Atombewegung

Conan · Gast

Meine Frage:
In einem Feststoff wie z.b. einen Metall, schwingen die Atome um ihre Plätze im Kristallgitter.
Für Substitutionselemente die fest auf Gitterplätzen sitzen ist keine Diffusion möglich.
Es erfolgen lediglich durch Leerstellenbewegnung gelegentliche Platzwechsel.
So können auch Atome an die Oberfläche wandern, oder von dort wieder zurück ins Innere.
Wie muss ich mir dann diese Textstelle vorstellen:

Die Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen ist korreliert mit der Geschwindigkeit der Teilchen (Atome, Moleküle) in denselben. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen im Mittel. Allerdings ist die Geschwindigkeit aller Teilchen nicht gleich, sondern statistisch verteilt, ebenso wie die Bewegungsrichtungen der Teilchen.

Mößbauer erwartete, dass mit steigender Temperatur die Wahrscheinlichkeit für eine Emission und anschließende Absorption eines Gamma-Quants ansteigen sollte, da sich statistisch gesehen mehr Atome mit der richtigen Geschwindigkeit aufeinander zubewegen. Umgekehrt sollte sich bei sehr niedrigen Temperaturen die Wahrscheinlichkeit für diesen Vorgang nahezu auf Null verringern, da die Atome im Mittel so langsam sind, dass die erforderliche Geschwindigkeitsdifferenz kaum einmal erreicht wird.

Bedeutet dies, dass dann doch Atome dabei sind, die sich wesentlich schneller durch das kristallgitter bewegen, als dies eigentlich der Fall sein sollte?
Sprich man hat auch Substitutionselemente die bei auch unter 400 Grad dann trotzdem diffundieren können?

Meine Ideen:
Ich weiß es leider nicht. . .

AC-Gast · Gast

Jetzt auch noch Mößbauer cry

Schon vor längerer Zeit wurden Mößbauer-Messungen zur Untersuchung von Diffusion in metallischen Festkörpern untersucht:
Mössbauer effect and atomic diffusion : A critical survey
and ... one more interpretation
Ch. Janot .
Die von dir zitierte Textstelle ist viel zu allgemein gehalten.
Die Diffusion in Festkörpern verläuft nach sehr unterschiedlichen Mechanismen und mit unterschiedichen "Geschwindigeiten".Dazu u.a. dies:
Diffusion in Metals and Intermetallics -- an Overview
H. Mehrer* oder auf der TU-Kiel-Seite schauen bei Materialwissenschaften.
Die statistische Geschwindigkeitsverteilung besagt nur,daß die Diffusion(egal,nach welchem Mechanismus) der einzelnen,diffundierenden Teilchen nicht homogen ist.

Conan · Gast

Also hat man einen statistischen Mittelwert und davon weichen ein paar Atome nach oben oder unten ab in ihrer Geschwindigkeit, aber diese Abweichungen machen nicht wirklich etwas aus, bzw. sind nicht relevant.

AC-Gast · Gast

Das ist das Grundsätzliche bei Geschwindigkeitsverteilungen.
Für (nahezu) ideale Gase kann dies mittels der Maxwell-Boltzmann-Statistik mathematisch beschrieben werden.
Bei der Diffusion in Festkörpern kann das oft in ausreichender Näherung ebenfalls mit einer MB-Verteilung beschrieben werden.
Im Detail kann das anders aussehen.
Was für eine Schule(s. thread zur Stoßionisation) ist das eigentlch,wo man sich mit solchen Themen beschäftigt??

AC-Gast.

Conan · Gast

Im Zuge einer Projektwoche die wir mal hatten, beschäftigen wir uns mit bahnbrechenden Entdeckungen in der Chemie und der Physik.

Welche Erkenntnisse welchen wissenschaftlichen Fortschritt bedeuten, ihre Effekte etc.

Dazu gibt es dann verschiedene Prüfungsfragen.

Bei den Feststoffen muss ich mir die Geschwindigkeitsverteilung dann so vorstellen, dass bei den Atomen die nur um ihren Gitterplatz herum schwingen können, diese Schwingungsamplitude dann einfach mal etwas höher und mal etwas niedriger ist?

