Solid

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Partikelmodel af et fast stof
Kvasi-periodisk krystal , som undersøgt af Nobelpristageren i kemi (2011) Dan Shechtman .

I naturvidenskaberne refererer fast (også fast ) til stof i fast aggregeringstilstand . [1] I snævrere forstand inkluderer dette også et stof, der har en fast aggregeringstilstand ved en temperatur på 20 ° C, hvorved udtrykket faststof i dette tilfælde er substansspecifikt, men ikke temperaturspecifikt. I teknisk sprogbrug har faste stoffer en vis minimumsdimension , men dette er ikke klart defineret. De er derfor makroskopiske kroppe - i modsætning til mikroskopiske kroppe. For eksempel betragtes et makromolekyle normalt ikke som et fast stof i sig selv. Materiale i overgangsområdet kaldes en klynge .

Ægte faste stoffer er deformerbare ( elastiske eller plastiske ) af kræfter, i modsætning til idealiserede stive kroppe . Alle faste stoffer er sammensat af byggesten. Sådanne elementære dele kan være individuelle atomer eller molekyler , men også grupper deraf. Hvis alle komponenter er af samme type, taler man om monostrukturer , ellers om heterostrukturer . Egenskaberne for faste stoffer adskiller sig betydeligt fra egenskaberne af frie partikler eller opløsninger på grund af den indbyrdes vekselvirkning mellem stofets byggesten. En særlig egenskab ved faste stoffer er stabiliteten i rækkefølgen ( amorf eller krystallinsk ) af deres byggesten. En anden struktur af de samme byggesten - ændringen - påvirker væsentligt egenskaberne af det faste stof.

Fysik i fast tilstand omhandler stofets fysik i fast tilstand som et specielt tilfælde af kondenseret stof, der omslutter væsker . Materialevidenskaben beskæftiger sig hovedsageligt med de fysiske og kemiske egenskaber ved faste stoffer. Ud over den kemiske sammensætning af eksisterende materialer er kemikalier i fast tilstand særlig interesseret i syntesen af nye materialer. Disciplinerne er ikke skarpt afgrænset hverken fra hinanden eller fra mineralogi , metallurgi og krystallografi .

Typer

Der skelnes mellem amorfe ("formløse" i den mindste skala) og krystallinske (bestående af krystaller ) faste stoffer. Fysik i fast tilstand omhandler hovedsageligt egenskaberne af enkeltkrystallinske og polykrystallinske faste stoffer.

Enkeltkrystaller

Med enkeltkrystaller består hele kroppen af ​​en enkelt krystal. Der er en regelmæssig, mere præcist en, der er periodisk i alle dimensioner, af sine byggesten. Arten af ​​den underliggende struktur er ansvarlig for mange egenskaber ved et fast stof. For eksempel har kulstof to forskellige krystalstrukturer - grafit og diamant - som har helt forskellige elektriske ledningsevner (grafit leder elektricitet, diamant er en isolator ). Nogle mineraler forekommer som naturlige enkeltkrystaller med en karakteristisk ydre form.

Kvasikrystaller

Opdaget af Dan Shechtman og tildelt Nobelprisen i kemi i 2011, er kvasikrystaller en ny type faststof. Kvasikrystaller er aperiodiske, men har en kort rækkefølge med en fem-, otte-, ti- eller tolvfoldig symmetri . Eksempler på systemer med en kvasi-krystallinsk struktur er aluminium-metallegeringer og Cd 5,7 Yb, Cd 5,7 Ca i en icosahedral struktur og Ta 1,6 Te i en dodecahedral struktur. Fordi denne fase kun er stabil i meget snævre blandingsområder af grundstofferne, kan kvasikrystaller normalt også tælles blandt de intermetalliske forbindelser .

