4.2 Flüssigkeiten 

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4.3 Festkörper

Gefrieren von Flüssigkeiten

Wird eine Flüssigkeit abgekühlt, so verringert sich ihre kinetische Energie. An dem Punkt, an dem die van der Waals - Anziehungskräfte und die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen stärker sind als die kinetische Bewegungsenergie der Moleküle, gefriert die Flüssigkeit. Dieser Punkt heißt Gefrierpunkt oder Schmelzpunkt Tm.

Neben den polaren Wechselwirkungen beeinflussen die Atom- oder Molekülmassen den Schmelzpunkt: Hohe Atom- bzw. Molekülmassen bewirken hohe Schmelzpunkte.

Das gesamte Spektrum der Aggregatzustände einer Substanz in Abhängigkeit von Druck und Temperatur beschreibt das Phasen- oder Zustandsdiagramm.

Die Wärme, die notwendig ist, eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand (oder umgekehrt) zu überführen, ist die Schmelzwärme, bei konstantem Druck die Schmelzenthalpie D H. Die Schmelzenthalpie wird gewöhnlich auf die Menge 1 Mol bezogen, so dass man die 

Wird die molare Schmelzenthalpie durch die Schmelztemperatur (in K) dividiert, erhält man die 

Die molare Schmelzentropie ist ein Maß für die Zunahme der molekularen Unordnung durch den Schmelzprozess.

Während Schmelz- und Verdampfungsprozesse technisch zumeist unter konstantem Druck ablaufen (Ausnahme z.B. die Erzeugung von Wasserdampf), erfolgt die Erwärmung von Gasen zumeist bei konstantem Volumen.

Schmelz- und Verdampfungswärmen bei konstantem Volumen heißen

Schmelzenergie Um bzw. Verdampfungsenergie Ub.

 

Molare Wärmekapazität von Stoffen

Erwärmung von Stoffen innerhalb ihres Aggregatzustandes bedeutet, dass dem Stoff Energie zugeführt wird, die er in molekulare kinetische Energie umwandelt:

Die Wärmemenge, die 1 Mol einer Substanz zugeführt werden muss, um diese Substanz um 1 K zu erwärmen, ist die

bzw. Cp = Molare Wärmekapazität bei konstantem Druck
oder CV = Molare Wärmekapazität bei konstantem Volumen.

Die molare Wärmekapazität eines Stoffes ist temperaturabhängig, muss also für jede Temperatur bestimmt werden. Für Überschlagsrechnungen lassen sich Cp und CV ineinander überführen, indem der Quotient
c = Cp / CV ~ 1,67 als Umrechnungsfaktor dient.

Anmerkung: Wärmemengen, die nicht auf 1 Mol sondern auf 1 g Substanz bezogen werden heißen spezifische Wärme.

 

Kristallbildung

Ionische und polare Verbindungen werden durch elektronische Anziehungs- und Abstoßungskräfte der Atome oder Molekülgruppen zu regelmäßiger Anordnung im Feststoff gezwungen. Diese regelmäßige Anordnung der Moleküle - sie wird mit dem Begriff Kristall oder Kristallgitter bezeichnet - ist abhängig von Ionengröße, Elektronegativität, Molekülgröße usw.

Nach dem äußeren Erscheinungsbild der Kristalle unterscheidet man unter anderen folgende Kristallsysteme:





a = b = c
a = b = g = 90°
     kubisch                                   tetragonal




a = b
¹ c
a = b = g = 90°



a ¹ b ¹ c
a = b = g = 90°
  rhombisch                        monoklin



a
¹ b ¹ c
a = g = 90°
b ¹ 90°




a ¹ b ¹ c
a ¹ b ¹ g ¹ 90°

              triklin                         hexagonal



a = b
¹ c
a = b = 90°
g = 120°

:Beispiel: "kubisch":

Beispiel "triklin":

              

Strukturen von Ionenkristallen

Zweiatomige Ionenverbindungen MX kristallisieren in einfachen Kristallgitterstrukturen, die sich aus den Radien der Metallkationen und der Nichtmetallanionen ergeben. Die Kristallstrukturen von großen Kristallen sind mit bloßem Auge zu erkennen. Exakt vermessen lassen sich die Kristalle durch ihre Eigenschaft, Röntgenstrahlen zu reflektieren. Die Röntgenstrahlbeugung wird mit dem Röntenspektrographen untersucht.

