10.5 Fast ástand efnis

Þegar flestir vökvar eru kældir frjósa þeir að lokum og mynda kristölluð föst efni (e. crystalline solids), þ.e. föst efni þar sem atóm, jónir eða sameindir raðast í ákveðið endurtekið mynstur. Einnig er mögulegt að vökvi frjósi áður en sameindir hans ná að raðast í skipulegt mynstur. Efnin sem þá myndast eru kölluð formlaus föst efni (e. amorphous solids) eða ókristölluð föst efni (eða stundum gler). Eindir slíkra fastra efna skortir skipulega innri byggingu og raðast tilviljanakennt (Mynd 10.38).

Two images are shown and labeled, from left to right, “Crystalline” and “Amorphous.” The crystalline diagram shows many circles drawn in rows and stacked together tightly. The amorphous diagram shows many circles spread slightly apart and in no organized pattern. — Mynd 10.38 Eindir í föstum fasa geta raðast í reglulegt, endurtekið mynstur (kristölluð föst efni) eða tilviljanakennt (formlaus).

Málmar og jónaefnasambönd mynda yfirleitt skipuleg, kristölluð föst efni. Efni sem samanstanda af stórum sameindum, eða blöndu sameinda með takmarkaða hreyfigetu, mynda oft formlaus föst efni. Sem dæmi má nefna að kertavax er formlaust fast efni sem samanstendur af stórum kolvetnissameindum. Sum efni, eins og kísildíoxíð (sýnt á Mynd 10.39), geta myndað annaðhvort kristölluð eða formlaus föst efni, allt eftir því við hvaða aðstæður þau eru framleidd. Einnig geta formlaus föst efni breyst í kristallað ástand við viðeigandi aðstæður.

Two sets of molecules are shown. The first set of molecules contains five identical, hexagonal rings composed of alternating red and maroon spheres single bonded together and with a red spheres extending outward from each maroon sphere. The second set of molecules shows four rings with twelve sides each that are joined together. Each ring is composed of alternating red and maroon spheres single bonded together and with a red spheres extending outward from each maroon sphere. — Mynd 10.39 (a) Kísildíoxíð, SiO₂, er algengt í náttúrunni sem eitt af nokkrum kristölluðum formum steindarinnar kvars. (b) Hröð kæling á bráðnu SiO₂ gefur formlaust fast efni sem kallast „bræddur kísill“.

Kristölluð föst efni eru yfirleitt flokkuð eftir eðli þeirra krafta sem halda eindunum saman. Þessir kraftar eru aðallega ábyrgir fyrir þeim eðliseiginleikum sem heildarefnið sýnir. Í eftirfarandi köflum er lýst helstu gerðum kristallaðra fastra efna: jónaefna, málmefna, samgildra netefna og sameindaefna.

Jónaefni

Jónaefni (e. ionic solids), eins og natríumklóríð og nikkeloxíð, eru samsett úr jákvæðum og neikvæðum jónum sem haldast saman með rafstöðukröftum, sem geta verið mjög sterkir (Mynd 10.40). Margir jónakristallar hafa einnig hátt bræðslumark. Þetta stafar af mjög sterkum aðdráttarkröftum milli jónanna – í jónaefnasamböndum eru aðdráttarkraftar milli fullra hleðslna (mun) stærri en þeir sem eru milli hlutahleðslna í skautuðum sameindasamböndum. Þetta verður skoðað nánar síðar í umfjöllun um grindarorku. Þótt þau séu hörð, hafa þau einnig tilhneigingu til að vera stökk og brotna frekar en að beygjast. Jónaefni leiða ekki rafmagn; þau leiða hins vegar rafmagn þegar þau eru bráðin eða uppleyst vegna þess að jónir þeirra geta hreyfst frjálslega. Mörg einföld efnasambönd sem myndast við hvarf málms og málmleysingja eru jónaefni.

This figure shows large purple spheres bonded to smaller green spheres in an alternating pattern. The spheres are arranged in a cube. — Mynd 10.40 Natríumklóríð er jónaefni.

Málmefni

Málmefni (e. metallic solids) eins og kristallar úr kopar, áli og járni eru mynduð af málmatómum (Mynd 10.41). Byggingu málmkristalla er oft lýst sem jafnri dreifingu atómkjarna innan um „haf“ af óstaðbundnum rafeindum. Atómin í slíku málmefni haldast saman með sérstökum krafti sem kallast málmtengi og gefur af sér marga gagnlega og fjölbreytta heildareiginleika. Öll sýna þau mikla varma- og rafleiðni, málmgljáa og mótunarhæfni. Mörg eru mjög hörð og nokkuð sterk. Vegna mótunarhæfni þeirra (hæfileikans til að afmyndast undir þrýstingi eða hamarshöggum) brotna þau ekki og eru því gagnleg byggingarefni. Bræðslumark málma er mjög mismunandi. Kvikasilfur er vökvi við stofuhita og alkalímálmar bráðna undir 200 °C. Nokkrir eftirhliðarmálmar hafa einnig lágt bræðslumark, en hliðarmálmar bráðna við hitastig yfir 1000 °C. Þessi munur endurspeglar mismunandi styrk málmtengja milli málmanna.