Amorfe faste stoffer

Fysikken i amorfe faste stoffer er flerlags, fordi den omfatter alle faste stoffer, der ikke har en regelmæssig struktur. De fleste glas eller nogle størknede væsker er blot nogle få af repræsentanterne for denne type. Med tabet af en makroskopisk orden går mange typiske egenskaber ved en krystal også tabt. For eksempel er de fleste amorfe faste stoffer gode isolatorer til elektricitet og varme og er ofte sprøde . Ikke desto mindre er denne type faststof et interessant forskningsområde, da mangel på krystalstruktur også betyder mangel på anisotropiske effekter. Amorfe faser er for det meste i en "frossen" metastabil tilstand og ændrer deres struktur og egenskaber med højere temperaturer.

Polykrystallinske faste stoffer

Krystallinsk og amorft er ikke de eneste mulige manifestationer af faste stoffer. Ind imellem er der et område, der repræsenterer en slags blandet form: de polykrystallinske faste stoffer. Disse består af en samling af små enkeltkrystaller, der er uordnede og forbundet til at danne en stor helhed. I metaller, men også i geologi , omtales de enkelte krystallitter ofte som korn, som adskilles fra hinanden ved uordnede korngrænser . Sammen danner de en solid struktur , som for eksempel kan genkendes ved gnisten fra forskellige korn i marmor . Teksturen beskriver orienteringen af ​​helheden af ​​kornene i det faste stof og er et mål for anisotropien i mange kemiske og fysiske egenskaber.
I tilfælde af polymerer er proportionerne af krystallinske og amorfe faser beskrevet af krystallisationsgraden .

Slips

Sammenhængen mellem et fast stof er baseret på en attraktiv (attraktiv) interaktion mellem atomer eller molekyler over lange afstande og en frastødende over korte. Den energisk mest gunstige afstand kaldes ligevægtsafstanden . Hvis atomernes termiske energi er for lav til at undslippe denne potentielle fælde, dannes stive arrangementer - atomerne er bundet til hinanden. Ligevægtsafstandene, der antages på denne måde, er karakteristiske for det respektive stof og ligger typisk i området fra ca. 0,1 nm til 0,3 nm. Enheden Ångström er meget almindelig i denne størrelsesorden (0,1 nm = 1 Å).

Der er i det væsentlige fire typer bindinger, der i væsentlig grad påvirker strukturen og egenskaberne af et fast stof:

Ionisk binding

Den ioniske binding opstår altid - i det mindste delvist - når det faste stof består af forskellige elementer, der har forskellig elektronegativitet . Det mere elektropositive element afgiver en elektron til det mere elektronegative element, så den ene bliver en anion og den anden bliver en kation . Forskellige ladninger forårsager en elektrostatisk tiltrækning , mens de samme ladningsbærere afviser hinanden. I det faste stof skifter anioner og kationer derfor eller danner en skal omkring hinanden. Salte er typiske repræsentanter for denne type binding.

Kovalent binding

Den kovalente binding , også kaldet atombinding, er baseret på sænkning af den potentielle energi i de elektroniske tilstande . Orbitalerne i de to bindingspartnere overlapper og deformeres for at muliggøre et arrangement med så mange tilstande med lav energi som muligt. Princippet er det samme som for dannelse af molekyler (f.eks. O 2 ). Elementer i den fjerde hovedgruppe ( kulstof , silicium , germanium ) er bundet på denne måde. Elektronernes tilstand omtales da også som sp 3 -hybridisering . Molekyler består af kæder af kovalente bindinger, der påvirker hinanden og kan opdeles i forskellige konformationer eller generelle stereoisomerer .

Metalbinding

Metalbindingen er et ekstremt tilfælde af den kovalente binding. Denne binding skyldes også en sænkning af de elektroniske staters potentielle energi. Kun her er overlapningen af ​​atomernes orbitaler så stor, at de også interagerer med dem hos deres næste-men-en (eller endnu flere) naboer. For en klynge er en rækkefølge med lang rækkevidde, der kan beskrives med et gitter ( krystalstruktur ) ofte den mest stabile energimæssigt. Nogle elektroner er delokaliseret og kan ikke tildeles en atomkerne. Delokaliserede elektroner kan passere energi meget hurtigt gennem plasmoner . Billedligt talt er atomernes ionkerner indlejret i en sø af elektroner. Som navnet antyder, danner metaller denne binding.

