10.5 Fastur efnishamur

Þegar flestir vökvar eru kældir frjósa þeir að lokum og mynda kristalkennd fastefni (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 myndlaus fastefni (e. amorphous solids) eða ókristölluð fastefni (eða stundum gler). Eindir slíkra fastefna hafa ekki 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 (kristalkennd fastefni) eða tilviljanakennt (myndlaus).

Málmar og jónaefni mynda yfirleitt skipuleg, kristalkennd fastefni. Efni sem samanstanda af stórum sameindum, eða efnablöndu sameinda með takmarkaðri hreyfigetu, mynda oft myndlaus fastefni. Kertavax er til dæmis myndlaust fastefni sem samanstendur af stórum kolvetnissameindum. Sum efni, eins og kísildíoxíð (sýnt í Mynd 10.39), geta myndað annaðhvort kristalkennd eða myndlaus fastefni, allt eftir aðstæðum við framleiðslu. Myndlaus fastefni geta einnig breyst í kristalkennd efni 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 steinefnisins kvarss. (b) Hröð kæling á bráðnu SiO₂ gefur myndlaust fastefni sem kallast „bræddur kísill“.

Kristalkennd fastefni eru yfirleitt flokkuð eftir eðli þeirra krafta sem halda eindum þeirra saman. Þessir kraftar eru aðallega ábyrgir fyrir þeim eðliseiginleikum sem föstu efnin sýna. Í eftirfarandi köflum er lýst helstu gerðum kristalkenndra fastefna: jónaefna, málma, 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 nokkuð sterkir (Mynd 10.40). Margir jónakristallar hafa einnig hátt bræðslumark. Þetta er vegna mjög sterkra aðdráttarkrafta milli jónanna – í jónaefnum eru aðdráttarkraftar milli fullra hleðslna (mun) stærri en þeir sem eru milli hlutahleðslna í skautuðum sameindaefnasamböndum. Þetta verður skoðað nánar síðar í umfjöllun um grindarorku. Þrátt fyrir að vera hörð hafa þau einnig tilhneigingu til að vera stökk og brotna frekar en að beygjast. Jónaefni leiða ekki rafmagn; þau leiða þó rafmagn þegar þau eru bráðin eða uppleyst vegna þess að jónir þeirra geta hreyfst frjálslega. Mörg einföld efnasambönd sem myndast við efnahvarf 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.

Málmar

Málmar (e. metallic solids) sem fast efni, eins og kristallar úr kopar, áli og járni, eru myndaðir úr málmatómum (Mynd 10.41). Byggingu málmkristalla er oft lýst sem jafnri dreifingu atómkjarna innan „hafs“ af óstaðbundnum rafeindum. Atómin í slíku föstu málmefni haldast saman með sérstökum krafti sem kallast málmtengi og gefur tilefni til margra nytsamlegra og fjölbreyttra eiginleika. Allir sýna mikla varma- og rafleiðni, málmgljáa og sveigjanleika. Margir eru mjög harðir og nokkuð sterkir. Vegna sveigjanleika þeirra (hæfileikans til að afmyndast undir þrýstingi eða við högg) brotna þeir ekki og eru því nytsamleg 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 málmur í föstu formi.

Samgilt netefni

Samgild netefni (e. covalent network solids) eru meðal annars kristallar úr demanti, kísli, sumum öðrum málmleysingjum og sumum samgildum efnasamböndum eins og kísildíoxíði (sandur) og kísilkarbíði (karbórúndum, slípiefnið á sandpappír). Mörg steinefni hafa net samgildra tengja. Atómin í þessum föstu efnum haldast saman með neti samgildra tengja, eins og sýnt er í Mynd 10.42. Til að brjóta eða bræða samgilt netefni þarf að rjúfa samgild tengi. Þar sem samgild tengi eru tiltölulega sterk einkennast samgild netefni yfirleitt af hörku, styrk og háu bræðslumarki. Demantur er til dæmis 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 leiðir rafmagn.

Sameindaefni

Sameindaföst efni (e. molecular solids), eins og ís, súkrósi (borðsykur) og joð, eins og sýnt er á Mynd 10.43, eru samsett úr hlutlausum sameindum. Styrkur aðdráttarkraftanna milli eininganna sem eru til staðar í mismunandi kristöllum er mjög breytilegur, eins og bræðslumörk kristallanna gefa til kynna. Litlar samhverfar sameindir (óskautaðar sameindir), eins og H₂, N₂, O₂ og F₂, hafa veika aðdráttarkrafta og mynda sameindaföst efni með mjög lágt bræðslumark (undir −200 °C). Efni sem samanstanda af stærri, óskautuðum sameindum hafa meiri aðdráttarkrafta og bráðna við hærra hitastig. Sameindaföst efni sem samanstanda af sameindum með varanleg 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 Koldíoxíð (CO₂) samanstendur af litlum, óskautuðum sameindum og myndar sameindafast efni með bræðslumark −78 °C. Joð (I₂) samanstendur af stærri, óskautuðum sameindum og myndar sameindafast efni sem bráðnar við 114 °C.