  Kristallgitterstrukturen:

kubisch
r
Å /r- > 0,73





oktaedrisch
r
Å /r- > 0,414






tetraedrisch
r
Å /r- > 0,225

Cäsiumchlorid-Typ CsCl





Natriumchlorid-Typ NaCl






Zinkblende-Typ ZnS

 

Beispiele für zweiatomige Ionengitterstrukturen:

Cäsiumchlorid-Typ Natriumchlorid-Typ Zinkblende-Typ
CsCl, CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI, NH4Cl, NH4Br Halogenide des Li I, NaI, KI, RbI, Oxide u. Sulfide des MgII, CaII, SrII, BaII, AgCl, AgBr Sulfide des BeII, ZnII, CdII, HgII, CuCl, CuBr, CuI, AgI, ZnO

 

Mehratomige Ionenverbindungen kristallisieren im einfachsten Fall im Fluorit-, Antifluorit- und im Rutil-Gittertyp. Der Antifluorit-Typ unterscheidet sich von dem Fluorit-Typ durch -Austausch der Kationen- und Anionenplätze. Im Gegensatz zu den häufigeren kubischen Strukturen besteht die nicht-kubische Struktur des Rutil TiO2 aus einem tetragonalen Anionengitter, in das schräg ein Ti-Kationen-Oktaeder eingesetzt ist.

 

 

Fluorit-Typ CaF2






 




Rutil-Typ TiO2

 

 

Beispiele für mehratomige Ionengitterstrukturen:

Fluorit-Typ Antifluorit-Typ Rutil-Typ
Fluoride des Ca2+, SrII, BaII, CdII, PbII; BaCl2, SrCl2, UO2 Oxide und Sulfide des LiI, NaI, KI, RbI Fluoride des MgII, NiII, MnII, ZnII, FeII, Oxide des TiIV, MnIV,SnIV,TeIV

Kristallstrukturen von Metallen und Halbleitern

Kenntnisse von den Kristallstrukturen der Metalle und Halbleiter sind die Grundlage der Transistortechnik, der IC's, allgemein der Elektronikbausteine.

Anordnungen der Metallatome im Metallgitter sind entweder kubisch raumzentriert mit 8 Nachbaratomen - Koordinationszahl 8 -, kubisch flächenzentriert oder als hexagonal dichteste Kugelpackung angeordnet mit jeweils 12 Nachbaratomen - Koordinationszahl 12 .

  Beispiele häufiger Kristallstrukturen von Metallen:

kubisch raumzentriertes Gitter

kubisch flächenzentriertes Gitter

hexagonal dichteste Kugelpackung

Aufsicht auf die ersten 2 Kugellagen hexagonaler u. kubisch flächenzentrierter Gitter

Beispiele:

kubisch raumzentriert kubisch flächenzentr. hexagonal
KZ 8 KZ 12 KZ 12
Alkalimetalle, Ba, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Eu Ca,Sr,Rh,Ir,Ni,Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Pb,Yb, Tc, Re, Ru, Os, Co, Zn, Cd, Tl Be, Mg, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf

 

Kristallfehler - Gitterdefekt

Arten der Gitterdefekte:

An den Fehlstellen werden Atome deformiert und Hohlräume vergrößert.

"Beobachtung" von Festkörperstrukturen mittels Tunnelmikroskopie:

Tunnelmikroskop

Graphit Oberflächenstruktur

Leitungskristalle durch gezielten Einbau von Fremdatomen in Halbleitern

Silizium und Germanium sind Halbleiter mit Diamantgitter der Koordinationszahl 4. Die Reinkristalle haben eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit (vgl. Leitungselektronenband).    Herstellung von hochreinem Silizium

   4.4 Lösungen 

© Prof. Dr. M. Häberlein in FH Frankfurt a. M., Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften