Feststoffe: Eigenschaften, Struktur, Dichte und Beispiele

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Feste Stoffe sind solche, die Körper bilden können und Volumen haben. Sie unterscheiden sich in ihrer Form von Flüssigkeiten und Gasen. Feststoffe beh alten die Form des Körpers, da sich ihre Partikel nicht frei bewegen können. Sie unterscheiden sich in ihrer Dichte, Plastizität, elektrischen Leitfähigkeit und Farbe. Sie haben auch andere Eigenschaften. So schmelzen beispielsweise die meisten dieser Stoffe beim Erhitzen und nehmen einen flüssigen Aggregatzustand an. Einige von ihnen verwandeln sich beim Erhitzen sofort in ein Gas (sublimieren). Es gibt aber auch solche, die sich in andere Stoffe zersetzen.

Feststoffarten

Alle Feststoffe werden in zwei Gruppen eingeteilt.

Amorph, bei dem einzelne Partikel zufällig angeordnet sind. Mit anderen Worten: Sie haben keine klare (definierte) Struktur. Diese Feststoffe können innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs schmelzen. Die häufigsten davon sind Glas und Harz.
Kristalline, die wiederum in 4 Typen unterteilt werden: atomar, molekular, ionisch, metallisch. In ihnen sitzen die Teilchen nur nach einem bestimmten Muster, nämlich an den Knoten des Kristallgitters. Seine Geometrie in verschiedenen Substanzen kann stark variieren.

Feste kristalline Stoffe überwiegen in ihrer Anzahl gegenüber amorphen.

Arten kristalliner Feststoffe

Im festen Zustand haben fast alle Substanzen eine kristalline Struktur. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur. Kristallgitter in ihren Knoten enth alten verschiedene Partikel und chemische Elemente. In Übereinstimmung mit ihnen haben sie ihre Namen erh alten. Jeder Typ hat spezifische Eigenschaften:

Im atomaren Kristallgitter sind Teilchen eines Festkörpers kovalent gebunden. Es zeichnet sich durch seine Langlebigkeit aus. Aus diesem Grund haben solche Substanzen einen hohen Schmelz- und Siedepunkt. Dieser Typ umfasst Quarz und Diamant.
Im molekularen Kristallgitter zeichnet sich die Bindung zwischen Teilchen durch ihre Schwäche aus. Substanzen dieser Art zeichnen sich durch leichtes Sieden und Schmelzen aus. Sie sind flüchtig, wodurch sie einen bestimmten Geruch haben. Diese Feststoffe schließen Eis und Zucker ein. Die Bewegungen von Molekülen in solchen Festkörpern werden durch ihre Aktivität unterschieden.
Im Ionenkristallgitter an den Knoten wechseln sich die entsprechenden Teilchen ab, positiv geladen undNegativ. Sie werden durch elektrostatische Anziehung zusammengeh alten. Diese Art von Gitter existiert in Alkalien, Salzen, basischen Oxiden. Viele Stoffe dieser Art sind gut wasserlöslich. Aufgrund der ziemlich starken Bindung zwischen den Ionen sind sie feuerfest. Fast alle sind geruchlos, da sie sich durch Nichtflüchtigkeit auszeichnen. Stoffe mit einem Ionengitter können keinen elektrischen Strom leiten, da sie keine freien Elektronen enth alten. Ein typisches Beispiel für einen ionischen Feststoff ist Kochsalz. Ein solches Kristallgitter macht es spröde. Dies liegt daran, dass jede Verschiebung darin zum Auftreten von Ionenabstoßungskräften führen kann.
Im Metallkristallgitter an den Knoten befinden sich nur positiv geladene chemische Ionen. Zwischen ihnen befinden sich freie Elektronen, durch die thermische und elektrische Energie perfekt fließen. Aus diesem Grund zeichnen sich alle Metalle durch ein Merkmal wie Leitfähigkeit aus.

Allgemeine Konzepte eines starren Körpers

Feststoffe und Substanzen sind praktisch dasselbe. Diese Begriffe beziehen sich auf einen der 4 Aggregatzustände. Festkörper haben eine stabile Form und die Art der thermischen Bewegung von Atomen. Darüber hinaus machen letztere kleine Schwingungen in der Nähe der Gleichgewichtspositionen. Der Wissenschaftszweig, der sich mit dem Studium der Zusammensetzung und inneren Struktur befasst, wird als Festkörperphysik bezeichnet. Es gibt andere wichtige Wissensgebiete, die sich mit solchen Stoffen befassen. Die Formänderung unter äußeren Einflüssen und Bewegung nennt man die Mechanik eines verformbaren Körpers.

