Physik 4: Skalen und Strukturen

Transkript

1 Physik 4: Skalen und Strukturen.5: Kleine Skalen Chemische Bindung Aggregatszustände Kristallstrukturen und Streuung Bildung des Lebens Kovalente Molekülbindungen Ladungsdichteverteilungen: CH 4 NH 3 H O H Rot: negativer Ladungsüberschuss Blau: positiver Ladungsüberschuss

2 Kovalente Bindung H und H + Kovalente Bindung H O Elektronendichte

3 NaCl Molekül Ionenbindung am Beispiel von NaCl NaCl (Elektronendichte hat wenig Überlapp!)

4 Lennard-Jones Potenzial Übergänge zwischen Verbindungen

5 Kohlenstoff-Verbindungen Valenzbindung Nichtmetalle haben 4 oder mehr Außenelektronen: Typisch: Hart, zerbrechlich, transparent, gute Isolatoren

6 Ionische Bindung Bindung zwischen Metallen (1-3 VE) und Nichtmetallen (5-7 VE): Typisch: Hart (Atome verutschen nicht) Gute Isolatoren (keine freie Elektronen, falls nicht gelöst) transparent (Elektronen bewegen sich nicht, kaum WW mit Licht) Zerbrechlich und hoher Schmelzpunkt, da Bindung stark Metallische Bindung (Aluminium) Metalle haben nur 1-3 Außenelektronen: Al 3+ Die drei Valenzelektronen tragen zur Elektronenwolke bei Typisch: elektrische/thermisch leitfähig, wegen freier Elektronen undurchsichtig

7 Wasserstoffbrückenbindung Van der Waals Kraft

8 Elektronegativität Wie Chemiker die Orbitale sehen

9 Physikalische Elementeigenschaften Atomradien Dichten Je mehr Elektronen, desto größer aber: Je mehr äußere Schale gefüllt, desto kleiner Je größer Atomgewicht desto dichter aber: mittlere Anzahl von Außenelektronen günstig Physikalisch / Chemische Eigenschaften Häufigkeit der Elemente im Universum Logaritmische Häufigkeit im Menschen Siehe

10 Phasendiagramm von CO Klassisches Diagramm! Logarithmische Achse! Tripelpunkt: fest, flüssig, gasförmig gleichzeitig Kritischer Punkt: Keine Flüssigkeit mehr Phasendiagramm von CO Phasendiagramm ist drei-dimensional! Druck-Volumen-Temperatur Kritischer Punkt Tripelpunkt wird zur Tripellinie (p=const)

11 Verschiedene Phasen des Kohlenstoffs Graphit Diamant Kohlenstoffnanoröhrchen & Fullerene Kohlenstoff ist chemisch und physikalisch vielseitig! Nanoröhrchen C-60 Fulleren

12 Schwefel: mehrere Phasen α β Phasen haben unterschiedliche Physikalische Eigenschaften (Viskosität, Farbe ) N-zählige Symmetrie 1-zählig 18-zählig

13 kompliziertere Symmetrien 5-fach Symmetrie 5-fache Symmetrien kann Boden prinzipiell nicht restlos mit identischen Parkettsteinen bedecken Penrose: Symmeetriebild wiederholt sich jedoch hierarchisch!

14 Gitterformen Triklin: a b c α β γ Monoklin: a b c α=γ=90 β Rombisch: a b c α=γ=β= 90 Bravais Gitter Flächenzentriert raumzentriert basiszentriert primitv triklin monoklin rhombisch hexagonal tetragonal trigonal kubisch

15 Beispiele für Kristallformen triklin monoklin rombisch hexagonal trigonal kubisch Miller sche Indizes

16 Dichteste Kugelpackung erste Ebene zweite Ebene Beginn dritte Ebene Zwei Varianten der dritten Ebene: Passungsfehler. ABABAB... (fcc) ABCABC. (hcp) dichteste Kugelpackung kubisch dichteste Kugelpackung hexagonal dichteste Kugelpackung ccp hcp

17 Kristallstruktur von Steinsalz (NaCl) Na Cl Caesium-Chlorid kubisch raumzentriert ( bcc ) Cs + Cl -

18 Graphit-Struktur gegeneinander leicht verschiebbare Ebenen (Schmierung!, Bleistift!) elektrisch leitfähig.weitere Kohlenstoffstrukturen a) Diamant b) Graphit d-f) Fullerene (C60,C540,C70) g) amorpher C h) Nanoröhrchen Nobelpreis 1996 für Fullerene, 010 für Graphen

19 Verdeutlichung der Bragg-Streuung Bragg-Streuung (monochromatisch)

20 Laue Beugung Myoglobin-Einkristall Röntgenbeugung Kupfer / Gold (Laue)

21 Röntgenbeugung Gelbgold (Laue) Kupfer-Gold-Legierung Brillouin Zone / Wigner-Seitz-Zelle

22 Brillouin Zone / Wigner-Seitz-Zelle -dimensional 3-dimensional Schwarze Raucher

23 schwarze Raucher reiche Fauna Miller-Urey Experiment 18% des CH 4 werden in Biomoleküle umgewandelt