1010 Vökvar og föst efni

10.5 Fast ástand efnis

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

skilgreina og lýsa tengjum og eiginleikum jónakristalla, sameindakristalla, málmkristalla og samgildra netkristalla
lýsa helstu gerðum kristallaðra fastra efna: jónakristöllum, málmkristöllum, samgildum netkristöllum og sameindakristöllum
útskýra hvernig kristallagallar geta myndast í föstu efni

Þegar flestir vökvar eru kældir frjósa þeir að lokum og mynda kristölluð föst efni, það er föst efni þar sem atómum, jónum eða sameindum er raðað í ákveðið, endurtekið mynstur. Einnig er mögulegt að vökvi frjósi áður en sameindir hans ná að raða sér í reglubundið mynstur. Efnin sem þá myndast kallast myndlaus föst efni eða ókristölluð föst efni, stundum einnig gler. Agnir slíkra fastra efna hafa enga reglubundna innri byggingu og raðast af handahófi (mynd 10.37).

Tvær myndir eru sýndar og merktar, frá vinstri til hægri, „Kristallað“ og „Myndlaust“. Skýringarmyndin af kristallaða efninu sýnir marga hringi sem teiknaðir eru í röðum og staflað þétt saman. Skýringarmyndin af myndlausa efninu sýnir marga hringi sem dreifast aðeins í sundur og eru ekki í neinu skipulögðu mynstri. — **Mynd 10.37.** Eindum í föstum fasa getur verið raðað í reglubundið, endurtekið mynstur (kristölluð föst efni) eða af handahófi (myndlaus föst efni).

Málmar og jónasambönd mynda venjulega skipuleg, kristölluð föst efni. Efni sem eru úr stórum sameindum, eða úr blöndu sameinda þar sem hreyfing sameindanna er takmarkaðri, mynda oft myndlaus föst efni. Til dæmis er kertavax myndlaust fast efni úr stórum kolvetnissameindum. Sum efni, eins og kísildíoxíð (mynd 10.38), geta myndað annaðhvort kristölluð eða myndlaus föst efni eftir því við hvaða aðstæður þau myndast. Myndlaus föst efni geta einnig breyst í kristallað ástand við viðeigandi aðstæður.

Tvö sett af sameindum eru sýnd. Fyrra settið af sameindum inniheldur fimm eins, sexhyrnda hringi sem samanstanda af rauðum og vínrauðum kúlum til skiptis sem eru tengdar saman með eintengjum og með rauðum kúlum sem teygja sig út frá hverri vínrauðri kúlu. Seinna settið af sameindum sýnir fjóra hringi með tólf hliðum hver sem eru tengdir saman. Hver hringur samanstendur af rauðum og vínrauðum kúlum til skiptis sem eru tengdar saman með eintengjum og með rauðum kúlum sem teygja sig út frá hverri vínrauðri kúlu. — **Mynd 10.38.** (a) Kísildíoxíð, SiO₂, er algengt í náttúrunni sem eitt af nokkrum kristölluðum formum steindarinnar kvars. (b) Hröð kæling á bráðnu SiO₂ myndar myndlaust fast efni sem kallast brætt kvars.

Kristölluð föst efni flokkast almennt eftir eðli kraftanna sem halda ögnum þeirra saman. Þessir kraftar ráða mestu um þá eðliseiginleika sem föstu efnin sýna í heild. Hér á eftir er fjallað um helstu tegundir kristallaðra fastra efna: jónakristalla, málmkristalla, samgilda netkristalla og sameindakristalla.

Jónaföst efni

Jónakristallar, eins og natríumklóríð og nikkeloxíð, eru gerðir úr jákvæðum og neikvæðum jónum sem rafstöðuaðdráttarkraftar halda saman. Þessir kraftar geta verið nokkuð sterkir (mynd 10.39). Margir jónakristallar hafa einnig hátt bræðslumark. Þetta stafar af mjög sterkum aðdráttarkröftum milli jónanna; í jónaefnum eru aðdráttarkraftar milli heilla hleðslna mun meiri en milli hluthleðslna í skautuðum sameindasamböndum. Þetta verður skoðað nánar síðar í umfjöllun um grindarorku. Þótt jónakristallar séu harðir hafa þeir einnig tilhneigingu til að vera stökkir og brotna frekar en að bogna. Jónakristallar leiða ekki rafmagn sem föst efni; þeir leiða þó rafmagn þegar þeir eru bráðnir eða uppleystir, því þá geta jónir þeirra hreyfst frjálslega. Mörg einföld efnasambönd sem myndast við hvarf málms við málmleysingja eru jónaefni.

