Warum ist die Schmelztemperatur von Legierungen geringer als die von echten Metallen?
Hallo :)
Könnte mir vielleicht jemand beantworten, warum Legierungen oft eine geringere Schmelztemperatur als die Metalle haben, aus denen sie hergestellt werden? Sprich als reine Metalle.
Vielen Dank im Voraus!
2 Antworten
Das ist grundsätzlich das, was man erwartet: Genauso, wie eine Salz/Wasser-Mischung bei tieferen Temperaturen flüssig ist als reines Wasser, so ist auch eine Natrium/Kalium-Legierung bei Raumtemperatur flüssig, während die Metalle fest sind.
Der Grund ist in beiden Fällen ungefähr derselbe, nämlich die Entropie. In der Flüssigkeit steigt die Entropie bei gemischter Zusammensetzung stark an, weil die verschiedenen Teilchen einen viel größeren Phasenraum haben als einheitliche, ununterscheidbare Teilchen — man kann auch sagen, mehr Unordnung, mehr Anordnungsmöglichkeiten, mehr Mikrozustände. Wenn Du in einem flüssigen reinen Metall die Koordinaten zweier Atome vertauscht, dann landest Du beim selben Mikrozustand (alles sieht gleich aus), bei einer Legierung können die beiden Atome aber verschieden sein, Du bekommst also einen neuen Mikrozustand bzw. eine neue Anordnung, es gibt also mehr Möglichkeiten. Diese Zusatzentropie stabilisiert die Flüssigkeit, deren Stabilitätsbereich sich daher ausweitet (Schmelzpunkterniedrigung, Siedepunkterhöhung).
Im Festkörper spielen Entropieeffekte dagegen eine geringere Rolle. Im Fall der Salz/Wasser-Mischung gibt es gar keine Mischungsentropie (weil sich Eis und Salz nicht mischen), im Fall einer K/Na-Legierung ist sie klein — die Atome haben zwar Ortskoordinaten, aber keine Geschwindigkeitskoordinaten (sie hängen an den Gitterpunkten fest), daher gibt es von vorneherein weniger Möglichkeiten, und die Vergrößerung der Möglichkeiten fällt absolut geringer aus.
So einfach wie beschrieben ist es aber nur die Legierungen aus Hautgruppenelementen, die oft (nicht immer) einfach gebaut sind, d.h., in der Legierung sitzen die Atome bunt durcheinandergewürfelt im Kristall. In den Nebengruppen haben Legierungen (auch solche mit Hauptgruppenelementen) oft definierte Strukturen mit annähernd stöchiometrischer Zusammensetzung. Diese Strukturen kommen, wie chemische Verbindungen, durch energetische Wechselwirkungen zustande; dadurch wird der Festkörper stabilisiert, und der Schmelzpunkt steigt.
(Solche definierten Strukturen können sich auch in den Hauptgruppen bilden, wenn man sehr elektropositive Elemente, z.B. Alkalimetalle, mit eher elektronegativen Metallen wie Pb legiert; diese „Zintl-Phasen“ haben dann einen näherungweise ionischen Aufbau, mit exotischen Anionen wie dem ikosaedrischen Pb₁₂²⁻).
Weil es unmöglich ist, dass wenn man zwei oder mehr Metalle miteinander vermischt, das Produkt einen höheren Schmelzpunkt hat, als das hitzebeständigste Edukt. Es muss immer ein Mittelwert sein, sonst würde man ja Energie auslöschen.