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Festkörpern haben sie in verschiedenen technischen Geräten, die von Menschenhand geschaffen wurden, Anwendung gefunden. Meistens basierte ihre Verwendung auf Eigenschaften wie Härte, Volumen, Masse, Elastizität, Plastizität, Zerbrechlichkeit. Die moderne Wissenschaft erlaubt die Verwendung anderer Feststoffqualitäten, die nur im Labor zu finden sind.

Was sind Kristalle

Kristalle sind feste Körper mit Partikeln, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Jede chemische Substanz hat ihre eigene Struktur. Seine Atome bilden eine dreidimensionale periodische Anordnung, die als Kristallgitter bezeichnet wird. Festkörper haben unterschiedliche strukturelle Symmetrien. Der kristalline Zustand eines Festkörpers wird als stabil angesehen, da er eine minimale potentielle Energie hat.

Die überwiegende Mehrheit fester Materialien (natürlicher) besteht aus einer großen Anzahl zufällig orientierter Einzelkörner (Kristallite). Solche Substanzen werden als polykristallin bezeichnet. Dazu gehören technische Legierungen und Metalle sowie viele Gesteine. Monokristallin bezieht sich auf einzelne natürliche oder synthetische Kristalle.

Am häufigsten entstehen solche Feststoffe aus dem Zustand der flüssigen Phase, repräsentiert durch eine Schmelze oder Lösung. Manchmal werden sie aus dem gasförmigen Zustand gewonnen. Dieser Vorgang wird Kristallisation genannt. Dank des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts hat das Verfahren zur Züchtung (Synthese) verschiedener Substanzen einen industriellen Maßstab erreicht. Die meisten Kristalle haben eine natürliche Form in regelmäßiger FormPolyeder. Ihre Größen sind sehr unterschiedlich. So kann natürlicher Quarz (Bergkristall) bis zu Hunderte von Kilogramm wiegen und Diamanten bis zu mehreren Gramm.

In amorphen Festkörpern schwingen Atome ständig um zufällig angeordnete Punkte. Sie beh alten eine gewisse Nahordnung bei, aber es gibt keine Fernordnung. Das liegt daran, dass sich ihre Moleküle in einem Abstand befinden, der mit ihrer Größe vergleichbar ist. Das häufigste Beispiel für einen solchen Feststoff in unserem Leben ist der glasige Zustand. Amorphe Stoffe werden oft als Flüssigkeiten mit unendlich hoher Viskosität betrachtet. Die Zeit ihrer Kristallisation ist manchmal so lang, dass sie gar nicht erscheint.

Es sind die oben genannten Eigenschaften dieser Substanzen, die sie einzigartig machen. Amorphe Feststoffe gelten als instabil, da sie mit der Zeit kristallin werden können.

Die Moleküle und Atome, aus denen ein Festkörper besteht, sind in hoher Dichte gepackt. Sie beh alten praktisch ihre gegenseitige Position relativ zu anderen Teilchen bei und werden durch intermolekulare Wechselwirkung zusammengeh alten. Der Abstand zwischen den Molekülen eines Festkörpers in verschiedenen Richtungen wird als Gitterparameter bezeichnet. Die Struktur der Materie und ihre Symmetrie bestimmen viele Eigenschaften, wie das Elektronenband, die Sp altung und die Optik. Wenn eine ausreichend große Kraft auf einen Festkörper ausgeübt wird, können diese Eigenschaften bis zu einem gewissen Grad verletzt werden. In diesem Fall erfährt der Festkörper eine bleibende Verformung.

Festkörperatome führen oszillierende Bewegungen aus, die ihren Besitz an thermischer Energie bestimmen. Da sie vernachlässigbar sind, können sie nur unter Laborbedingungen beobachtet werden. Die Molekularstruktur eines Festkörpers hat einen großen Einfluss auf seine Eigenschaften.

Untersuchung von Feststoffen

Merkmale, Eigenschaften dieser Substanzen, ihre Eigenschaften und die Bewegung von Teilchen werden von verschiedenen Teilbereichen der Festkörperphysik untersucht.

Für die Studie werden verwendet: Radiospektroskopie, Strukturanalyse mit Röntgenstrahlen und andere Methoden. So werden die mechanischen, physikalischen und thermischen Eigenschaften von Festkörpern untersucht. Härte, Belastbarkeit, Zugfestigkeit, Phasenumwandlungen werden von der Materialwissenschaft untersucht. Es spiegelt weitgehend die Festkörperphysik wider. Es gibt noch eine weitere wichtige moderne Wissenschaft. Die Untersuchung bestehender und die Synthese neuer Substanzen erfolgt durch Festkörperchemie.