Þessi mynd sýnir stórar fjólubláar kúlur tengdar smærri grænum kúlum í víxlmynstri. Kúlunum er raðað í tening. — **Mynd 10.39.** Natríumklóríð er jónakristall.

Málmföst efni

Málmkristallar, eins og kristallar úr kopar, áli og járni, eru gerðir úr málmatómum (mynd 10.40). Byggingu málmkristalla er oft lýst sem jafnri dreifingu atómskjarna innan um „haf“ af afstaðbundnum rafeindum. Atómunum í slíkum málmkristalli er haldið saman af sérstökum krafti sem kallast málmtengi og gefur efnunum marga gagnlega og fjölbreytta heildareiginleika. Þau sýna öll mikla varma- og rafleiðni, málmgljáa og mótanleika. Mörg eru mjög hörð og nokkuð sterk. Vegna mótanleika þeirra, það er hæfileikans til að aflagast undir þrýstingi eða hamarshöggum, brotna þau ekki og eru því gagnleg byggingarefni. Bræðslumark málma eru mjög breytileg. Kvikasilfur er vökvi við stofuhita og alkalímálmarnir bráðna undir 200 °C. Nokkrir málmar eftir hliðarmálmana hafa einnig lágt bræðslumark, en hliðarmálmarnir sjálfir bráðna við hitastig yfir 1000 °C. Þessi munur endurspeglar mismunandi styrk málmtengja milli málmanna.

Þessi mynd sýnir stórar brúnar kúlur sem raðað er í tening. — **Mynd 10.40.** Kopar er málmkristall.

Samgilt netfast efni

Til samgildra netkristalla teljast kristallar demants, kísils, nokkurra annarra málmleysingja og sumra samgiltra efnasambanda á borð við kísildíoxíð (sand) og kísilkarbíð (karborundum, svarfefnið á sandpappír). Mörg steinefni hafa net samgiltra tengja. Net samgiltra tengja heldur atómunum í þessum föstu efnum saman, eins og sýnt er á mynd 10.41. Til að brjóta eða bræða samgildan netkristall þarf að rjúfa samgild tengi. Þar sem samgild tengi eru tiltölulega sterk einkennast samgildir netkristallar yfirleitt af hörku, styrk og háu bræðslumarki. Til dæmis er demantur eitt harðasta efni sem þekkist og bráðnar við meira en 3500 °C.

Fjögur pör af myndum eru sýnd. Í fyrsta parinu er ferkantaður kassi sem inniheldur svarta frumeind tengda fjórum öðrum svörtum frumeindum sýndur fyrir ofan byggingu sem samanstendur af mörgum svörtum frumeindum, sem hver er tengd fjórum öðrum svörtum frumeindum, þar sem ein af efri frumeindunum er merkt „kolefni“ og öll byggingin er merkt „demantur“. Í öðru parinu er ferkantaður kassi sem inniheldur hvíta frumeind tengda fjórum rauðum frumeindum sýndur fyrir ofan byggingu sem samanstendur af mörgum hvítum frumeindum, sem hver er tengd fjórum rauðum frumeindum, þar sem ein af rauðu frumeindunum er merkt „súrefni“ og ein af hvítu frumeindunum er merkt „kísill“. Öll byggingin er merkt „kísildíoxíð“. Í þriðja parinu er ferkantaður kassi sem inniheldur bláa frumeind tengda fjórum hvítum frumeindum sýndur fyrir ofan byggingu sem samanstendur af mörgum bláum frumeindum, sem hver er tengd fjórum hvítum frumeindum, þar sem ein af bláu frumeindunum er merkt „kolefni“ og ein af hvítu frumeindunum er merkt „kísill“. Öll byggingin er merkt „kísilkarbíð“. Í fjórða parinu er ferkantaður kassi sem inniheldur sex svartar frumeindir tengdar í hring sýndur fyrir ofan byggingu sem samanstendur af mörgum hringjum, sem raðað er í lög hvert ofan á annað, þar sem ein af svörtu frumeindunum er merkt „kolefni“. Öll byggingin er merkt „grafít“. — **Mynd 10.41.** Samgildur netkristall inniheldur þrívítt net samgiltra tengja, eins og bygging demants, kísildíoxíðs, kísilkarbíðs og grafíts sýnir. Grafít er sérstakt dæmi, því það samanstendur af flötum lögum samgildra kristalla sem ósamgildir kraftar halda saman. Ólíkt dæmigerðum samgildum netkristöllum er grafít mjög mjúkt og leiðir rafmagn.

