Was macht Materialien hart und fest?

Bei Kristallmaterialien wie Diamant ist dies das Ergebnis extrem stabiler Bindungen zwischen den konstituierenden Atomen des Materials. Diese Bindungen werden nur unter immensem Druck gebildet, weil interatomare Abstoßungskräfte verhindern, dass die Atome nahe genug kommen, um gezwungen zu werden, sich in dieser Kristallstruktur anzuordnen.

Metalllegierungen wie Stahl sind viel härter als elementare Metalle, da sie eine Mischung aus verschiedenen Elementen wie Eisen, Nickel, Chrom usw. sind. Wenn ein Metall einheitlich aus demselben Atom besteht, passen sie grundsätzlich sehr eng zusammen und gleiten übereinander leicht. Deshalb ist reines Gold so weich und formbar.

Eine Stahllegierung hingegen setzt sich aus wenigen unterschiedlichen Elementen zusammen. Die unterschiedlich großen Atome, die in der Bindungsstruktur vermischt sind, verursachen Unregelmäßigkeiten in der atomaren Organisation des Materials, was das Auftreten von Schlupf und anderen Verformungen erschwert.

Wenn das Material schwer zu brechen ist, können die Bindungen stark sein. Wenn das Material leicht und stark ist, hat das Material möglicherweise eine stärkere Bindung, aber die Massendichte kann geringer sein, Sie können große Hohlräume darin erwarten. Die Härte und Festigkeit des Materials hängt von der Masse des Materials, der Kristallstruktur und anderen Faktoren ab.

Spectrum Science, Deccan Herald, Dienstag, 13. Mai 2014.

Graphen ist das stärkste, das dünnste Material, das es gibt.... Es ist nicht nur das härteste Material der Welt, sondern auch eines der empfindlichsten.

Es ist nur ein einziges Atom dick und wurde als Wundermaterial bezeichnet.... Während das Material vor einem Jahrzehnt entdeckt wurde, begann es 2010 Aufmerksamkeit zu erregen, als zwei Physiker der Universität Manchester für ihre Experimente damit den Nobelpreis erhielten .

Die American Chemical Society sagte 2012, dass entdeckt wurde, dass Graphen 200-mal stärker als Stahl und so dünn ist, dass eine einzige Unze davon 28 Fußballfelder bedecken könnte. ....Im Jahr 2012 sagte die American Chemical Society, dass Fortschritte bei Grephen zu einer Touchscreen-Elektronik führten, die "Mobiltelefone so dünn wie ein Stück Papier und faltbar genug machen könnte, um in eine Tasche zu passen". .....

Der Absatz weist darauf hin, dass ein Material stark sein kann, wenn es nur ein Atom dick ist (nicht viel sperrig).

Wenn Sie sich Elemente und einfache anorganische Verbindungen ansehen (vergessen Sie Kunststoffe), haben Sie zwei grundlegende Arten von Bindungen. Ionisch, wie ein Salzkristall. Die Struktur wechselt Natrium, Chlor,$\text{Na}$,$\text{Cl}$,$\text{Na}$,$\text{Cl}, \dots,+-+-+-$in alle Richtungen. Einer ist ein wenig negativ und der andere ein wenig positiv (Chlor ist ein starkes Oxidationsmittel – es stiehlt Elektronen aus dem Natrium). Wenn man stark genug auf einen Salzkristall drückt, um eine Atomebene zu verschieben$1/2$die Atomgittergröße - eigentlich etwas weniger - Sie verursachen$++$Und$--$sich auszurichten, und die Abstoßung des elektrischen Felds lässt den Kristall auf einer schönen sauberen Linie auseinanderspringen. Dies ist die elektrostatische Bindung, an die Sie gedacht haben (guter Anruf).

Die andere unter vielen Atomen beliebte Bindung ist die kovalente Bindung. Die Idee ist, dass Elektronen geteilt werden, um Orbitale mit ungepaarten Elektronen oder vollständige Orbitale zu füllen. Den Atomen gefällt das, und wir können daran erkennen, wie schön und stabil sie sind – die meisten jedenfalls. Die Edelgase (Argon-Neon usw.) haben volle Orbitalhüllen und müssen nicht mit anderen spielen. Die Bindung hat andere Namen wie "Molekülorbitalbindungen". Dies ist die Bindung, die erklärt, warum Wasserstoff paarweise vorkommt$\text{H}_2$Und$\text{O}_2$Und$\text{H}_2\text{O}$Und$\text{CO}_2$usw. Die meisten Verbindungen, die keine Kristalle sind, haben kovalente Bindungen. Für eine intuitive Beschreibung ähnelt diese Bindung eher einer quantenmechanischen als einer elektrostatischen Bindung.

Sie haben speziell nach Stahl gefragt, der keine Verbindung ist. Legierungen sind Mischungen und ziemlich kompliziert, und einige unterliegen faszinierenden Veränderungen, wenn sie Temperaturwechsel durchlaufen. Wie @Rick Sanchez sagt, sind Legierungen eine Mischung aus Dingen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Stahl ist wie Beton mit Bewehrungsstäben aus Metall. Verschiedene Elemente füllen verschiedene Räume, wie Kies und Sand und Zement in Beton. Die Eigenschaften ergeben sich daraus, wie diese Teile alle miteinander verbunden sind und wie viel von jedem vorhanden ist.