Eigenschaften von Festkörpern

Die Art der Bewegung der äußeren Elektronen der Atome eines Festkörpers bestimmt viele seiner Eigenschaften, zum Beispiel elektrische. Es gibt 5 Klassen solcher Körper. Sie werden abhängig von der Art der Atombindung gesetzt:

Ionen, deren Haupteigenschaft die Kraft der elektrostatischen Anziehung ist. Seine Eigenschaften: Reflexion und Absorption von Licht im Infrarotbereich. Bei niedrigen Temperaturen zeichnet sich die Ionenbindung durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit aus. Ein Beispiel für eine solche Substanz ist das Natriumsalz der Salzsäure (NaCl).
Kovalent,erfolgt durch ein Elektronenpaar, das zu beiden Atomen gehört. Eine solche Bindung ist unterteilt in: einfach (einfach), doppelt und dreifach. Diese Namen weisen auf das Vorhandensein von Elektronenpaaren (1, 2, 3) hin. Doppel- und Dreifachbindungen werden Mehrfachbindungen genannt. Es gibt eine andere Unterteilung dieser Gruppe. Je nach Verteilung der Elektronendichte werden also polare und unpolare Bindungen unterschieden. Das erste wird von verschiedenen Atomen gebildet, und das zweite ist dasselbe. Ein solcher Festkörper, Beispiele hierfür sind Diamant (C) und Silizium (Si), zeichnet sich durch seine Dichte aus. Die härtesten Kristalle gehören spezifisch zur kovalenten Bindung.
Metallisch, gebildet durch die Verbindung der Valenzelektronen von Atomen. Dadurch entsteht eine gemeinsame Elektronenwolke, die unter dem Einfluss elektrischer Spannung verschoben wird. Eine metallische Bindung wird gebildet, wenn die gebundenen Atome groß sind. Sie sind in der Lage, Elektronen abzugeben. In vielen Metallen und Komplexverbindungen bildet diese Bindung einen festen Aggregatzustand. Beispiele: Natrium, Barium, Aluminium, Kupfer, Gold. Von den nichtmetallischen Verbindungen sind folgende zu nennen: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Stoffe mit metallischer Bindung (Metalle) sind in ihren physikalischen Eigenschaften vielfältig. Sie können flüssig (Hg), weich (Na, K), sehr hart (W, Nb) sein.
Molekular, entstehend in Kristallen, die aus einzelnen Molekülen eines Stoffes gebildet werden. Es ist durch Lücken zwischen Molekülen mit einer Elektronendichte von Null gekennzeichnet. Die Kräfte, die Atome in solchen Kristallen binden, sind erheblich. Die Moleküle werden angezogennur durch schwache intermolekulare Anziehung zueinander. Deshalb werden die Bindungen zwischen ihnen beim Erhitzen leicht zerstört. Die Bindungen zwischen Atomen sind viel schwieriger zu brechen. Molekulare Bindung wird in Orientierung, Dispersion und induktiv unterteilt. Ein Beispiel für eine solche Substanz ist festes Methan.
Wasserstoff, der zwischen den positiv polarisierten Atomen eines Moleküls oder seines Teils und dem kleinsten negativ polarisierten Teilchen eines anderen Moleküls oder anderen Teils auftritt. Diese Bindungen beinh alten Eis.

Festkörpereigenschaften

Was wissen wir heute? Wissenschaftler haben lange die Eigenschaften des Festkörpers untersucht. Unter Temperatureinwirkung verändert es sich ebenfalls. Den Übergang eines solchen Körpers in eine Flüssigkeit nennt man Schmelzen. Die Umwandlung eines festen in einen gasförmigen Zustand nennt man Sublimation. Wenn die Temperatur gesenkt wird, tritt die Kristallisation des Feststoffs auf. Einige Stoffe gehen unter Kälteeinfluss in die amorphe Phase über. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang Vitrifikation.

Bei Phasenübergängen ändert sich die innere Struktur von Festkörpern. Die größte Ordnung nimmt es mit abnehmender Temperatur an. Bei atmosphärischem Druck und Temperatur T > 0 K verfestigen sich alle in der Natur vorkommenden Substanzen. Eine Ausnahme von dieser Regel bildet nur Helium, das zur Kristallisation einen Druck von 24 atm benötigt.

Der feste Zustand der Materie verleiht ihr verschiedene physikalische Eigenschaften. Sie charakterisieren das spezifische Verh alten von Körpernunter dem Einfluss bestimmter Felder und Kräfte. Diese Eigenschaften sind in Gruppen eingeteilt. Es gibt 3 Expositionswege, die 3 Energiearten entsprechen (mechanisch, thermisch, elektromagnetisch). Dementsprechend gibt es 3 Gruppen physikalischer Eigenschaften von Festkörpern:

