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Hochdruckmodifikationen und Metallizität
Illumina-Mitglied

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Hallo,

beim Durchdenken des Semantikthreads und der dort vorgebrachten Argumente und der dadurch evozierten Assoziationen zum Thema "Hinweise auf eine metallische Hochdruckmodifikation des Wasserstoffs" vgl. kam mir die Idee, daß es womöglich von allen nichtmetallischen chem. Elementen solche metallischen Modifikationen gibt, die sich nur eben durch die uns normalerweise zugänglichen Druckverhältnisse entziehen.

Von C und P weiß ich von so mancher Modifikation, die unter den verschiedensten Bedingungen gebildet werden oder nur unter solchen beständig sind. Ähnliches gilt auch für andere Elemente, die unter verschiedenen Bedingungen wechselnde Metallizität aufweisen (siehe Zinn, Ge, Ga,...).

Eure Gedanken oder Wissen dazu wären ganz sicher recht aufschlußreich.

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Illumina-Mitglied

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Da müßten wir uns mal die Elektronenkonfiguration des jeweils betrachteten Elements genauer ansehen. Die spielt vermutlich eine wichtige Rolle bei den Eigenschaften der jeweils möglichen Modifikationen.

Nehmen wir mal den Kohlenstoff:
- Elektronenkonfiguration: 1s2, 2s2, 2p2. Relevant sind ausschließlich die Elektronen der zweiten Schale.
- Da die Energieniveaus der 2s- und 2p-Elektronen sehr ähnlich liegen und die Orbitale untereinander gerne hybridisieren bekommt man zunächst zwei kristalline Modifikationen.
-- Bei der sp2-Hybridisierung sind das S-Orbital und zwei der drei p-Orbitale beteiligt, während das letzte P-Orbital unbeteiligt ist. Die großen Keulen der Orbitale bilden eine trigonal bipyramidale Struktur. Wenn man jetzt die Elektronen so verteilt, daß die drei Hybridorbitale jeweils eines bekommen, dann ist das Letzte im symmetrisch-hantelförmigen letzten p-Orbital. Bildet man jetzt Einfachbindungen mit den Hybridorbitalen, dann bekommt man die Wabenstruktur vom Graphen (Graphit). Die übrigen Elektronen bilden pi-Bindungen, die ihre Lage recht einfach ändern können. Entlang der Gitterebene besitzt das Material also eine deutliche elektrische Leitfähigkeit, die beim Erwärmen zunimmt. Zwischen den Graphen-Lagen wirken nur die schwächeren van-der Vaals-Kräfte, was die leichte Verschiebbarkeit der Blättchen gegeneinander erklärt.
-- Wenn die Atome im sp3-hybridisierten Zustand vorliegen, dann sind sie tetraedrisch von vier gleichwertigen Orbitalkeulen umgeben. Jede davon kann eine Einfachbindung aufbauen und so ein raumfüllendes Netz aufbauen, wie es im Diamant vorliegt. Da hier alle Elektronen in den Bindungen "verbaut" sind ist der Diamant bei Raumtemperatur ein Nichtleiter. Er wird mit zunehmender Temperatur zum Halbleiter.

Wenn jetzt der Kohlenstoff in einer hypothetischen Hochdruck- und -temperaturmodifikation metallisch vorliegen würde, dann müßten sich die Eigenschaften der s-Elektronen von denen der p-Elektronen etwas stärker unterscheiden. Die s-Elektronen bilden eine geschlossene Unterschale, während die p-Elektronen, ähnlich wie bei den Erdalkalimetallen als Elektronengas delokalisiert würden. Die Dichte müßte, um Wärmeausdehnungseffekte korrigiert, etwas über der des Diamantes liegen, ungefähr dort, wo man sie im kubisch-raumzentrierten Gitter oder der hexagonal dichtesten Packung erwarten würde.



Je weiter man in den Gruppen nach rechts geht, umso schwerer wird es, die äußeren Elektronen unter Druck zu delokalisieren. Beim Fluor könnte das sogar mit "irdisch erreichbaren" Drücken unmöglich sein. Wie es sich in einem hypothetischen Fluorplaneten von fast kollapsfähiger Größe verhält, das kann ich nicht raten. Bei einem, ähnlich hypothetischen, Heliumplaneten sollte der Druck sogar noch höher sein müssen, bevor man eine metallische Modifikation erhält. Helium ist übrigens das einzige Element, das nicht bei "Normaldruck" verfestigt werden kann.

Am anderen Ende der "Ein-Element-Welten" sind dann die Alkalimetall-Kleinplaneten, deren Hochatmosphären diatomare Moleküle enthalten können, solange nicht zu viel Licht eingestrahlt wird.
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Hochdruckmodifikationen und Metallizität
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