Anorganische Festkörperchemie- und Organometallchemie - Cheatsheet.pdf

Kristallstrukturen und Gitterfehler

Definition:

Kristallstrukturen beschreiben die regelmäßige Anordnung von Atomen in einem Festkörper. Gitterfehler sind Abweichungen von dieser idealen Anordnung.

Details:

• Kristallgittertypen: kubisch-raumzentriert (bcc), kubisch-flächenzentriert (fcc), hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)
• Punktfehler: Leerstellen, Zwischengitteratome
• Linienfehler: Versetzungen (Randversetzungen, Schraubenversetzungen)
• Flächenfehler: Korngrenzen, Zwillingsgrenzen
• Volumenfehler: Poren, Ausscheidungen
• Einfluss von Gitterfehlern: mechanische Eigenschaften (Härte, Duktilität), elektrische Eigenschaften, Diffusion

Elektronische Eigenschaften und Bandtheorie

Definition:

Elektronische Eigenschaften eines Festkörpers werden durch das Verhalten der Elektronen im Kristallgitter bestimmt; Bandtheorie beschreibt dieses Verhalten durch Energiebänder und Bandlücken.

Details:

• Grundlagen der Bandtheorie: Valenz- und Leitungsband
• Bänderlücke und ihre Bedeutung für Leitfähigkeit: Halbleiter, Metalle, Isolatoren
• Bloch-Wellenfunktionen und Brillouin-Zone
• Fermi-Energie und ihre Rolle bei der Bestimmung der Leitfähigkeit
• Einfluss von Defekten und Dotierung auf elektronische Eigenschaften
• Beispielmaterialien: Silizium (als Halbleiter), Metalle wie Kupfer
• Grundlegende Gleichungen: \(E(k) = \frac{\hbar^2 k^2}{2m}\) (Energie eines freien Elektrons), \(\epsilon(k)\) (Energiebandstruktur)

Synthesemethoden von organometallischen Verbindungen

Definition:

Synthese von Verbindungen, die ein Metall-Kohlenstoff-Bindung enthalten.

Details:

• Grignard-Reaktionen: RMgX (X = Halogenid) mit Elektrophilen
• Hydrid-basierte Methoden: z.B. LiAlH₄, NaBH₄
• Carbonylkomplexe: Bildung durch Reaktion von Metallen mit CO
• Metathesereaktionen: Austausch von Liganden zwischen verschiedenen Metallkomplexen
• Oxidative Addition: Einführen eines Metallzentrums in eine bestehende Bindung
• Reduktive Eliminierung: Umkehrung der oxidativen Addition
• Alkenmetathese: Austausch von Alkenfragmenten zwischen Molekülen
• C-H-Aktivierung: Direktes Einführen eines Metalls in eine C-H-Bindung

Spektroskopische Techniken (NMR, IR, UV-Vis)

Definition:

Spektroskopische Techniken (NMR, IR, UV-Vis) zur Strukturaufklärung und Analyse von Verbindungen.

Details:

• NMR (Kernspinresonanzspektroskopie): Misst Wechselwirkungen von Kernspins in einem Magnetfeld. Relevant: Chemische Verschiebung (\delta), Kopplungskonstanten (J), Signalintensität.
• IR (Infrarotspektroskopie): Misst Molekülschwingungen. Relevant: Schwingungsbanden, Fingerprint-Bereich (600-1500 cm^-1), funktionelle Gruppen.
• UV-Vis (Ultraviolett- und Sichtbare Spektroskopie): Misst elektronische Übergänge. Relevant: Absorptionsmaxima (\lambda_max), Quantenausbeute, Molarer Absorptionskoeffizient (\epsilon).

Röntgenkristallographie

Definition:

Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von Kristallen.

Details:

• Verwendung von Röntgenstrahlen zur Analyse der Kristallstruktur
• Beugungsmuster und Fourier-Transformation zur Strukturaufklärung
• Berechnung der Elektronendichteverteilung
• Ermöglicht die Bestimmung der Positionen von Atomen im Kristallgitter
• Wichtige Formeln: Bragg-Gleichung \[n\lambda = 2d\sin(\theta)\]
• Voraussetzungen: Einzelkristalle hoher Qualität
• Anwendung: Materialwissenschaften, Chemie, Biologie

Halbleiter und elektronische Materialien

Definition:

Halbleiter-Materialien: Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen Isolatoren und Leitern. Genutzt zur Herstellung von elektronischen Geräten und Komponenten.

Details:

• Element-Halbleiter (z.B. Silizium, Germanium)
• Verbindungshalbleiter (z.B. GaAs, InP)
• Bandlücke: Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband
• Doping: Einbringen von Störstellen zur Modifikation der Leitfähigkeit
• p-Typ (Akzeptor-Dotierung) und n-Typ (Donator-Dotierung)
• Anwendungsbereiche: Chips, Transistoren, LEDs, Solarzellen

Katalysatoren und ihre industrielle Anwendung

Definition:

Katalysatoren: Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden. Wichtige Rolle in industriellen Prozessen zur Steigerung der Effizienz.

Details:

• Heterogene Katalysatoren: Feste Katalysatoren in Reaktionen mit gasförmigen oder flüssigen Reaktanten
• Homogene Katalysatoren: Katalysatoren in der gleichen Phase wie die Reaktanten (meistens flüssig)
• Beispiele: Haber-Bosch-Verfahren (Ammoniaksynthese), Kontaktverfahren (Schwefelsäureproduktion)
• Katalysatordeaktivierung: Verlust der Aktivität durch Vergiftung, Verkokung oder Sinterung
• Mechanismen: Adsorption, Diffusion, Oberflächenreaktionen

Präparation und Charakterisierung von Dünnschichten

Definition:

Methoden zur Herstellung und Untersuchung von Materialschichten im Nanometer- bis Mikrometerbereich

Details:

• Beschichtungsverfahren:
  • Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
  • Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
  • Molekularstrahlepitaxie (MBE)
  • Sol-Gel-Verfahren
• Charakterisierungsmethoden:
  • Röntgenbeugung (XRD)
  • Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Atomkraftmikroskopie (AFM)
  • Ellipsometrie
• Wichtige Parameter:
  • Dicke der Schicht
  • Komposition und Struktur
  • Oberflächenrauheit
  • Adhäsion