Feststoffe
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Feststoffe und ihre Eigenschaften
In der Natur begegnen uns verschiedene Zustände, in denen Stoffe vorliegen können. Diese werden als Aggregatzustände bezeichnet. Einer dieser Zustände ist der feste Zustand. In diesem Zustand haben die Moleküle einen festen und meist geordneten Platz. Die Teilchen in einem Feststoff ziehen sich durch anziehende Wechselwirkungen gegenseitig stark an und sind deshalb eng miteinander verbunden. Einzelne Moleküle im Feststoff schwingen bei Raumtemperatur lediglich um ihre Gleichgewichtspositionen. Bei höheren Temperaturen schmelzen Feststoffe in der Regel und werden flüssig. Bei weiterem Erhitzen werden sie gasförmig. Flüssig und gasförmig sind neben dem festen Zustand zwei weitere Aggregatzustände.
Kristallstruktur
Die meisten Feststoffe besitzen eine geordnete Struktur, die als Kristallgitter bezeichnet wird.
Das Kristallgitter repräsentiert die regelmäßige, dreidimensionale Anordnung der Atome, Ionen oder Moleküle in einem Kristall.
Diese Anordnung der Teilchen führt zu spezifischen Eigenschaften wie Härte, Schmelzpunkt und optischen Eigenschaften. Allgemein wird zwischen Ionenkristallen, Molekülkristallen und Kristallen von Metallen unterschieden.
- Ionenkristalle: Hier wird das Kristallgitter abwechselnd von positiv und negativ geladenen Ionen besetzt. Durch die hohe elektrostatische Anziehung der entgegengesetzten Ladungen und die starre Anordnung der Ionen haben diese Kristalle hohe Schmelzpunkte und sind sehr hart und spröde. Ein Beispiel hierfür ist unser Speisesalz Natriumchlorid ($\ce{NaCl}$).
- Molekülkristalle: Diese Kristalle bestehen – wie es der Name schon sagt – aus Molekülen. Die Anziehungskräfte resultieren aus Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und sind, da es sich um keine ganzen Ladungen handelt, schwächer als die der Ionenkristalle. Ein Beispiel hierfür ist der Haushaltszucker (Saccharose).
Kristalle von Metallen: Bei dieser Art von Kristallen gibt es das Modell des Elektronengases (auch Elektronenwolke genannt). Hierbei teilen sich die Metallatome ihre Valenzelektronen in einer alle Atome umgebenden Elektronenwolke. Die positiv geladenen Metallionen nehmen feste Plätze ein, die Elektronen können sich frei im Kristall bewegen. Im Gegensatz zu Ionenkristallen sind Kristalle von Metallen gut verformbar, was auch beim Schmieden beobachtet werden kann. Dies liegt daran, dass alle Metallionen gleich sind und sich somit leicht innerhalb ihres Kristallgitters verschieben lassen, ohne gegenseitige Anziehungskräfte aufzubrechen. Die Stärke der Bindungen und folglich auch die Verformbarkeit sind abhängig davon, wie viele Elektronen abgegeben werden. Alkalimetalle, die zum Beispiel nur ein Elektron abgeben, sind sehr leicht verformbar. Das frei bewegliche Elektronengas erklärt die sehr gute Leitfähigkeit von Metallen.${^1}$ Die Kristallstruktur kann viele Formen annehmen:
triklin (drei verschieden lange Seiten und drei verschieden große, nicht rechtwinklige Winkel),
- monoklin (orthorhombisch mit einem nicht rechten Winkel),
- orthorhombisch (Würfel mit drei verschiedenen Seitenlängen),
- tetragonal (quaderförmig),
- trigonal,
- trigonal/hexagonal (Quader, dessen Grundfläche mit einem 120-Grad-Winkel verzerrt wurde) und
- kubisch (würfelförmig).
Die Kristallstruktur beeinflusst die äußere Form des Kristalls. Die regelmäßige Anordnung der Bausteine im Kristallgitter führt zu einer symmetrischen und charakteristischen äußeren Form des Kristalls. Siehst du also einen würfelförmigen Kristall, ist es naheliegend, dass dieser aus einer kubischen Kristallstruktur aufgebaut ist. Ein Beispiel hierfür ist der Kristall des Minerals Halit, der aus dem kubischen $\ce{NaCl}$ besteht. Der Kristall sieht aus wie ineinander verwachsene Würfel.