Van der Waals obligation

Van der Waals -interaktioner forekommer altid, men de er så svage, at de kun bliver så mærkbare i fravær af andre typer bindinger, at man kan tale om ægte van der Waals -bindinger. Den attraktive kraft er en komponent i de samlede elektrostatiske interaktioner, som falder med den gensidige afstand til den 7. effekt og er forårsaget af lokalt inducerede dipolmomenter i elektrontætheden. Ædelgas og molekylære krystaller holdes kun sammen af ​​disse. Van der Waals -interaktioner er blandt de dispersionsinteraktioner, der er forårsaget i båndet eller orbitalmodellen fra forstyrrende bidrag af 2. og højere orden af ​​den interelektroniske frastødning.

Disse typer tilknytning er på ingen måde isolerede tilfælde, der kun forekommer enten-eller. Overgangen fra ioniske til kovalente til metalliske bindinger er flydende. Derudover kan forskellige bindinger forekomme side om side i faste stoffer. Grafit f.eks. B. består af lag af kovalent bundne carbonatomer, mens lagene som helhed holdes sammen af ​​van der Waals -bindinger. Da sidstnævnte binding er så svag, bruges grafit som blyant - bindinger rives, når de gnides over papir. Krystalstrukturer med forskellige typer bindinger kaldes heterodesmiske, dem med kun en type binding kaldes homodesmisk. En simpel matematisk model for den potentielle energi fra to neutrale bindingspartnere (atomer eller molekyler) er Lennard-Jones-potentialet .

overflader

Med overfladen betyder man de sidste 1-3 atomlag på grænsen til vakuumet. Manglen på bindingspartnere til den ene side resulterer normalt i en afslapning , rekonstruktion eller rekombination for atomer i disse lag. Atomer forsøger at adoptere en energisk mere gunstig tilstand ved at ændre deres bindingslængde til dybere lag (afslapning) eller ved at omarrangere deres positioner og mætte åbne bindinger (rekombination). Resultatet er nye overfladestrukturer, der kan have en anden periodicitet end substratet (dybere lag).

En anden særlig egenskab er udseendet af overfladeforhold . Det betyder, at i de ellers energisk forbudte områder - båndgabene - kan der opstå tilladte energitilstande for elektroner . I tilfælde af halvledere får disse nye tilstande båndene til at bøje og dermed ændre den elektriske ledningsevne. Dette kan føre til ledningskanaler, som f.eks. Bruges til felteffekttransistorer .

Egenskaber ved faste stoffer

Elektrisk ledningsevne

Afhængigt af deres elektriske ledningsevne kan faste stoffer opdeles i ledere, halvledere og ikke-ledere. Denne klassificering var historisk bestemt. En forklaring på forskellene i ledningsevne kunne imidlertid kun leveres af båndmodellen . I dag bestemmes derfor gruppetildelingen af ​​størrelsen på båndgabet . Den elektriske ledningsevne er en af ​​de mest variable størrelser i fysik, de mulige værdier strækker sig over mere end 30 størrelsesordener. De fleste ikke-magnetiske faste stoffer viser en anden fantastisk effekt ved meget lave temperaturer: under en kritisk temperatur forsvinder den elektriske modstand fuldstændigt, denne tilstand kaldes den superledende fase.

stige
Næsten alle metaller er elektrisk gode ledere og har ingen båndgab. Ledningselektronerne opfører sig som om de kan bevæge sig frit i det faste stof. Når temperaturen stiger, falder ledningsevnen, hvilket kan forklares med elektronernes øgede påvirkning med gittervibrationerne.
halvleder
Det mest markante træk ved ledningsevnen for halvledere er deres stærke afhængighed af interne ( renhedsgrad ) såvel som eksterne parametre ( temperatur ). I tilfælde af rene (iboende) halvledere stiger konduktiviteten kraftigt med stigende temperatur - ofte med en størrelsesorden med en forskel på omkring 20 K. Ud over elektroner bidrager såkaldte defektelektroner , også kaldet huller, til ledningsevnen. Ladebærertætheden af huller og elektroner er den samme i iboende halvledere, men forholdet kan ændres på den ene side ved målrettet kontaminering ( doping ). Båndgabet er i størrelsesordenen 0,1 til e 4 eV . [2]
Ikke-ledere
Isolatorer leder praktisk talt ingen elektrisk strøm under normale forhold. Selv en høj ekstern spænding inducerer kun meget små strømme ved ladningsbærere i dielektrikummet. Et båndgab større end 4 eV, en høj nedbrydningsspænding og smeltepunkter er karakteristiske.

