Feststoffe

Feststoffe Übung

• Beschreibe unterschiedliche Arten von Feststoffen.

  Tipps

  Das zugrundeliegende Thema sind Feststoffe.

  Viele Feststoffe besitzen ein Kristallgitter.

  Lösung

  Feste 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.

• Definiere den Begriff Modifikation.

  Tipps

  Diamant 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?

  Lösung

  Ein 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.

• Analysiere, welche Art von Feststoff hier beschrieben wird.

  Tipps

  Wie hoch ist die Ordnung der Atome in den beiden Feststoffen?

  Lösung

  In 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.

• Erläutere ein Problem, vor dem viele Sammler von Zinnfiguren stehen.

  Tipps

  Benenne erst das Phänomen, bevor du es beschreibst.

  Lösung

  Die 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.

  Tipps

  Im Glas können sich die Atome nur langsam bewegen.

  Weist ein Puder eine feste Ordnung auf?

  Lösung

  Bei 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 $NaCl$.

  Tipps

  In einem Satz soll beschrieben werden, von welchen Ionen jedes einzelne Ion umgeben wird.

  Lösung

  Das 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.