AC-Gast · Gast

Conan · Gast

Ich verstehe. . .
Die Atome die diffundieren können (Interstitiell gelöst) haben dann unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilungen.
Die Substitutionselemente die unterhalb von 400 Grad nicht mehr diffundieren können sondern nur um ihren Gitterplatz schwingen und nur zufällig durch Leerstellensprünge ihre Position wechseln können, schwingen dann einfach teilweise schneller und teilweise langsamer.

chemiewolf · Anmeldungsdatum: 06.07.2022 Beiträge: 475 Wohnort: Rheinhessen

nein, du musst zwischen Atomen, die durch ein Material diffundieren und dem Material selbst unterscheiden.

Conan · Gast

Also geht es nur um die interstitiell gelösten Atome die diffundieren können?

AC-Gast · Gast

Nein,sowohl für Substitutionselemente,wie interstitiell gelöste Fremdelemente oder auch einfach Elemente der gleichen Atomsorte gibt es Diffusion im Festkörper.
Meist ist die Diffusion bei IS schneller als bei Substitutionselementen,die Mechanismen können sich deutlich unterscheiden.
Allg. hat man bei solchen Vorgängen keine homogene,gleiche Geschwindigkeit,sondern eine Verteilung über verschiedene Geschwindigkeiten.
Das mit Mößbauer solltest du besser mal vergessen,anscheinend ist der Rest schon kompliziert genug.
Um was genau soll es denn jetzt gehen bei den "Prüfungen"?
Du hattest den anderen thread zur Stoßionisation,wo du dann von der Ionisation zu allgemeinen Stoßprozessen kamst.
Die in diesem thread thematisierten Atombewegungen beinhalten auch die reinen Schwingungen um einen festen Gitterplatz.

AC-Gast.

Conan · Gast

Wir haben gelernt das Substitutionselemente immer langsamer diffundieren als interstitiell gelöste Elemente.
Ist das falsch?

Wir sollen einfach nur ein paar Fragen zu verschiedenen, bahnbrechenden Entdeckungen beantworten.
Effekte aufzählen etc.

AC-Gast · Gast

Conan · Gast

Im Zuge einer Projektwoche die wir mal hatten, beschäftigen wir uns mit bahnbrechenden Entdeckungen in der Chemie und der Physik.

Welche Erkenntnisse welchen wissenschaftlichen Fortschritt bedeuten, ihre Effekte etc.

Dazu gibt es dann verschiedene Prüfungsfragen.
Je nachdem was man sich alles ausgesucht hat.
Sind halt Fleißarbeiten.
Man soll allgemein etwas darüber lernen wie manche Dinge entdeckt wurden.
Vieles war z.b. Zufall wie die Entdeckung des Nylons in der Chemie Firma Du Pont.

Z.b. John Dalton der 1803 die chemische Atomtheorie begründet

Newtons hatte nach zwei Jahren intensiver Arbeit und Studien das Manuskript für die 1687 veröffentlichten »Philosophiae Naturalis Principia Mathematica« fertig gestellt.

Die Molekulartheorie nach Avogadro, ideales Gasvolumen.

So Sachen halt. . .

chemiewolf · Anmeldungsdatum: 06.07.2022 Beiträge: 475 Wohnort: Rheinhessen

in welchem Zusammenhang sollen diese bahnbrechenden Erfindungen mit der hier geführten konfusen Diskussion über Diffusion stehen?

Conan · Gast

Ich habe nur Beispiele gegeben.

Sind nicht meine Themen.
Mich hat mehr die Atombewegung, Ladung der Atome, Diffusion etc. interessiert.

AC-Gast · Gast

Ich verstehe das hier so,daß der thread/deine Fragen nichts mit den Schulthemen "besondere Entdeckungen.." zu tun haben,sondern,ausgehend von der Brownschen Molekularbewegung u.ä. ,du dich für die Bewegung von Atomen in Festkörpern interessierst.
Dazu sind die wichtigen Arten wie Dffusion und Schwingung oben genannt.
Allgemein findet man Verteilungsfunktionen in verschiedenen Bereichen,oben Geschwindigkeit oder Frequenz.
Aus solchen Verteilungskurven kann man ablesen,wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist,ein Teilchen mit einer Geschwindigkeit/Frequenz zu finden,welche weitab vom "gemittelten Wert" liegt.
Die Atombewegungen im Alltag beruhen überwiegend auf thermischer Energie.Das wird dann auch in Physikbüchern schon gut beschrieben.
Den Exkurs zur Mößbauer-Spektroskopie halte ich hier für wenig sinnvoll,da einfach Grundlagen zu dünn sind.

