Wie bestimmt die Anzahl der Elektronen und Protonen den Schmelzpunkt und die Härte eines Festkörpers?

Wie bestimmt die Anzahl der Elektronen, Neutronen und Protonen den Schmelzpunkt und die Härte eines Festkörpers/Metalls?

Und ist es möglich, benutzerdefinierte Elemente zu erstellen, die sehr stark sind und einen sehr hohen Schmelzpunkt haben, durch Fusionen und Spaltungen oder indem man sich vom Universum inspirieren lässt, wie das Universum verschiedene Elemente nur aus Wasserstoff und Helium geschaffen hat?

Zu Ihrem zweiten Teil, ja, es wurde für jedes Trans-Uran-Element gemacht. Aber da drin kommst du der Science-Fiction ein bisschen zu nahe. Sie müssen zuerst ein Element erstellen und dann seine Eigenschaften testen. Aber fast alle Isotope schwerer Elemente sind radioaktiv und instabil.
In der Praxis kontrollieren wir normalerweise die physikalischen Eigenschaften von Materialien, indem wir Legierungen herstellen , die mehrere Elemente miteinander kombinieren. Dies gibt uns viel mehr Flexibilität als die Beschränkung auf die Verwendung eines einzelnen Elements, da Sie die Proportionen der verschiedenen Atome ändern können, um unterschiedliche Effekte zu erzielen. Im Grunde ist die Antwort auf Ihre Frage die Studienrichtung Materialwissenschaft ; Unnötig zu sagen, es ist ein tiefes Thema.

Antworten (3)

Eine atomare Spezies, die durch ihre Anzahl an Protonen definiert ist (normalerweise als Z ) und seine Neutronenzahl (üblicherweise als N ) wird als Nuklid bezeichnet . Für atomare Spezies ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen (dh Z ). Sie gehen zu Recht davon aus, dass das Nuklid eines einzelnen Nuklidfestkörpers typischerweise seinen Schmelzpunkt und seine Härte bestimmt (obwohl die Anzahl der Neutronen eine marginale Rolle spielt und einige Arten Allotropie aufweisen ). Es gibt jedoch keine einfache Beziehung.

Aus der Quantenmechanik können wir eine Reihe von physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Nuklids ableiten (meistens abhängig von Z ), aber um die Frage nach dem Schmelzpunkt zu beantworten, brauchen wir auch Festkörperphysik und Thermodynamik/statistische Mechanik. Auch wenn wir möglicherweise physikalische Theorien haben, die erklären, wie Z auf den Schmelzpunkt beziehen, können wir möglicherweise keine genauen, rein theoretischen Vorhersagen über die Schmelzpunkte treffen Z allein. Die Vorhersage der Kristallstruktur ist beispielsweise sicherlich kein triviales Problem.

Die Aussicht, synthetische Nuklide mit Eigenschaften herzustellen, die denen der natürlich vorkommenden überlegen sind, hat Wissenschaftler schon seit langem angezogen. Ein Problem besteht darin, dass synthetische Nuklide dazu neigen, instabil zu sein, was typischerweise der Grund dafür ist, dass sie nicht natürlich vorkommen. Es gibt jedoch Theorien, die für bestimmte superschwere Nuklide eine Insel der Stabilität vorhersagen. Diese zu synthetisieren hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, sodass die Existenz dieser Insel eine offene Frage bleibt.

Die Härte hängt also von der Kristallstruktur ab? Und Sie sagen, dass der Schmelzpunkt immer noch theoretisch ist und nicht entdeckt wurde, wovon er abhängt, richtig?

Atome und Moleküle mit hohen Siedepunkten und Schmelzpunkten haben starke intermolekulare Bindungen, die Formänderungen widerstehen. Um einem Material diese Eigenschaften zu verleihen, sind daher im Allgemeinen langkettige Moleküle erforderlich.

Was ist mit dem zweiten Teil "Und ist es möglich, benutzerdefinierte Elemente zu erstellen, die sehr stark sind und einen sehr hohen Schmelzpunkt haben, durch Fusionen und Spaltungen oder indem man sich vom Universum inspirieren lässt, wie das Universum verschiedene Elemente nur aus Wasserstoff und Helium geschaffen hat?"
@Bhavesh ist etwas komplexer. Das größte Problem dabei ist die Tatsache, dass die Atome und neuen Elemente, die wir heute herstellen, so schnell zerfallen, dass wir nicht einmal wissen, in welchem ​​Zustand sie sich befinden, bevor sie zerfallen.
Auch von welchem ​​Faktor hängt die Härte ab? Ich bin mit der Schmelzpunktantwort zufrieden, aber ein weiterer Zweifel, wie verschiedene Elemente unterschiedliche intermolekulare Anziehungskräfte haben, da alle dieselben Teilchen haben, dh Proton, Elektron und Neutron. Und warum zerfallen die neuen Elemente so schnell?
@Bhavesh Härte hängt von der Kristallstruktur ab. Die neuen Elemente zerfallen so schnell, weil sie so viele Protonen haben, dass die zusätzliche starke Kraft der Neutronen nicht ausreicht.

Es ist nicht einmal so einfach, da verschiedene Kristallstrukturen eines bestimmten Moleküls unterschiedliche Schmelzpunkte haben können, zB Eis-V .

Ich erinnere mich nicht an genug Festkörperphysik, um zu sagen, ob irgendwelche Elemente unterschiedliche Kristallstrukturen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten bilden, aber sicherlich hängt zum Beispiel die Härte von Kohlenstoff davon ab, ob es sich um Diamant oder Ruß handelt.

Was ist mit dem zweiten Teil "Und ist es möglich, benutzerdefinierte Elemente zu erstellen, die sehr stark sind und einen sehr hohen Schmelzpunkt haben, durch Fusionen und Spaltungen oder indem man sich vom Universum inspirieren lässt, wie das Universum verschiedene Elemente nur aus Wasserstoff und Helium geschaffen hat?"
Wie bestimmt die Anzahl der Elektronen und Protonen den Schmelzpunkt und die Härte eines Festkörpers?
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