This figure shows large brown spheres arranged in a cube. — Mynd 10.41 Kopar er málmefni.

Samgilt netefni

Samgild netefni (e. covalent network solids) innihalda kristalla af demanti, kísli, nokkrum öðrum málmleysingjum og sumum samgildum efnasamböndum eins og kísildíoxíði (sandur) og kísilkarbíði (karbórúndum, slípiefnið á sandpappír). Margar steindir hafa net samgildra tengja. Atómin í þessum föstu efnum haldast saman með neti samgildra tengja, eins og sýnt er á Mynd 10.42. Til að brjóta eða bræða samgilt netefni verður að rjúfa samgild tengi. Þar sem samgild tengi eru tiltölulega sterk, einkennast samgild netefni yfirleitt af hörku, styrk og háu bræðslumarki. Til dæmis er demantur eitt harðasta efni sem þekkist og bráðnar við yfir 3500 °C.

Four pairs of images are shown. In the first pair, a square box containing a black atom bonded to four other black atoms is shown above a structure composed of many black atoms, each bonded to four other black atoms, where one of the upper atoms is labeled “carbon” and the whole structure is labeled “diamond.” In the second pair, a square box containing a white atom bonded to four red atoms is shown above a structure composed of many white atoms, each bonded to four red atoms, where one of the red atoms is labeled “oxygen” and one of the white atoms is labeled “silicon.” The whole structure is labeled “silicon dioxide.” In the third pair, a square box containing a blue atom bonded to four white atoms is shown above a structure composed of many blue atoms, each bonded to four white atoms, where one of the blue atoms is labeled “carbon” and one of the white atoms is labeled “silicon.” The whole structure is labeled “silicon carbide.” In the fourth pair, a square box containing six black atoms bonded into a ring is shown above a structure composed of many rings, arranged into sheets layered one atop the other, where one of the black atoms is labeled “carbon.” The whole structure is labeled “graphite.” — Mynd 10.42 Samgildur kristall inniheldur þrívítt net samgildra tengja, eins og sést á byggingu demants, kísildíoxíðs, kísilkarbíðs og grafíts. Grafít er sérstakt dæmi, samsett úr flötum lögum samgildra kristalla sem haldast saman í lögum með ósamgildum kröftum. Ólíkt dæmigerðum samgildum föstum efnum er grafít mjög mjúkt og rafleiðandi.

Sameindaefni

Sameindirík efni (e. molecular solids), eins og ís, súkrósi (borðsykur) og joð, eins og sýnt er í Mynd 10.43, eru samsett úr hlutlausum sameindum. Styrkur aðdráttarkrafta milli eininganna í mismunandi kristöllum er mjög breytilegur, eins og bræðslumark kristallanna gefur til kynna. Litlar samhverfar sameindir (óskautaðar sameindir), eins og H₂, N₂, O₂ og F₂, hafa veika aðdráttarkrafta og mynda sameindirík efni með mjög lágt bræðslumark (undir −200 °C). Efni sem samanstanda af stærri, óskautuðum sameindum hafa meiri aðdráttarkrafta og bráðna við hærra hitastig. Sameindirík efni sem samanstanda af sameindum með varanlegt tvískautsvægi (skautaðar sameindir) bráðna við enn hærra hitastig. Dæmi um þetta eru ís (bræðslumark 0 °C) og borðsykur (bræðslumark 185 °C).

Two images are shown and labeled “carbon dioxide” and “iodine.” The carbon dioxide structure is composed of molecules, each made up of one gray and two red atoms, stacked together into a cube. The image of iodine shows pairs of purple atoms arranged near one another, but not touching. — Mynd 10.43 Koltvíoxíð (CO₂) samanstendur af litlum, óskautuðum sameindum og myndar sameindiríkt efni með bræðslumark −78 °C. Joð (I₂) samanstendur af stærri, óskautuðum sameindum og myndar sameindiríkt efni sem bráðnar við 114 °C.

Eiginleikar fastra efna

Kristallað fast efni, eins og þau sem talin eru upp í Tafla 10.9, hefur nákvæmt bræðslumark vegna þess að hvert atóm eða sameind af sömu gerð er haldið á sínum stað með sömu kröftum eða orku. Þannig hafa aðdráttarkraftarnir milli eininganna sem mynda kristallinn allir sama styrk og þurfa allir sömu orku til að rofna. Smám saman mýking formlauss efnis er verulega frábrugðin skýrri bráðnun kristallaðs fasts efnis. Þetta stafar af byggingarlegu misgildi sameindanna í formlausa efninu. Sumir kraftar eru veikari en aðrir og þegar formlaust efni er hitað rofna veikustu millikraftarnir fyrst. Eftir því sem hitastigið hækkar enn frekar rofna sterkari aðdráttarkraftarnir. Þannig mýkjast formlaus efni yfir hitastigssvið.