Deformabilitet

I modsætning til væsker og gasser er partiklerne i den faste aggregeringstilstand kun minimalt indbyrdes forskydelige - ifølge deres krystallignende fine struktur . Sådanne deformationer er svære at modellere i mindste detalje, men de følger klare love over millioner eller billioner af partikler. De er relateret til elasticiteten og dens moduler samt til formen og dimensionen af ​​kroppen, der skal deformeres.

Et idealiseret fast stof, der bruges som model for et fast stof i klassisk mekanik, er det stive legeme . Det er ikke udsat for deformationer, men forekommer ikke i naturen . I de fleste tilfælde er det en god model for de virkelige objekter i vores miljø. Den ægte solide krop har derimod normalt ikke en simpel deformerbarhed, men derimod en retningsafhængig deformerbarhed. Dette dækker f.eks. Solid-state fysik.

Reaktivitet

Sammenlignet med reaktioner i opløsning er reaktioner i fast tilstand normalt karakteriseret ved meget høje aktiveringsbarrierer . Årsagen er reaktionsmekanismen, ifølge hvilken faststofreaktioner finder sted: Hullerne i krystalgitteret bevæger sig som i et "glidende puslespil". Til dette skal krystalstrukturen deformeres, hvilket forårsager meget energi.

Andre ejendomme

Andre typiske egenskaber ved faste stoffer er deres ledningsevne for varme eller elektrisk strøm . Disse to ejendomme er normalt tæt forbundet.

Fast ved højt tryk

Under påvirkning af høje tryk [3] ændres faste stoffer fra normalfasen med ændringer i egenskaber til en højtryksfase, eller der opstår andre ændringer af stoffet. Eksempler på dette er omdannelse af grafit til diamant ved et tryk på mere end 60 kbar eller omdannelse af a- bornitrid til β-bornitrid (borazon). Ved et tryk på over 150 kbar viser silicium et drastisk fald i modstand og ændres til en metallisk højtryksmodifikation med en β-tin struktur. Den natrium klorid gitter af kalium halogenider transformationer ind i cæsiumchlorid gitter ved et tryk på mere end 20 kbar. Generelt, når der udøves tryk, bevæger partiklerne i det faste stof sig i tættere pakning kombineret med en stigning i koordinationsnummeret . Kovalente bindinger bliver ofte til metalliske bindinger med delokaliserede elektroner. Højtryksprocesser er egnede til produktion eller krystalvækst af forbindelser, som derefter er metastabile selv under normalt tryk, for eksempel til fremstilling af kunstige diamanter.

litteratur

  • Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lærebog i eksperimentel fysik. Bind 6: faste stoffer. 2., revideret udgave. Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5 .
  • Markus Schwoerer, Hans Christoph Wolf: Organiske molekylære faste stoffer. Introduktion til fysikken i pi -systemer. Viley-VCH Verlag, Weinheim 2005, ISBN 3-527-40539-9 .

Se også

Weblinks

Individuelle beviser

  1. ^ Brockhaus ABC kemi. FA Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, s. 405.
  2. ^ Egon Wiberg , Nils Wiberg : Lærebog i uorganisk kemi . 101., verb. og stærk eksp. Udgave. Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 .
  3. Klaus-Jürgen Range: Kemikalie i fast tilstand ved højt tryk . tape   10 , nej.   6 , 1976, s.   180-188 , doi : 10.1002 / ciuz.19760100604 .