AC-Gast.

Conan · Gast

Genau!

Du hattest geschrieben das es ein paar Ausnahmen gibt, wo die Substitutionselemente schneller diffundieren als die Interstitiell gelösten Atome.

Hast du hierzu Beispiele?
Hängt das am Material?

Z.b. ob Kunstoff, Glas, Keramik, Metall?

Oder hängt das dann speziell an dem jeweiligen Element?

Wir haben auch mal gelernt, dass keine Reaktionen zwischen Interstitiell gelösten Atomen und den Substitutionsatome statt finden wenn die IS nicht zwangsgelöst vorliegen, da die Subs bei normalen Temp. einfach nicht schnell genug diffundieren können wie es nötig wäre.
Ich nehme an, daran ändern auch die schnelleren Ausreißer nichts, also die reagieren dann auch nicht, nur weil sie schneller sind?

AC-Gast · Gast

Ich habe die Formulierung so gewählt(meist..),daß die Möglichkeit für Ausnahmen bleibt.Ich kenne keine,vielleicht gibt es auch keine.
Bei der Beschäftigung mit solch etwas komplexern Themen sollte man zuerst die Grundlagen lernen und das generelle Verhalten.
Meiner Ansicht nach(u.U. noch aus anderen threads) schaust du dagegen schnell nach Ausnahmen,was einen oft nicht viel weiter bringt.
Im Detail kann man die unterschiedliche Diffusionsgeschwindkeiten für IS und Selbstdiffusion sicherlich genauer erklären,in Abhängikeit von ihren Mechanismen und den jeweiligen Energiebarrieren.
Möglicher einstieg über den englischen wiki-Artikel zu Lattice diffusion coefficient .

AC-Gast.

Conan · Gast

Du hast recht.
Erstmal die Grundlagen verstehen.
Ich werde den Artikel mal lesen.

PS: Gibt es eine Funktion über den PC das man sich Texte automatisch ins Deutsche übersetzen lassen kann?

Nobby · Moderator Anmeldungsdatum: 20.10.2014 Beiträge: 6438 Wohnort: Berlin

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Conan · Gast

Letzte Frage:

Ich nehme an, dass die schnellsten der Substitutionselemente dennoch langsamer sind als die langsamsten interstitiell gelösten Atome.
Wegen der Art der Diffusion und ihrem Platz im Kristallgitter. . .

AC-Gast · Gast

Die Vermutung wird wohl zutreffen.Atome,die klein genug sind,um interstitiell einen Zwischengitterplatz einzunehmen,werden wohl auch schneller diffundieren als ein Substitutionselement,welches sich an einem Gitterplatz befindet.

AC-Gast.

Conan · Gast

Also wenn ich es richtig verstanden habe, dann können nur einzelne Atome diffundieren, keine Moleküle (zu groß).

Also können auch nur einzelne Atome an die Oberfläche gelangen und dort sublimieren, oder ihren Weg wieder zurück in das Innere finden.

Können dann aber die Moleküle die sich in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche befinden sublimieren, oder sind diese zu stark gebunden?

Bzw. Rost kann auch sublimieren, somit müssten sich dann also einzelne Atome aus der chemischen Verbindung Rost durch Energieüberschuß heraus lösen.

Die letzte Frage wäre: Was ist eine zielgerichtete Diffusion?
Diffusion ist doch immer zufällig.
Natürlich gleicht sich allmählich die Konzentration in einem Stoff aus, wenn sich links nur 30% der Teilchen A befinden und rechts 70% der Teilchen A.

Übder die Stochastik werden anteillig viel mehr A Teiclhen nach links diffundieren als nach rechts und somit gleicht sich das irgendwann aus.
Aber zielgerichtet ist das doch nicht.
Die Teilchen bewegen sich zufällig dorthin, wo eben gerade eine Leerstelle frei geworden ist.

