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Die Definition eines Festkörpers in Chemie und Wissenschaft

Ein Feststoff ist ein Materiezustand, der durch Teilchen gekennzeichnet ist, die so angeordnet sind, dass ihre Form und ihr Volumen relativ stabil sind. Die Bestandteile eines Feststoffs neigen dazu, viel enger zusammengepackt zu sein als die Partikel in einem Gas oder einer Flüssigkeit. Der Grund, warum ein Festkörper eine starre Form hat, ist, dass die Atome oder Moleküle über chemische Bindungen eng miteinander verbunden sind. Die Bindung kann entweder ein regelmäßiges Gitter (wie in Eis, Metallen und Kristallen gesehen) oder eine amorphe Form (wie in Glas oder amorphem Kohlenstoff gesehen) erzeugen. Ein Feststoff ist neben Flüssigkeiten, Gasen und Plasma einer der vier Grundzustände der Materie.

Festkörperphysik und Festkörperchemie sind zwei Wissenschaftszweige, die sich mit der Untersuchung der Eigenschaften und der Synthese von Festkörpern befassen.

 

Beispiele für Feststoffe

Die Materie mit einer definierten Form und einem definierten Volumen ist fest. Es gibt viele Beispiele:

  • Ein Ziegelstein
  • Ein Penny
  • Ein Stück Holz
  • Ein Stück Aluminiummetall (oder irgendein Metall bei Raumtemperatur außer Quecksilber)
  • Diamant (und die meisten anderen Kristalle)

Beispiele für Dinge, die keine Feststoffe sind, umfassen flüssiges Wasser, Luft, Flüssigkristalle, Wasserstoffgas und Rauch.

 

Klassen von Festkörpern

Die verschiedenen Arten chemischer Bindungen. die die Partikel in Festkörpern verbinden, üben charakteristische Kräfte aus, die zur Klassifizierung von Festkörpern verwendet werden können. Ionenbindungen (z. B. in Tafelsalz oder NaCl) sind starke Bindungen, die häufig zu kristallinen Strukturen führen, die sich unter Bildung von Ionen in Wasser dissoziieren können. Kovalente Bindungen (z. B. in Zucker oder Saccharose) beinhalten das Teilen von Valenzelektronen. Elektronen in Metallen scheinen aufgrund metallischer Bindungen zu fließen. Organische Verbindungen enthalten häufig kovalente Bindungen und Wechselwirkungen zwischen getrennten Teilen des Moleküls aufgrund von Van-der-Waals-Kräften.

Zu den Hauptklassen von Feststoffen gehören:

    • Mineralien:  Mineralien sind natürliche Feststoffe, die durch geologische Prozesse gebildet werden. Ein Mineral hat eine einheitliche Struktur. Beispiele umfassen Diamant, Salze und Glimmer.
    • Metalle: Feste Metalle umfassen Elemente (z. B. Silber) und Legierungen (z. B. Stahl). Metalle sind typischerweise hart, duktil, formbar und ausgezeichnete Wärme- und Stromleiter.
    • Keramik: Keramik ist ein Feststoff, der aus anorganischen Verbindungen, üblicherweise Oxiden, besteht. Keramik neigt dazu, hart, spröde und korrosionsbeständig zu sein.
    • Organische Feststoffe:  Organische Feststoffe umfassen Polymere, Wachs, Kunststoffe und Holz. Die meisten dieser Feststoffe sind thermische und elektrische Isolatoren. Sie haben typischerweise niedrigere Schmelz- und Siedepunkte als Metalle oder Keramiken.
    • Verbundwerkstoffe: Verbundwerkstoffe sind solche, die zwei oder mehr Phasen enthalten. Ein Beispiel wäre ein Kunststoff, der Kohlenstofffasern enthält. Diese Materialien ergeben Eigenschaften, die in den Quellkomponenten nicht zu sehen sind.
    • Halbleiter: Halbleitende Feststoffe haben elektrische Eigenschaften, die zwischen denen von Leitern und Isolatoren liegen. Die Feststoffe können entweder reine Elemente, Verbindungen oder dotierte Materialien sein. Beispiele umfassen Silizium und Galliumarsenid.

 

  • Nanomaterialien: Nanomaterialien sind winzige feste Partikel im Nanometerbereich. Diese Feststoffe können sehr unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen als großtechnische Versionen derselben Materialien. Beispielsweise sind Goldnanopartikel rot und schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur als Goldmetall.
  • Biomaterialien :  Biomaterialien sind natürliche Materialien wie Kollagen und Knochen, die sich häufig selbst organisieren können.

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