Gitter aus Nichtmetallen

Neben den Ionen- und Metallgittern gibt es Gitterstrukturen, denen die Elektronenpaarbindung zugrunde liegt. Atomgitter bestehen aus Nichtmetall-Atomen, die durch die Elektronenpaarbindung miteinander verbunden sind. Molekülgitter entstehen durch die Wechselwirkungen zwischen Molekülen.

Arbeitsmittel

Atomgitter

Atomgitter liegen bei Diamant und Grafit, den bekanntesten Modifikationen des Kohlenstoffs, vor. Kohlenstoff hat vier Außenelektronen und kann daher vier Bindungen eingehen. Bei einem Diamanten ist jedes Kohlenstoff-Atom über Elektronenpaarbindungen mit jeweils vier anderen Kohlenstoff-Atomen verbunden – dadurch entstehen starre Gitterstrukturen. Stoffe, die aus Atomgittern aufgebaut sind, sind sehr hart und weisen hohe Schmelzpunkte auf.

Rohdiamanten
Rohdiamanten
Ein Diamantring
Ein Diamantring
Gitterstruktur von Diamant
Diamantgitter

Ein Grenzfall ist Grafit, der nicht aus einem starren Gitter, sondern aus locker miteinander verbundenen Schichten, besteht. In diesen Schichten bildet ein Kohlenstoff-Atom nur drei Bindungen mit anderen Kohlenstoff-Atomen – ein Elektron bleibt also ungebunden. Diese Elektronen sind somit frei beweglich und sorgen für die elektrische Leitfähigkeit von Grafit. Die Grafitschichten sind gegeneinander verschiebbar, daher handelt es sich bei Grafit um ein sehr weiches Material. Im Alltag begegnet es uns als Mine in Bleistiften oder als Elektroden in Batterien.

Zwei Grafitbrocken auf Papier, ein Brocken hat eine leichte Spur hinterlassen, wie ein Bleistift.
Grafitstücke
Bleistifte
Bleistiftminen bestehen aus Grafit
Die Struktur von Grafit
Die Struktur von Grafit

In welche Richtung findet in Grafit der Stromfluss statt?

Da sich die beweglichen Elektronen zwischen den Schichten befinden, bewegen sie sich innerhalb der Schichten, wodurch es zu einem Stromfluss kommt. Senkrecht auf die Grafitschichten kann Strom nicht geleitet werden.

Das Halbmetall Silicium bildet Gitterstrukturen, ähnlich wie ein Diamant. Da die Elektronenpaarbindung bei den Silicium-Kristallen aber schwächer ist, können bei höheren Temperaturen Bindungselektronen ihren Platz verlassen. So kommt eine schwache Leitfähigkeit zustande, Silicium ist daher ein Halbleiter.

Computer-Mikrochip
Silicium wird z. B. in Computerchips verarbeitet

Molekülgitter

Molekülgitter werden durch Wechselwirkungen zwischen Molekülen verursacht. Da diese Wechselwirkungen schwächer sind als die Bindungen in Salzen oder Atomgittern, sind Substanzen aus Molekülgittern weicher als beispielsweise Kochsalz und Diamanten. Ein Beispiel für Molekülgitter sind Kristalle aus Wasser (also Eis oder Schneeflocken). Durch die Wasserstoffbrücken sind die zu Eis erstarrten Moleküle in einem regelmäßigen Gitter (mit sechseckiger Struktur) angeordnet.

Wasserstoffbrücken mit hexagonaler Struktur
Wasserstoffbrücken verursachen die Gitterstruktur in Eis
Schneekristall
Die sechseckige (hexagonale) Grundstruktur findet sich in Eiskristallen wieder.

Wenn Wasser gefriert, bilden sich weiträumige Molekülgitter. Wasser dehnt sich also beim Erstarren aus. Dadurch hat Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Das ist auch der Grund dafür, warum Eiswürfel in einem Wasserglas und Eisberge an der Wasseroberfläche schwimmen.

Eiswürfel in einem Glas Wasser
Eiswürfel in einem Glas Wasser
Ein Eisberg an der Wasseroberfläche.
Eisberg an der Wasseroberfläche

Dehnt sich ein Stoff wie beispielsweise Wasser bei Abkühlung aus, spricht man von Dichteanomalie. Wasser hat seine höchste Dichte bei 4 °C. Woran liegt das? Wenn Eis schmilzt, verlassen nicht alle Moleküle gleichzeitig ihre Position, es liegen immer noch regelmäßige Cluster vor. Bei 4 °C sind die regelmäßigen Anordnungen aufgebrochen und die Wassermoleküle rücken nahe zusammen. Wasser hat daher bei 4 °C das kleinste Volumen und damit die höchste Dichte. Wird das Wasser weiter erwärmt, rücken die Moleküle aufgrund der Zunahme der Bewegung wieder weiter auseinander, sodass die Dichte abnimmt.

In verschiedenen Bereichen des Alltags spielt die Zunahme des Volumens von Wasser beim Gefrieren eine wichtige Rolle, denn Wasser hat dadurch eine große Sprengkraft:

  • Erstarrendes Wasser in kleinen Hohlräumen von Gestein kann dieses Zerstören und verändern (Verwitterung).
  • Rohre, in denen Wasser gefriert, können platzen.
  • Wasserreiche Lebensmittel dehnen im Gefrierschrank ihr Volumen aus – sehr gut verschlossene, voll gefüllte Behältnisse können sogar platzen.

Verwittertes Gestein
Gefrorenes Wasser führt zur Verwitterung von Gestein, …
… es kann Rohre brechen…
… es kann Rohre brechen …
Gefrorenes Wasser kann Glas brechen
… und Glasbehälter zum Platzen bringen!

Mit diesem einfachen Versuch lässt sich die Sprengkraft von Wasser sichtbar machen.

14. Gitter aus Nichtmetallen
Tools
Zeit
Zufall
Zeigen
Rechnen
Auszeichnung: besonders gute Seite Auszeichnung: besonders interessant Auszeichnung: besonders lustig Auszeichnung: sehr gut für den Unterricht geeignet Auszeichnung: verbindet den Inhalt gut mit der wirklichen Welt Auszeichnung: komplizierter Inhalt einfach zu verstehen

Gitter aus Nichtmetallen

Seite bewerten
Info
Inhalt
Daten werden geladen...
Digitalisierung
Illustration
Mithilfe
Letzte Änderung
29.08.2022
Quellen
1.1.5.a
Meine Lösung prüfen
später
Tipp 1
Tipp 2
Lösung
Unfertig abgeben
Ok
erledigt
Juhu!
Du hast alle Aufgaben abgeschlossen.
Deine Ergebnis:
Genug für heute
leider falsch
Oje!
Das ist leider nicht ganz richtig.
Noch einmal versuchen
richtig
Bravo!
Deine Lösung ist richtig.
Nächste Aufgabe