Amorphe Stoffe
Neben kristallinen Feststoffen existieren auch amorphe Stoffe. Diese weisen keine regelmäßige Struktur von Atomen, Molekülen oder Ionen auf und sind eher ungeordnet. Beispiele hierfür sind Glas und einige Kunststoffe. Amorphe Stoffe zeigen oft unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu kristallinen Feststoffen, sie haben beispielsweise keinen klar definierten Schmelzpunkt.${^1}$
Modifikationen und ihre Strukturen
Manche Stoffe können in unterschiedlichen Formen existieren, abhängig von äußeren Bedingungen wie Temperatur und Druck. Diese verschiedenen Formen werden als Modifikationen bezeichnet.
Ein Beispiel – Zinn und die Zinnpest
Ein Beispiel hierfür ist das Metall Zinn. Bei Raumtemperatur hat Zinn eine stabile kristalline Modifikation. Jedoch kann es bei tieferen Temperaturen in eine andere Modifikation übergehen, die weniger dicht ist und eine hexagonale Struktur aufweist. In der Geschichte der Orgelbaukunst stieß man deswegen auf ein ungewöhnliches Phänomen namens Zinnpest. Historische Orgelpfeifen aus Zinn zeigten mit der Zeit Veränderungen in ihrer Struktur. Dies ist auf die Umwandlung der stabilen kristallinen Modifikation von Zinn in die weniger dichte hexagonale Modifikation zurückzuführen, die bei niedrigen Temperaturen auftritt. Die Zinn-Blei-Legierung kann von dieser Modifikation betroffen sein und in einem Prozess, der als Zinnpest bekannt ist, spröde und zerbrechlich werden. Das Problem ist nämlich, dass beide Modifikationen wie bereits erwähnt eine unterschiedliche Dichte haben und die Orgelpfeifen durch die daraus entstehenden Spannungen Schaden nehmen. Um die Zinnpest zu verhindern, sind Maßnahmen wie die Erhöhung der Lagerungstemperatur und die Verwendung von Legierungen mit höherem Anteil an Blei notwendig. Dieses historische Problem verdeutlicht, wie wichtig es ist, die Modifikationen von Materialien zu verstehen und geeignete Vorkehrungen zu treffen, um unerwünschte Veränderungen zu verhindern.
Eine kleine Zusammenfassung
In der Chemie der Feststoffe offenbaren sich faszinierende Strukturen und Eigenschaften, die nicht nur theoretisch interessant sind, sondern auch praktische Auswirkungen auf die Materialwissenschaft und Industrie haben. Die Untersuchung von Feststoffen und ihren Modifikationen trägt dazu bei, innovative Lösungen für Herausforderungen in verschiedenen Bereichen zu finden.
${^1}$ Mortimer, C. E. & Müller, U. (2020). Chemie: das Basiswissen der Chemie. https://doi.org/10.1055/b-006-163279.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Feststoffe
Im festen Aggregatzustand hat ein Stoff immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Du kannst ihn also in der Regel schwer verformen. Die Teilchen bewegen sich kaum, sondern nehmen feste Plätze ein. Sie liegen sehr nah aneinander und ziehen sich gegenseitig stark an.
Ein Feststoff oder Festkörper ist ein Stoff, dessen Schmelzpunkt über 20 °C liegt, er hat also bei Raumtemperatur einen festen Aggregatzustand.
Ein Stoff ändert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur seinen Aggregatzustand. Geht der Stoff vom festen in den flüssigen Zustand über, nennen wir diesen Vorgang schmelzen. Wird der Stoff weiter erhitzt und geht in den gasförmigen Zustand über, nennen wir diesen Vorgang verdampfen.
Wärme ist die Bewegung der Teilchen (Atome oder Moleküle), aus denen ein Stoff besteht. Je wärmer ein Stoff ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Aus diesem Grund nehmen sie mehr Platz ein und der gesamte Stoff dehnt sich aus.
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Beschreibe unterschiedliche Arten von Feststoffen.
TippsDas zugrundeliegende Thema sind Feststoffe.