Mechanische Eigenschaften im Zusammenhang mit Stress und Belastung des Körpers. Nach diesen Kriterien werden Feststoffe in elastische, rheologische, feste und technologische Feststoffe eingeteilt. Im Ruhezustand behält ein solcher Körper seine Form, kann sich aber unter Einwirkung einer äußeren Kraft verändern. Gleichzeitig kann seine Verformung plastisch (die ursprüngliche Form kehrt nicht zurück), elastisch (kehrt in seine ursprüngliche Form zurück) oder destruktiv sein (wenn eine bestimmte Schwelle erreicht wird, tritt Zerfall / Bruch auf). Die Reaktion auf die aufgebrachte Kraft wird durch den Elastizitätsmodul beschrieben. Ein Festkörper widersteht nicht nur Kompression, Dehnung, sondern auch Verschiebungen, Torsion und Biegung. Die Stärke eines festen Körpers ist seine Eigenschaft, Zerstörung zu widerstehen.
Thermal, manifestiert sich, wenn es thermischen Feldern ausgesetzt wird. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist der Schmelzpunkt, bei dem der Körper in einen flüssigen Zustand übergeht. Es wird in kristallinen Feststoffen beobachtet. Amorphe Körper haben eine latente Schmelzwärme, da ihr Übergang in einen flüssigen Zustand mit zunehmender Temperatur allmählich erfolgt. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur verliert der amorphe Körper seine Elastizität und wird plastisch. Dieser Zustand bedeutet, dass es die Glasübergangstemperatur erreicht hat. Beim Erhitzen kommt es zur Verformung des Festkörpers. Und meistens dehnt es sich aus. Quantitativ dazuder Zustand ist durch einen bestimmten Koeffizienten gekennzeichnet. Die Körpertemperatur beeinflusst mechanische Eigenschaften wie Fließfähigkeit, Duktilität, Härte und Festigkeit.
Elektromagnetisch, verbunden mit dem Aufprall von Strömungen von Mikropartikeln und elektromagnetischen Wellen hoher Steifigkeit auf eine feste Substanz. Strahlungseigenschaften werden auch bedingt darauf bezogen.

Zonenstruktur

Feststoffe werden auch nach der sogenannten Bandstruktur klassifiziert. Unter ihnen unterscheiden sie also:

Leiter, dadurch gekennzeichnet, dass sich ihre Leitungs- und Valenzbänder überlappen. In diesem Fall können sich Elektronen zwischen ihnen bewegen und erh alten die geringste Energie. Alle Metalle sind Leiter. Wenn an einen solchen Körper eine Potentialdifferenz angelegt wird, entsteht ein elektrischer Strom (aufgrund der freien Bewegung von Elektronen zwischen Punkten mit dem niedrigsten und dem höchsten Potential).
Dielektrika, deren Zonen sich nicht überschneiden. Das Intervall zwischen ihnen übersteigt 4 eV. Es wird viel Energie benötigt, um Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband zu leiten. Aufgrund dieser Eigenschaften leiten Dielektrika praktisch keinen Strom.
Halbleiter, die durch das Fehlen von Leitungs- und Valenzbändern gekennzeichnet sind. Der Abstand zwischen ihnen beträgt weniger als 4 eV. Um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu übertragen, wird weniger Energie benötigt als bei Dielektrika. Reine (undotierte und native) Halbleiter lassen Strom nicht gut durch.

Die Bewegungen von Molekülen in Festkörpern bestimmen ihre elektromagnetischen Eigenschaften.

AndereEigenschaften

Festkörper werden auch nach ihren magnetischen Eigenschaften unterteilt. Es gibt drei Gruppen:

Diamagnete, deren Eigenschaften wenig von Temperatur oder Aggregatzustand abhängen.
Paramagnete, die aus der Orientierung von Leitungselektronen und magnetischen Momenten von Atomen resultieren. Nach dem Curie-Gesetz nimmt ihre Suszeptibilität proportional zur Temperatur ab. Bei 300 K ist es also 10-5.
Körper mit einer geordneten magnetischen Struktur, mit einer Fernordnung von Atomen. An den Knoten ihres Gitters befinden sich periodisch Teilchen mit magnetischen Momenten. Solche Feststoffe und Substanzen werden oft in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit verwendet.

Die härtesten Substanzen der Natur

Was sind sie? Die Dichte von Feststoffen bestimmt maßgeblich ihre Härte. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mehrere Materialien entdeckt, die für sich in Anspruch nehmen, der „beständigste Körper“zu sein. Die härteste Substanz ist Fullerit (ein Kristall mit Fullerenmolekülen), der etwa 1,5-mal härter als Diamant ist. Leider ist es derzeit nur in äußerst geringen Mengen verfügbar.

Der härteste Stoff, der in Zukunft in der Industrie eingesetzt werden kann, ist heute Lonsdaleit (sechseckiger Diamant). Es ist 58 % härter als Diamant. Lonsdaleit ist eine allotrope Modifikation von Kohlenstoff. Sein Kristallgitter ist dem Diamant sehr ähnlich. Eine Lonsdaleit-Zelle enthält 4 Atome, während ein Diamant 8 enthält. Von den weit verbreiteten Kristallen ist Diamant auch heute noch der härteste.