Was ist die Definition eines Festkörpers?

Ein Feststoff ist ein Materiezustand, der durch Partikel 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 für die starre Form eines Festkörpers 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 zu sehen) oder eine amorphe Form (wie in Glas oder amorphem Kohlenstoff zu sehen) erzeugen. Ein Festkörper ist neben Flüssigkeiten, Gasen und Plasma einer der vier Grundzustände der Materie.

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

Beispiele für Feststoffe

Die Materie mit definierter Form und Volumen ist fest. Es gibt viele Beispiele:

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

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

Klassen von Festkörpern

Die verschiedenen Arten von chemischen 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 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 aufgrund von Van-der-Waals-Kräften häufig kovalente Bindungen und Wechselwirkungen zwischen einzelnen Teilen des Moleküls.

Zu den Hauptfeststoffklassen 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, verformbar und ausgezeichnete Wärme- und Stromleiter.
• Keramik: Keramiken sind Feststoffe aus anorganischen Verbindungen, meist Oxiden. Keramik ist in der Regel hart, spröde und korrosionsbeständig.
• 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.
• Kompositmaterialien: Verbundwerkstoffe sind solche, die zwei oder mehr Phasen enthalten. Ein Beispiel wäre ein kohlefaserhaltiger Kunststoff. 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 hierfür sind Silizium und Galliumarsenid.
• Nanomaterialien: Nanomaterialien sind winzige Feststoffpartikel im Nanometerbereich. Diese Feststoffe können sehr unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen als großtechnische Versionen derselben Materialien. Zum Beispiel sind Goldnanopartikel rot und schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur als Goldmetall.
• Biomaterialien: Hierbei handelt es sich um natürliche Materialien wie Kollagen und Knochen, die häufig zur Selbstorganisation befähigt sind.