volume gain? Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen Robisson et al., Composites Science and Technology 75 (2013) GER Wir gehen von vollständig dichten Verbindungen aus ENG We assume fully dense compounds 36 Partial conclusion on atoms Atoms are differentiated by the number of protons in their nucleus In their equilibrium state, they have equal number of protons and electrons Electrons are organized in orbitals around the nucleus and their energy is quantized. Atoms are classified in the periodic table. Their atomic mass is the sum of mass of proton and neutrons composing the nucleus. Avogadro’s number is defined as 6.022 x 1023 Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen 40  Electrons – Orbitals – Quantized energies Electrons are organized around the nucleus in orbitals, and their energies are quantized. Bohr model or Rutherford–Bohr model (1913) Ni (28 protons and 28 electrons) Base of interaction between matter and electromagnetic radiation Niels Bohr (1885-1962) Nobel Prize for Physics in 1922 comerschemistryclassroom.com Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Wenn man also im Periodensystem nach unten geht, haben Atome immer mehr Protonen, immer mehr Nukleonen und immer mehr Elektronen. Was Wissenschaftler wie Niels Bohr und andere entdeckten, ist, dass sich die Elektronen in bestimmten Niveaus oder Energien befinden. Wir sagen, dass ihre Energie quantisiert ist. Dies eröffnete ein ganz neues Gebiet in der Physik, der Quantenmechanik, der Arbeit von Einstein usw. Vereinfachend gesagt, platziert das Bohr-Modell die Elektronen in verschiedenen Schalen. Je weiter die Schale vom Kern entfernt ist, desto mehr Elektronen enthält die Schale. Diese Elektronen sind nicht statisch, sie bewegen sich in Orbitalen um den Atomkern. Die Theorie der quantisierten Energien für Elektronen kann auch die Wechselwirkungen zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung, d.h. Licht, erklären. Wenn ein Atom einer elektromagnetischen Strahlung (einem Photon) ausgesetzt wird, kann es angeregt werden, d.h. ein Elektron bewegt sich zu einer weiteren Schale, d.h. zu einem höheren Energieniveau. Das Photon gibt seine Energie an das Atom ab, entweder ganz oder teilweise. Da es sich bei diesem angeregten Zustand nicht um den Gleichgewichtszustand handelt, kehrt das Elektron in seine ursprüngliche Gleichgewichtsposition zurück (oder auf ein niedrigeres Energieniveau), und dabei wird zur Energieerhaltung eine Strahlung mit einer spezifischen Energie emittiert, die der 41 Energiedifferenz zwischen den beiden Schalen entspricht. Dies erklärt viele Eigenschaften der Materie, einschließlich der Farbe von Objekten. Wir werden darauf zurückkommen. Niels Bohr (1885-1962) erhielt 1922 den Nobelpreis in Physik. Anmerkung: Während der Besetzung Dänemarks durch die Nazis im Zweiten Weltkrieg floh Bohr in die Vereinigten Staaten, wo er mit dem Atomenergieprojekt in Verbindung gebracht wurde. In seinen letzten Lebensjahren widmete er sich der friedlichen Anwendung der Atomphysik und der Lösung der politischen Probleme, die sich aus der Entwicklung von Atomwaffen ergaben. Ich möchte noch zwei Dinge anmerken: Die Bahnen werden im Bohr'schen Modell als Kugeln dargestellt, aber später wurde entdeckt, dass nur die erste Schale eine kugelförmige Umlaufbahn hat. Wenn ein Elektron die Schale wechselt, verschwindet es von der Umlaufbahn, auf der es sich befindet, und taucht an seinem neuen Ort wieder auf, ohne dass es jemals an einem Ort dazwischen auftaucht. Dieser Vorgang wird als Quantensprung bezeichnet und existiert in der makroskopischen Welt nicht. ENG So, when you go down the periodic table, atoms have more and more protons, more and more nucleons, and more and more electrons. What scientists like Niels Bohr and others discovered is that electrons found themselves in specific levels or energies. We say that their energy is quantized. It opened a whole new area in physics, the quantum mechanics, and the work of Einstein etc. To simplify, the Bohr model places the electrons in various shells. The further the shell from the nucleus, the more electrons the shell contains. These electrons are not static, they travel in orbitals around the atom's nucleus. The theory of quantized energies for electrons can also explain the interactions between matter and electromagnetic radiations, i.e. light. When submitted to an electromagnetic radiation (a photon), an atom can get “excited”, i.e. an electron moves to a further shell, i.e. a higher level of energy. The photon gives its energy to the atom, either completely or partially. Because this excited state is not the equilibrium state, the electron will come back to its initial equilibrium position (or a lower level of energy) and by doing so, to conserve energy, a radiation of specific energy corresponding to the difference of energy between the two shells, will be emitted. This explains many properties of matter, including the color of objects. We will get back to this. Niels Bohr (1885–1962) got the Nobel price in physics in 1922. Note: During the Nazi occupation of Denmark in World War II, Bohr escaped to the United States, where he became associated with the Atomic Energy Project. In his final years, he devoted himself to the peaceful application of atomic physics and to resolving political problems arising 41 from the development of atomic weapons. I would like to note two more things: 1) The orbits are represented as spheres in the Bohr model, but it was later discovered that only the first shell has a spherical orbital. 2) When an electron changes shell, it disappears from the orbit in which it is located and reappears in its new location without ever appearing any place in between. This process is called a quantum leap or quantum jump, and it has no analog in the macroscopic world. 