Tafla 10.9
Tegundir kristallaðra fastra efna og eiginleikar þeirra
Tegund fasts efnis	Tegund agna	Tegund aðdráttarkrafta	Eiginleikar	Dæmi
jónískt	jónir	jónatengi	hart, stökkt, leiðir rafmagn í vökvaformi en ekki sem fast efni, hátt til mjög hátt bræðslumark	NaCl, Al₂O₃
málmkennt	atóm jákvæðra frumefna	málmtengi	glansandi, þjált, teygjanlegt, leiðir hita og rafmagn vel, breytileg hörku og bræðslumark	Cu, Fe, Ti, Pb, U
samtenginet	atóm neikvæðra frumefna	samgild tengi	mjög hart, leiðir ekki rafmagn, mjög hátt bræðslumark	C (demantur), SiO₂, SiC
sameindiríkt	sameindir (eða atóm)	millikraftar	breytileg hörku, breytilegur stökkleiki, leiðir ekki rafmagn, lágt bræðslumark	H₂O, CO₂, I₂, C₁₂H₂₂O₁₁

Hvernig vísindagreinar tengjast

Grafen: Efni framtíðarinnar

Kolefni er ómissandi frumefni í heimi okkar. Einstakir eiginleikar kolefnisatóma gera tilvist lífvera sem byggja á kolefni, eins og okkur sjálf, mögulega. Kolefni myndar gríðarlegan fjölda efna sem við notum daglega, þar á meðal þau sem sýnd eru í Mynd 10.44. Þú þekkir kannski demant og grafít, tvö algengustu fjölgerðarform kolefnis. (Fjölgerðarform eru mismunandi byggingarform sama frumefnis.) Demantur er eitt harðasta efni sem þekkist, en grafít er nógu mjúkt til að vera notað sem blýantsoddur. Þessir mjög ólíku eiginleikar stafa af mismunandi fyrirkomulagi kolefnisatómanna í mismunandi fjölgerðarformum.

Mynd 10.44 Demantur er einstaklega harður vegna sterkra tengja milli kolefnisatóma í allar áttir. Grafít (í blýantsoddi) smitast yfir á pappír vegna veikra aðdráttarkrafta milli kolefnislaganna. Mynd af grafítyfirborði sýnir fjarlægðina milli miðja aðliggjandi kolefnisatóma. (heimild vinstri mynd: breyting á verki eftir Steve Jurvetson; heimild miðmynd: breyting á verki eftir United States Geological Survey)

Þú þekkir kannski síður nýlega uppgötvað form kolefnis: grafen. Grafen var fyrst einangrað árið 2004 með því að nota límband til að fletta þynnri og þynnri lögum af grafíti. Það er í raun eitt lag (eins atóms þykkt) af grafíti. Grafen, sem sýnt er í Mynd 10.45, er ekki aðeins sterkt og létt, heldur er það einnig framúrskarandi leiðari rafmagns og hita. Þessir eiginleikar gætu reynst mjög gagnlegir í margs konar notkun, svo sem stórbættum tölvukubbum og rafrásum, betri rafhlöðum og sólarsellum og sterkari og léttari byggingarefnum. Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2010 voru veitt Andre Geim og Konstantin Novoselov fyrir brautryðjendastarf þeirra með grafen.

Mynd 10.45 Grafenlög er hægt að móta í kúlur (buckyballs), nanórör og staflað lög.

Kristallagallar

Í kristölluðu föstu efni eru atóm, jónir eða sameindir raðaðar í ákveðið endurtekið mynstur, en einstaka gallar geta komið fyrir í mynstrinu. Þekktar eru nokkrar gerðir galla, eins og sýnt er á Mynd 10.46. Laus rými (e. vacancies) eru gallar sem verða þegar stöður sem ættu að innihalda atóm eða jónir eru auðar. Sjaldgæfara er að sum atóm eða jónir í kristal geti tekið sér stöðu, sem kallast milligrindarstaða (e. interstitial sites), á milli hefðbundinna staða fyrir atóm. Aðrar brenglanir finnast í óhreinum kristöllum, til dæmis þegar katjónir, anjónir eða sameindir óhreininda eru of stórar til að passa inn í hefðbundnar stöður án þess að brengla bygginguna. Snefilmagni af óhreinindum er stundum bætt við kristal (ferli sem kallast íbótun) til að skapa galla í byggingunni sem leiða til æskilegra breytinga á eiginleikum hans. Til dæmis eru kísilkristallar íbættir með mismunandi magni af ýmsum frumefnum til að fá viðeigandi rafleiðnieiginleika fyrir notkun þeirra við framleiðslu á hálfleiðurum og tölvukubbum.

A diagram is shown in which one hundred and forty four spheres are arranged in a twelve by twelve square. A gap in the square is labeled “Vacancy” while one sphere that is a different color from all the rest is labeled “Interstitial impurity.” The top right corner of the square is disturbed and has a larger sphere inserted that is labeled “Substitution impurity atom.” — Mynd 10.46 Gerðir kristalgalla eru meðal annars laus rými, milligrindaratóm og staðgengilsóhreinindi.

Námsmarkmið