Härte und Kristallstruktur
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.
Die Bindungen müssen energiereich sein
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.
Sehr lange Bindungen sind meist nur schwach. 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.
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| starke und schwache Bindungen |
Die Bindungen müssen kovalent sein
Wirken auf einen Ionenkristall Scherkräfte, so geraten Ionen gleicher Ladung in unmittelbare Nachbarschaft. Diese Ionen stoßen sich ab, und der Kristall zerbricht. Stoffe mit Ionenbindung sind nicht allzu hart. Ein Beispiel ist Natriumchlorid.
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| Einfluss von Ionenbindungen auf die Härte |
Werden in einem Kristall dagegen 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. Der Kristall zerbricht nicht. Stoffe, in denen alle Atome eines Kristalls durch kovalente Bindungen (Atombindungen) zusammen gehalten werden, sind hart.
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| Einfluss von kovalenten Bindungen auf die Härte |
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.
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| Kristall bleibt unverändert |
Schwache Kräfte, die senkrecht zu den starken Bindungen innerhalb der Schichten wirken, können die starken Bindungen nicht spalten. Der Kristall bleibt weitgehend 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.
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| Schichten verschieben sich gegeneinander |
Die schwachen Bindungen zwischen den Schichten können schon durch geringe Scherkräfte gespalten werden. Die Schichten verschieben sich sehr leicht gegeneinander.
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.
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.
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