Sameindafast efni

Sameindakristallar, svo sem ís, súkrósi (borðsykur) og joð, eins og sýnt er á mynd 10.42, eru úr hlutlausum sameindum. Styrkur aðdráttarkrafta milli eininganna í mismunandi kristöllum er mjög breytilegur, eins og bræðslumark kristallanna gefa til kynna. Litlar samhverfar sameindir, það er óskautaðar sameindir, eins og H₂, N₂, O₂ og F₂, hafa veika aðdráttarkrafta og mynda sameindakristalla með mjög lágu bræðslumarki, undir −200 °C. Efni sem eru úr stærri, óskautuðum sameindum hafa meiri aðdráttarkrafta og bráðna við hærra hitastig. Sameindakristallar úr sameindum með varanlegt tvískautsvægi, það er skautuðum sameindum, bráðna við enn hærra hitastig. Dæmi eru ís (bræðslumark 0 °C) og borðsykur (bræðslumark 185 °C).

Tvær myndir eru sýndar og merktar „koltvísýringur“ og „joð“. Bygging koltvísýrings samanstendur af sameindum, sem hver um sig er gerð úr einni grárri og tveimur rauðum frumeindum, sem staflað er saman í tening. Myndin af joði sýnir pör af fjólubláum frumeindum sem raðað er nálægt hvort öðru, en snertast ekki. — **Mynd 10.42.** Koldíoxíð (CO₂) samanstendur af litlum, óskautuðum sameindum og myndar sameindakristall með bræðslumarkið −78 °C. Joð (I₂) samanstendur af stærri, óskautuðum sameindum og myndar sameindakristall sem bráðnar við 114 °C.

Eiginleikar fastra efna

Kristallað fast efni, eins og efnin sem talin eru upp í töflu 10.4, hefur nákvæmt bræðslumark vegna þess að hverju atómi eða hverri 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. Hægfara mýking myndlauss efnis er mjög frábrugðin skýrri bráðnun kristallaðs fasts efnis. Þetta stafar af því að sameindirnar í myndlausa fasta efninu eru ekki byggingarlega jafngildar. Sumir kraftar eru veikari en aðrir og þegar myndlaust efni er hitað rofna veikustu millisameindakraftarnir fyrst. Þegar hitastigið er hækkað enn frekar rofna sterkari aðdráttarkraftarnir. Þannig mýkjast myndlaus efni yfir ákveðið hitastigsbil.

Tegund fasts efnis	Tegund einda	Tegund aðdráttarkrafta	Eiginleikar	Dæmi
jónakristallar	jónir	jónatengi	hart, stökkt, leiðir rafmagn sem vökvi en ekki sem fast efni, hátt til mjög hátt bræðslumark	NaCl, Al₂O₃
málmkristallar	atóm rafjákvæðra frumefna	málmtengi	gljáandi, mótanleg og seig, leiða varma og rafmagn vel, breytileg harka og bræðslumark	Cu, Fe, Ti, Pb, U
samgildir netkristallar	atóm rafneikvæðra frumefna	samgild tengi	mjög hörð, leiða ekki rafmagn, mjög hátt bræðslumark	C (demantur), SiO₂, SiC
sameindakristallar	sameindir (eða atóm)	millisameindakraftar	breytileg harka, breytilegur stökkleiki, leiða ekki rafmagn, lágt bræðslumark	H₂O, CO₂, I₂, C₁₂H₂₂O₁₁

Hvernig vísindagreinar tengjast

Grafen: Efni framtíðarinnar

Kolefni er lífsnauðsynlegt frumefni í heimi okkar. Einstakir eiginleikar kolefnisatóma gera tilvist kolefnisbyggðra lífsforma, eins og okkar sjálfra, mögulega. Kolefni myndar gríðarlegan fjölda efna sem við notum daglega, þar á meðal þau sem sýnd eru á mynd 10.43. Þú þekkir líklega demant og grafít, tvö algengustu afbrigði kolefnis. Afbrigði eru mismunandi byggingarform sama frumefnis. Demantur er eitt harðasta efni sem þekkist en grafít er nógu mjúkt til að vera notað sem blý í blýanta. Þessir mjög ólíku eiginleikar stafa af mismunandi uppröðun kolefnisatóma í þessum ólíku afbrigðum.