Eiginleikar fastra efna

Kristalkennt fastefni, eins og þau sem talin eru upp í Tafla 10.4, hefur nákvæmt bræðsluhitastig vegna þess að hver frumeind 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 sama magn af orku til að rofna. Smám saman mýking myndlauss efnis er verulega frábrugðin skýrri bráðnun kristalkenns fastefnis. Þetta stafar af ójafngildri byggingu sameindanna í myndlausa fastefninu. Sumir kraftar eru veikari en aðrir og þegar myndlaust efni er hitað rofna veikustu aðdráttarkraftarnir milli sameinda fyrst. Eftir því sem hitastigið er hækkað frekar rofna sterkari aðdráttarkraftarnir. Þannig mýkjast myndlaus efni yfir hitastigsbil.

Tafla 10.4
Tegundir kristalkenndra fastefna og eiginleikar þeirra
Tegund fastefnis	Tegund einda	Tegund aðdráttarkrafta	Eiginleikar	Dæmi
Jónaefni	Jónir	Jónatengi	hart, stökkt, leiðir rafmagn sem vökvi en ekki sem fast efni, hátt til mjög hátt bræðslumark	NaCl, Al₂O₃
Málmur	Frumeindir rafjákvæðra frumefna	Málmtengi	gljáandi, mótanlegur, teygjanlegur, leiðir varma og rafmagn vel, breytileg hörku og bræðsluhitastig	Cu, Fe, Ti, Pb, U
Samgilt net	Frumeindir rafneikvæðra frumefna	Samgild tengi	mjög hart, leiðir ekki rafmagn, mjög hátt bræðslumark	C (demantur), SiO₂, SiC
Sameindaefni	Sameindir (eða frumeindir)	Kraftar milli sameinda	breytileg hörku, breytilegur stökkleiki, leiðir ekki rafmagn, lágt bræðslumark	H₂O, CO₂, I₂, C₁₂H₂₂O₁₁

Hvernig vísindagreinar tengjast

Grafen: Efni framtíðarinnar

Kolefni er ómissandi frumefni í heiminum okkar. Einstakir eiginleikar kolefnisfrumeinda gera lífverum sem byggjast á kolefni, eins og okkur sjálfum, kleift að vera til. Kolefni myndar gríðarlegan fjölda efna sem við notum daglega, þar á meðal þau sem sýnd eru á Mynd 10.44. Þú þekkir kannski demant og grafít, tvær algengustu fjölmyndir kolefnis. (Fjölmyndir eru mismunandi byggingarform sama frumefnis.) Demantur er eitt harðasta efni sem þekkist, en grafít er nógu mjúkt til að vera notað í blýanta. Þessir mjög ólíku eiginleikar stafa af mismunandi fyrirkomulagi kolefnisfrumeindanna í mismunandi fjölmyndum.

Mynd 10.44 Demantur er einstaklega harður vegna sterkra tengja milli kolefnisfrumeinda í allar áttir. Grafít (í blýi) smitast yfir á pappír vegna veikra aðdráttarkrafta milli kolefnislaganna. Mynd af yfirborði grafíts sýnir fjarlægðina milli miðja aðliggjandi kolefnisfrumeinda. (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 (eina frumeind á þykkt) af grafíti. Grafen, sem sýnt er á Mynd 10.45, er ekki aðeins sterkt og létt, heldur er það einnig frábær leiðari rafmagns og varma. Þessir eiginleikar gætu reynst mjög gagnlegir í margs konar notkun, svo sem í 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 Hægt er að móta grafenblöð í kúlur, nanórör og staflað lög.

Kristalgallar

Í kristalkenndu fastefni raðast atóm, jónir eða sameindir í ákveðið endurtekið mynstur, en einstaka gallar geta komið fyrir í mynstrinu. Þekktar eru nokkrar gerðir galla, eins og sýnt er í 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 taki sér stöðu, sem kallast milligrindarstaða (e. interstitial sites), á milli venjulegra staða fyrir atóm. Aðrar brenglanir finnast í óhreinum kristölum, til dæmis þegar katjónir, anjónir eða sameindir óhreininda eru of stórar til að passa inn í venjulegar stöður án þess að brengla bygginguna. Snefilmagni af óhreinindum er stundum bætt við kristal (ferli sem kallast íbótun) til að búa til 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 rafeiginleika 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 skiptihvarf óhreininda.

Námsmarkmið