Warum kristallisieren manche Dinge? (Und andere auch nicht.)

Der kristalline Zustand ist fast immer die niedrigste Energiekonfiguration für jeden Feststoff. Ich sage fast, um meinen Rücken zu decken, aber ich kann mir keinen einzigen Feststoff vorstellen, bei dem dies nicht der Fall ist. Bei jedem Übergang von Flüssigkeit zu Feststoff wird der Feststoff einen Kristall bilden, wenn es möglich ist.

Flüssigkeiten haben keine Fernordnung, so dass beim Einfrieren des Materials seine Bestandteile (Atome, Ionen, Moleküle usw.) in der Lage sein müssen, sich selbst in die für die Kristallstruktur erforderlichen Konfigurationen umzuordnen. Dies geschieht nicht sofort, sondern benötigt eine Zeit, die mit der Diffusionsgeschwindigkeit der Komponentenpartikel in der Schmelze zusammenhängt. Wenn das Gefrieren im Vergleich zur Diffusionszeitskala langsam ist, bildet sich in der Regel ein Kristall, während das Gefrieren im Vergleich zur Diffusionszeitskala schnell ist, bildet sich ein amorpher Feststoff.

Wenn Sie ein Metall wie Wismut nehmen, enthält die Schmelze einzelne Wismutatome, die schnell diffundieren. Dies bedeutet, dass Wismut (und die meisten Metalle) beim Einfrieren Kristalle bilden. Es ist möglich, amorphe Metalle herzustellen , aber es erfordert eine extrem schnelle Abkühlung der Schmelze. Schon damals, als ich das letzte Mal nachsah (das ist nicht mein Gebiet), waren die amorphen Metalle tatsächlich kristallin, aber mit einer sehr kleinen Korngröße.

Nimmt man dagegen ein Polymer wie Dimethicon, dann sind die Moleküle riesig und diffundieren nur sehr langsam. Dies bedeutet, dass es praktisch unmöglich ist, einen Dimethicon-Kristall durch Einfrieren der Schmelze zu bilden.

Der bekannteste amorphe Festkörper ist Glas, und da dieser aus SiO besteht$_2$Moleküle fragen Sie sich vielleicht, warum es beim Einfrieren einen amorphen Feststoff bildet. Die Antwort lautet: In der Schmelze verbinden sich die Siliziumdioxid-Moleküle zu langen Ketten, es handelt sich also quasi um ein Polymer wie Dimethicon. Eigentlich ist es möglich, beim Gefrieren Glaskristalle zu bilden, aber man muss die Schmelze längere Zeit am Gefrierpunkt halten.

Schließlich erwähnen Sie das Einfrieren von Wasser. Wasser enthält H$_2$O-Moleküle, die klein sind und schnell diffundieren, sodass Sie erwarten würden, dass es einen kristallinen Feststoff bildet, was in den meisten Fällen der Fall ist. Durch schnelles Abkühlen kann jedoch amorphes Eis entstehen .

Ich kann versuchen, Ihre allererste Frage zu beantworten. Wasser bildet Eis, weil das Wassermolekül einen elektrischen Dipol erfährt (das Wassermolekül ist polar ). Diese Polarität ergibt sich aus dem Bindungswinkel zwischen dem Sauerstoffatom und jedem Wasserstoffatom und der Tatsache, dass Sauerstoff eine stärkere Anziehungskraft auf die negativ geladenen Elektronen ausübt. Dieses permanente Dipolmoment verleiht dem Molekül Bereiche mit positiver Ladung und Bereiche mit negativer Ladung. Wenn Wasser seinen Gefrierpunkt erreicht, haben die Moleküle weniger Schwingungsenergie und bewegen sich viel weniger relativ zueinander. Die Wassermoleküle gefrieren und jedes Molekül nimmt einen einzelnen und unbewegten Platz in einem Gitter ein. Aufgrund der Polarität ordnen sich die Wassermoleküle in einem Gitter ähnlich dem einer festen ionischen Verbindung, wie Salz, an.

Gute Erklärung der Wasserpolarität (und eine gute Seite im Allgemeinen für HS oder College-Physik und -Chemie) -- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/diph2o.html

Hier ist ein Cartoon-Bild von learnbiochemistry.wordpress.com , das das Kristallgitter darstellt, das durch Wasser in fester Phase gebildet wird. Die Sauerstoffatome (negativ) sind zu den Wasserstoffatomen (positiv) orientiert.