Viele Feststoffe besitzen ein Kristallgitter.
LösungFeste Stoffe zeichnen sich durch festgelegte Positionen der Atome im Raum aus. Die Atome können sich also nicht, wie bei Flüssigkeiten oder Gasen, durch Diffusion frei bewegen, sondern sie befinden sich an einer festen Position im Festkörper.
Jedes Atom hat daher eine festgelegte, bestimmte Umgebung von Nachbaratomen. Diese ist durch die Eigenschaften der Atome oder Ionen festgelegt.In einem kristallinen Feststoff liegt eine sehr hohe Ordnung der Atome vor. Es lassen sich Muster bestimmen, in denen die Atome angeordnet sind. In jede Raumrichtung folgen die Atome aufeinander in festgelegter Reihenfolge. Diese Struktur wird als Kristallgitter bezeichnet. Ein Beispiel dafür siehst du rechts im Bild.
Die Struktur von amorphen Stoffen lässt sich nicht durch Kristallgitter beschreiben. Auch hier sind einzelne Atome immer in gleicher Weise von anderen Atomen umgeben, es lässt sich jedoch keine festgelegte Reihenfolge finden, die sich in die drei Raumrichtungen unendlich fortsetzt. Die Ordnung der Atome ist in amorphen Stoffen also wesentlich niedriger.
Viele Stoffe kommen sowohl in amorpher als auch in kristalliner Form vor. Beim langsamen Abkühlen von Flüssigkeiten erhält man in der Regel Kristalle. Beim sehr schnellen Abkühlen können sich die Atome nich schnell genug im Kristallgitter anordnen und man erhält meist amorphe Feststoffe.
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Definiere den Begriff Modifikation.
TippsDiamant und Kohle sind utnerschiedliche Modifikationen von Kohlenstoff. Haben diese die gleichen Eigenschaften?
Weißer und roter Phosphor bestehen beide aus derselben Verbindung. Was aber unterscheidet sie strukturell voneinander?
LösungEin und derselbe Stoff kann in unterschiedlichen Modifikationen vorkommen. Da es sich um den gleichen Stoff handelt, kann dieser keine andere Zusammensetzung haben. In Modifikationen kommen Atome der gleichen Elemente in exakt den gleichen Stoffmengenanteilen vor. Daher kann man unterschiedliche Modifikationen an der chemischen Formel nicht unterscheiden! Häufig wird dies durch griechische Buchstaben, die die Modifikationen bezeichnen, kenntlich gemacht. So z.B. beim $\alpha$-Zinn und $\beta$-Zinn.
Die Modifikationen unterscheiden sich in der Anordnung der Atome im Festkörper. Daher können sie sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften haben. Sind beispielsweise die Atome weiter voneinander entfernt, hat die Modifikation eine geringere Dichte. Auch die elektrische Leitfähigkeit, die Farbe oder die Form können durch die Anordnung der Atome anders sein.
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Analysiere, welche Art von Feststoff hier beschrieben wird.
TippsWie hoch ist die Ordnung der Atome in den beiden Feststoffen?
LösungIn manchen Fällen ist es gar nicht einfach, zwischen kristallinen und amorphen Stoffen zu unterscheiden, da sie sich sehr ähnlich sein können. Das liegt daran, dass der Übergang häufig fließend ist. Der gleiche Stoff kann in amorpher und kristalliner Form vorkommen. Welche Form entsteht, wird häufig über die Geschwindigkeit bestimmt, mit der ein flüssiger Stoff abkühlt.
Kühlt er langsam ab oder kristallisiert ein Stoff aus einer Lösung aus, so haben die Atome Zeit genug, sich mittels Diffusion in die richtigen Positionen zu begeben. Ein Beispiel ist der Quarz, der zum Beispiel im sogenannten Bergkristall vorkommt. Dieser entsteht in vielen Millionen Jahren im Erdinneren bei hohem Druck und hoher Temperatur, die Bedingungen ändern sich nur langsam.