AC-Gast · Gast

Bezogen auf metallische Festkörper:
Diffusion nur atomar möglich,selbst das recht kleine H2-Molekül diffundiert atomar,wobei die Dissoziation von einfachen Molekülen(N2,H2,O2) bereits beim Eintritt ins Metallgefüge erfolgt,somit keine Moleküle vorliegen.
Die Prozesse an der Oberfläche sind Dissoziation und Rekombination,welche in einem dynamischen GG zueinander stehen.
Werden die äußeren Bedingungen(Druck,Temperatur) zugunsten Sublimation erhöht,steigt die Rekombinationsrate,mehr Moleküle sublimieren.
Dazu gehören auch (Fremd)Moleküle der ersten Adsoprtionsschicht an der Oberfläche.Sind jedoch bereits mehrere Adsorptionsschichten vorhanden,werden bevorzugt Moleküle höherer Schichten desorbiert,da sie weniger stark gebunden sind.
Rost oder Passivschichten sind etwas anders,da überwiegend ionisch aufgebaut und der Zusammenhalt im Ionengitter dort größer ist als bei einfach physisorbierten Molekülen.
Da müßten viel höhere Temperaturen herrschen,um u.U. O2 aus solchen Schichten freizusetzen.
Was meinst du mit zielgerichteter Diffusion,woher stammt der?
In Metallen und Legierungen erfolgt die Diffusion in der Regel isotrop,die "Richtung" erfolgt entlang eines Konzentrationsgradienten.
Dabe können einzelne Diffusionspartikel sich wohl auch mal entgegengerichtet bewegen,in summa aber erfolgt ein Konzentrationsausgleich,die Bewegung wird durch Zufallsbewegenungen (random walk vereinfacht beschrieben).
In ionischen Feskörpern dagegen kann eine bestimmte Bewegungsrichtung
(bgzl. der Gitterkoordinaten x,y oder z) auftreten,was dann als anisotrope Diffusion bezeichnet wird.Aber auch dort bewirkt die Diffusion den Konzentrationsausgleich(hat was Thermodynamik und dem chemischen Potential zu tun..).

AC-Gast.
In ion

Conan · Gast

Wenn die Diffusion in einer Legierung isotrop hin zum Konzentrationsgradienten abläuft ist das doch eine zielgerichtete Diffusion?

Das hatte ich gemeint.

Ich dachte tatsächlich H2 wäre das einzige Molekül das tatsächlich innerhalb einer Legierung diffundieren könnte.
Dem ist aber nicht so.
Entweder werden Metallhydride gebildet oder es passiert das hier:
Durch bestimmte chemische Reaktionen gebildeter atomarer Wasserstoff dringt in das Gefüge metallischer Werkstoffe ein, wo er an Gitterstörstellen wieder zu molekularem Wasserstoff rekombiniert und dort verbleibt. Die dadurch verbundene Druckerhöhung führt zu inneren Spannungen und zu einer Versprödung des Werkstoffes, ohne dass dadurch eine Erhöhung der Festigkeit eintritt. Im Endergebnis entstehen schließlich Risse, die sich von innen nach außen ausbreiten.

Liegt der Molekulare Wasserstoff dann las Ion oder tatsächlich gasförmig vor?

Herstellungsbedingt enthalten die Stähle ja in gewissen Mengen Kohlenmonoxid.
Ich hatte unseren Lehrer gefragt was passiert wenn dieses bei Stahl unter vakuumbedingungen anfängt auszugasen.
(was auch der Grudn ist warum man bei Vakuum Anwendungen lieber Edelstahl oder Aluminium benutzt)

Seine Aussage war in etwa diese hier:

Unser Lehrer meinte das er halt nicht weiß wie Defektfrei die Strukturen in dem Kristallgitter des Metalls sind und wie regulär die Atome, und auch wie fest diese an ihren Plätzen sitzen.
Er weiß also nicht, was zur Ausbildung von Tunneln oder Poren notwendig ist.

So wie ich sie verstanden habe, entstehen aber weder Tunnel noch Poren in der Legierung wenn etwas ausgast und es werch keine anderen Atome mitgerissen. . .

chemiewolf · Anmeldungsdatum: 06.07.2022 Beiträge: 475 Wohnort: Rheinhessen

Nobby · Moderator Anmeldungsdatum: 20.10.2014 Beiträge: 6438 Wohnort: Berlin

Ein Molekül besteht mindestens aus 2 Atomen.
Automarer Wasserstoff folgt der Beschreibung 1 Proton und 1 Elektron, nicht das Molekül

Conan · Gast

Also kein Gas Molekül?