Mynd 10.43. Demantur er afar harður vegna sterkra efnatengja milli kolefnisatóma í allar áttir. Grafít, í blýöntum, nuddast af á pappír vegna veikra aðdráttarkrafta milli kolefnislaganna. Mynd af yfirborði grafíts sýnir fjarlægðina milli miðja samliggjandi kolefnisatóma. (ljósmynd til vinstri: byggt á verki eftir Steve Jurvetson; ljósmynd í miðju: byggt á verki eftir United States Geological Survey)

Þú kannast kannski síður við nýlega uppgötvað form kolefnis: grafen. Grafen var fyrst einangrað árið 2004 með því að nota límband til að fletta æ þynnri lögum af grafíti. Það er í raun eitt lag af grafíti, eitt atóm á þykkt. Grafen, sem sýnt er á mynd 10.44, er ekki aðeins sterkt og létt heldur einnig frábær leiðari rafmagns og varma. Þessir eiginleikar gætu reynst mjög gagnlegir á fjölmörgum sviðum, svo sem í mun betri 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 10.44. Hægt er að móta grafenlög í fullerenkúlur, nanórör og staflaða fláka.

Kristallagallar

Í kristölluðu föstu efni er atómum, jónum eða sameindum raðað í ákveðið, endurtekið mynstur, en stundum geta gallar komið fram í mynstrinu. Nokkrar tegundir galla eru þekktar, eins og sýnt er á mynd 10.45. Eyður eru gallar sem myndast þegar stöður sem ættu að innihalda atóm eða jónir eru auðar. Sjaldgæfara er að sum atóm eða jónir í kristal taki sér stöður sem kallast millistöður og eru staðsettar milli venjulegra atómstaða. Aðrar bjaganir finnast í óhreinum kristöllum, til dæmis þegar katjónir, anjónir eða sameindir óhreinindanna eru of stórar til að passa í venjulegar stöður án þess að bjaga bygginguna. Snefilmagni af óhreinindum er stundum bætt við kristal, ferli sem kallast íblöndun, til að búa til galla í byggingunni sem valda æskilegum breytingum á eiginleikum hans. Til dæmis eru kísilkristallar íblandaðir með mismunandi magni af ýmsum frumefnum til að fá fram hentuga rafeiginleika vegna notkunar þeirra í framleiðslu á hálfleiðurum og tölvukubbum.

Sýnd er skýringarmynd þar sem hundrað fjörutíu og fjórum kúlum er raðað í tólf sinnum tólf ferning. Bil í ferningnum er merkt „Eyða“ á meðan ein kúla sem er í öðrum lit en allar hinar er merkt „Millistaðaóhreinindi“. Efsta hægra horn ferningsins er raskað og hefur stærri kúlu innsetta sem er merkt „Útskiptióhreinindafrumeind“. — **Mynd 10.45.** Tegundir kristallagalla eru meðal annars eyður, millistaðaatóm og staðgönguóhreinindi.

Tegund fasts efnis

Tegund einda

Tegund aðdráttarkrafta

Eiginleikar

Dæmi

jónakristallar

jónir

jónatengi

hart, stökkt, leiðir rafmagn sem vökvi en ekki sem fast efni, hátt til mjög hátt bræðslumark

NaCl, Al₂O₃

málmkristallar

atóm rafjákvæðra frumefna

málmtengi

gljáandi, mótanleg og seig, leiða varma og rafmagn vel, breytileg harka og bræðslumark

Cu, Fe, Ti, Pb, U

samgildir netkristallar

atóm rafneikvæðra frumefna

samgild tengi

mjög hörð, leiða ekki rafmagn, mjög hátt bræðslumark

C (demantur), SiO₂, SiC

sameindakristallar

sameindir (eða atóm)

millisameindakraftar

breytileg harka, breytilegur stökkleiki, leiða ekki rafmagn, lágt bræðslumark

H₂O, CO₂, I₂, C₁₂H₂₂O₁₁