Anders sieht das bei Vulkanausbrüchen aus: Heißes, flüssiges Material tritt aus dem Erdinneren aus und kühlt sehr schnell ab. Dabei erstarren die Flüssigkeiten so schnell, dass die Atome nicht genügend Zeit haben, in die richtige Position zu diffundieren. Es entstehen also amorphe Feststoffe. Diese können auch aus sehr kleinen Kristallen aufgebaut sein. Sie sind jedoch so klein, dass keine gemeinsame Struktur der Atome in einem nennenswerten Teil des Feststoffes festgestellt werden kann.
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Erläutere ein Problem, vor dem viele Sammler von Zinnfiguren stehen.
TippsBenenne erst das Phänomen, bevor du es beschreibst.
LösungDie beiden Modifikationen des Zinn bestehen beide ausschließlich aus Zinn-Atomen. Diese ordnen sich jedoch in unterschiedlicher Art und Weise an. Die Atome bilden also unterschiedliche Kristallgitter.
Im $\alpha$-Zinn sind die Atome weiter voneinander entfernt als im $\beta$-Zinn. $\alpha$-Zinn hat daher eine höhere Dichte. Eine Menge an $\alpha$-Zinn hat also ein größeres Volumen als die exakt gleiche Menge an $\beta$-Zinn.
Bei Temperaturen unter 13,2°C geht $\beta$-Zinn langsam in $\alpha$-Zinn über. Dieser Vorgang geschieht langsam und nicht an allen Stellen gleichzeitig. In den Bereichen der Zinnfiguren, in denen die Umwandelung stattgefunden hat, hat sich das Zinn ausgedehnt, da es ja ein höheres Volumen hat als vorher. Diese Ausdehnung sprengt die Zinnfigur nach und nach förmlich auseinander. Das Ergebnis ist ein krümeliges, amorphes Material, das hauptsächlich aus $\alpha$-Zinn besteht. -
Nenne Beispiele für amorphe Stoffe.
TippsIm Glas können sich die Atome nur langsam bewegen.
Weist ein Puder eine feste Ordnung auf?
LösungBei Quarz handelt es sich, wie die Abbildung schon zeigt, um einen Kristall. Es handelt sich um eine Form von $SiO_2$, bei der die Silicium-Atome alle regelmäßig von vier Sauerstoffatomen umgeben sind. Die Sauerstoffatome hingegen haben zwei benachbarte Silicium-Atome.
Glas besteht ebenfalls hauptsächlich aus Siliciumdioxid, $SiO_2$. Hier ist jedoch kein Kristallgitter vorhanden. Es handelt sich aber auch nicht um einen amorphen Feststoff, da sich die Atome noch sehr langsam bewegen können. Genau genommen ist es also kein Feststoff, sondern eine sehr zähflüssige unterkühle Flüssigkeit.
Bei Zahnpasta handelt es sich um ein Gemisch von festen und flüssigen Stoffen, es ist also kein amorpher Stoff.
Aktivkohle und Puder hingegen sind amorphe Feststoffe, da sie keine feste Ordnung aufweisen. -
Erkläre die Besonderheiten von kristallinen Feststoffen am Beispiel von $NaCl$.
TippsIn einem Satz soll beschrieben werden, von welchen Ionen jedes einzelne Ion umgeben wird.
LösungDas besondere an Kristallen ist die hohe Ordnung der Ionen im Festkörper. Am Beispiel des Kochsalzes ist dies gut zu erkennen. Es reicht aus, einen kleinen, würfelförmigen Bereich des gesamten Kristalls zu beschreiben. Man gibt dabei an, welche Form dieser kleine Bereich hat - in unserem Fall würfelförmig - und wo in diesem kleinen Bereich die Atome oder Ionen liegen. Dabei kann man sich an den Ecken und Kanten des kleinen Bereichs orientieren.
Dieser kleine Bereich wird die Elementarzelle eines Kristallgitters genannt. Die Elementarzellen lassen sich in alle drei Raumrichtungen aneinander fügen. Sie teilen sich dabei gemeinsame Kanten, Flächen und Ecken. Das ist so, als würde man viele Würfel in einer großen Kiste stapeln.
Die Elementarzellen lassen sich nahezu unendlich weit in jede Richtung aneinanderreihen. Dabei können riesige Kristalle entstehen. Die größten Natriumchlorid-Kristalle haben dabei Kanten, die über einen Meter lang sind! Darin sind unzählig viele Elementarzellen enthalten, die im Bild oben dargestellt sind.
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