AC-Gast · Gast

Und ewig fragt das Murmeltier.. .
Die Thematik zu dem vorliegen und Verhalten bestimmter Legierungsbestandteile ist in anderen threads hier ausführlich besprochen worden.
Wenn man von einem "Gas" spricht,bezieht man sich oft auf "normale"Bedingungen bzgl. Druck und Temperatur.
so liegen die zweiatomigen Moleküle N2,O2 und H2 dort gasförmig vor.
Diese Bezeichung beschreibt einen Aggregatszustand,welcher für eine größere Anzahl Teilchen definiert ist,nicht für einzelne(s. Nobby,chemiewolf).
Wird Wasserstoff an eine Metalloberfläche adsorbiert,erfolgt schon relativ leicht eine (reversible) Aufspaltung H-Atome,die dann sehr schnell durch die Gitterstrukturen diffundieren können.
Je nach Bedingungen und Material kann es zur Bildung von Metallhydriden kommen(chemisch gebundener Wasserstoff) oder zur Rekombination in entsprechenden Gitterstellen,wo das so gebildete H2-Molekül zu Veränderungen der Struktur führen kann(s- Wasserstoffversprödung).

AC-Gast.

AC-Gast · Gast

Conan · Gast

Also man kann gezielt Poren erzeugen, damit eine schnellere Sublimation statt findet.
Ich nehme an bei Metallen die für Vakuum Anlagen verwendet werden ist dies absolut ungewünscht.
Also werden Edelstähle und Aluminium diese Eigenschaft nicht haben würde ich annehmen?

Nobby · Moderator Anmeldungsdatum: 20.10.2014 Beiträge: 6438 Wohnort: Berlin

Das Thema ist ausgelutscht. Don't feed the troll.

Conan · Gast

Tut mir ja leid aber ich habe da noch offene Fragen.

Conan · Gast

AC-Gast · Gast

Zu porosen Legierungen:"The porousness of high strength FeMnAl bulk steels is a promising strategy to produce lightweight steels. Development of porous steels with high Mn and Al content enables to comprehensively utilize the excellent performance of the porous structure and the high strength of the parent steel. The lightweight porous structure of FeMnAl-based steels is ideal for the parts for anti-collision, energy absorption, acoustic absorption, thermal insulation and damping applications".
Temperaturen dort unter 700°C .
Zum CO:ich weiß nicht,um welche Materialien(Stahlsorten?) es dir geht.
CO kann als Carburierungsmittel bei der Stahlhärtung eingesetzt werden.
Dort ist aber das Ziel,den durch CO-Zersetzung gewonnen Kohlenstoff in das Eisengefüge einzulagern.
Die Zersetzung von CO in solchen Phasen wird in Umkehrung bei bestimmten CO-Ausgasungen im UHV vermutet,wo C und O getrennt diffundieren und erst an der Oberfläche rekombinieren.
Zwar wurde die CO-Diffusion schon 1936 untersucht(in Nickel:
The Diffusion of Gases Through Metals
III—The Degassing o f Nickel and the Diffusion of
Carbon Monoxide Through Nickel ),aber auch heute noch nicht abgeschlossen.
Für mich endet es hier,da ich nicht sehe,wo solche sehr speziellen Sachverhalte weiter führen sollen.

Over an out.
AC-Gast.

Conan · Gast

Mir ging es darum:

Normalstahl wird in der Vakuumtechnik verwendet, solange nicht Drücke von weniger als etwa 1 · 10-5 hPa erzeugt und aufrechterhalten werden müssen und ein Korrosionsschutz nicht erforderlich ist. Es ist im Vergleich zu Edelstahl ein verhältnismäßig kostengünstiges Bau- und Konstruktionsmaterial, gut schweißbar und einfach zu bearbeiten. Bei der Verwendung sind allerdings die ständige Gasabgabe von CO und die Neigung, auch an Luft zu korrodieren, zu beachten.

Ich wollte auch nicht zu sehr in die Tiefe gehen.
Aber für mich als Schüler ist CO ein Molekül das diffundiert, obwohl mein Lehrstoff und meine Recherchen sagen Moleküle können nicht diffundieren.
Das wollte ich einfach geklärt haben.

Am besten werde ich die Tage mal in der Mainzer Bibliothek vorbei schauen.

Sorry wenn ich hier genervt habe.
Aber das mit dem Troll fand ich völlig daneben.