41 Electrons – Orbitals – Quantized energies More current representation of electron orbitals calculated with probably function UCDavis Chemwiki Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen GER Wahrscheinlichkeitsverteilungen für 1s-, 2s- und 3s-Orbitale. Größere Farbintensität zeigt Bereiche an, in denen Elektronen mit größerer Wahrscheinlichkeit vorhanden sind. Knoten zeigen Bereiche an, in denen ein Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von Null gefunden wird. Bildnachweis: UCDavis Chemwiki ENG Probability distributions for 1s, 2s, and 3s orbitals. Greater color intensity indicates regions where electrons are more likely to exist. Nodes indicate regions where an electron has zero probability of being found. Image credit: UCDavis Chemwiki We are not in Newton’s mechanics anymore. 42  Electrons – Quantized energies – The case of H Energy levels of hydrogen -3.4 eV H atom: Electron jumping from orbit n = 3 to orbit n = 2, producing a photon of red light with an energy of 1.89 eV 1 electronvolt (symbol eV) : and a wavelength of 656 nm (E=hc/ unit of energy equal to ≈ 1.602×10−19 joule (SI unit J) Applications: Spectroscopy: science devoted to identifying atoms and molecules by the kind of radiation they emit or absorb. Lasers (first laser built in 1960) Encyclopedia Britannica Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen wikipedia GER Hier sind die Energieniveaus der Wasserstoff-Elektronen aufgetragen. Im Grundzustand (Schale n=1) beträgt das Energieniveau der Elektronen -13,6 eV (man beachte, dass auch hier eine praktische Einheit verwendet wird, 1 eV = 1,602 10-19 J). In der zweiten Schale (n=2) beträgt es -3,4 eV und in der dritten Schale (n=3) -1,51 eV. Hier auf dem linken Schema wurde das Wasserstoffatom "angeregt" (ein Elektron ist auf das dritte Niveau gesprungen). Wenn das Elektron von der Schale n=3 zur Schale n=2 zurückspringt, sendet das Wasserstoffatom ein Photon mit der Energie 1,89 eV und der Wellenlänge 656 nm (rotes Licht) aus. Die Gleichung für die Photonenenergie lautet E = h c / λ. Dabei ist E die Photonenenergie, h die Planck-Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und λ die Wellenlänge des Photons. Da h und c beide Konstanten sind, ändert sich die Photonenenergie E in umgekehrter Beziehung zur Wellenlänge λ. Wenn dem H-Atom 13,6 eV oder mehr zugeführt werden, kann das Elektron "ausgestoßen" werden, d.h. es ist nicht mehr mit dem Kern oder dem Atom verwandt. Das Wasserstoffatom wird ionisiert. Anwendungen sind wichtig, da alle Atome unterschiedliche Energiezustände haben und daher die Strahlung, die sie nach der Anregung aussenden, uns helfen kann, sie zu 43 identifizieren. Dies ist die Wissenschaft der Spektroskopie. Fluoreszenz entsteht auch durch die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen (Licht) und Materie. Wenn Materie UV-Licht ausgesetzt wird, können Elektronen in andere, höhere Energiezustände springen, und wenn sie auf niedrigere Energieniveaus zurückspringen, können sie Photonen mit niedrigerem Energieniveau, d.h. höherer Wellenlänge, von unterschiedlicher Farbe aussenden, je nach vorhandener Spezies: das ist Fluoreszenz. ENG Here are plotted the energy levels of hydrogen electrons. In the ground level (shell n=1), electron energy level is -13.6 eV (note that again, a convenient unit is used, 1 eV = 1.602 10-19 J). In the second shell (n=2), it is -3.4 eV and in the third shell (n=3), -1.51 eV. Here on the left schematic, the hydrogen atom was “excited” (an electron jumped to the third level). When the electron jumps back from shell n=3 to shell n=2, the hydrogen atom will emit a photon of energy 1.89 eV, and wavelength 656 nm (red light). The equation for photon energy is E = h c / λ where E is photon energy, h is the Planck constant, c is the speed of light in vacuum and λ is the photon's wavelength. As h and c are both constants, photon energy E changes in inverse relation to wavelength λ. When 13.6 eV or more is given to the H atom, the electron may be “ejected” i.e. it is not related to the nucleus or the atom any more. The hydrogen atom is ionized. Applications are important, because all atoms have different states of energy and therefore, the radiation they emit after being excited can help us identifying them. This is the science of spectroscopy. Fluorescence also comes from interaction between electromagnetic waves (light) and matter. When matter is subjected to UV light, electron can jump to other higher states of energy, and when they jump back to lower levels of energy, they can emit photons of lower levels of energy, i.e. higher wavelength, of various color, depending on the species present: this is fluorescence. 43 Electrons – Quantized energies – The case of H -3.4 eV 656 nm 434 nm 486 nm 410 nm Energy released by the electron jump E=h.c/ Wavelength of the emitted photon Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen chemed.chem.purdue.edu For more information of history involving Max Planck and Albert Einstein, see https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch6/bohr.html When an electric current is passed through a glass tube that contains hydrogen gas at low pressure the tube gives off blue light. When this light is passed through a prism (as shown in the figure below), four narrow bands of bright light are observed against a black background 44 Quantized energies of electrons – Spectroscopy & Fluorescence Spectroscopy: science devoted to identifying atoms and molecules by the kind of radiation they emit or absorb. Fluorescence: ability of certain materials to give off visible light after absorbing radiation which is not normally visible, such as ultraviolet light Willemite (green), franklinite, and calcite (red-orange) Calcite Langbanite forms in crystalline limestones and manganese rich skarns under natural (left) & UV light (right) Encyclopedia Britannica Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen wikipedia artsandculture.google.com 45  Quantized energies of electrons – Spectroscopy & Fluorescence Fluorescence in minerals Encyclopedia Britannica Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen wikipedia 46 Quantized energies of electrons – Laser Prof. Robisson 207.015 Werkstoffe im Bauwesen https://toutestquantique.fr/en https://toutestquantique.fr/en/laser/ 49