Bindungen in Festkörpern
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Questions and Answers

Was beschreibt die Van-der-Waals-Bindung in Festkörpern?

  • Wechselwirkungen zwischen elektronischen Orbitale.
  • Kovalente Bindungen zwischen Ionen.
  • Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen neutralen Molekülen. (correct)
  • Die Bindung zwischen Valenzelektronen und atomaren Kernen.

    • Welche Aussage über die Energieniveaus in Festkörpern ist korrekt?

  • Allerdings sind die Cores verantwortlich für die Aufspaltung der Energieniveaus.
  • Die Energieniveaus bleiben unverändert bei Überlappung der Orbitale.
  • Es gibt keine Veränderung der Ladungsverteilung durch Orbitalüberlappung.
  • Die Aufspaltung der Energieniveaus resultiert aus der Wechselwirkung von Valenzelektronen. (correct)

    • Wie hoch sind typischerweise die Bindungsenergien in Festkörpern?

  • 0,1...1 eV/Atom.
  • 1...10 eV/Atom. (correct)
  • 10...100 eV/Atom.
  • 1.000...10.000 eV/Atom.

    • Was resultiert aus der Vernachlässigung der Elektron-Elektron-Wechselwirkung?

    <p>Separierbare Einelektronenprobleme.</p> Signup and view all the answers

    Welche Bindung tritt auf, wenn der Überlapp der atomaren Orbitale maximal ist?

    <p>Kovalente Bindung.</p> Signup and view all the answers

    Was geschieht bei der Laserablation mit Kohlenstoff?

    <p>Kohlenstoff wird in die Gasphase überführt und als Nanotubes abgeschieden.</p> Signup and view all the answers

    Welches Element dient als Katalysator bei der Herstellung von Carbon Nanotubes?

    <p>Kupfer</p> Signup and view all the answers

    Welche Ausbeute an SWCNT wird bei der beschriebenen Laserablation erreicht?

    <p>70%</p> Signup and view all the answers

    Was ist der Abstand zwischen den Kohlenstoffatomen in Graphen?

    <p>0.142 nm</p> Signup and view all the answers

    Welches Material wird verwendet, um die Kohlenstoffatome in der Chemischen Dampfausscheidung (CVD) abzulegen?

    <p>Nickel (Ni)</p> Signup and view all the answers

    Welche Anordnung ist bekannt für die Herstellung von graphene/CVD?

    <p>Graphen auf Ni(111) Oberfläche</p> Signup and view all the answers

    Was ist die Funktion des Trägergasstroms im Laserablation Prozess?

    <p>Transport des Kohlenstoffs zum Kollektor</p> Signup and view all the answers

    Welche Laserfrequenz wird für die Laserablation verwendet?

    <p>532 nm</p> Signup and view all the answers

    Welcher der folgenden Werkstoffe hat die höchste Bulk-Bandlücke?

    <p>hBN</p> Signup and view all the answers

    Was ist die Elektronegativität laut der Pauling-Skala?

    <p>$0.187*(I + A) + 0.17$</p> Signup and view all the answers

    Welches dieser Materialien hat die größte 2D-Mono­schicht-Bandlücke?

    <p>WS2</p> Signup and view all the answers

    Welche Struktur beschreibt die NaCl-Anordnung?

    <p>fcc</p> Signup and view all the answers

    Was beschreibt die Bindungsenergie eines ionischen Kristalls in Bezug auf die Madelungkonstante?

    <p>Es hängt von der Anordnung der Ionen im Kristall ab.</p> Signup and view all the answers

    Welche der folgenden Aussagen über die Elektronenaffinität ist korrekt?

    <p>Sie kann negativ sein.</p> Signup and view all the answers

    Was ist der Bandlückenwert von MoS2 in der 2D-Monolayer-Form?

    <p>1.9 eV</p> Signup and view all the answers

    Welche der folgenden Materialien hat die niedrigste Ionisierungsenergie?

    <p>MoS2</p> Signup and view all the answers

    Welche Größe hängt von der Hamaker-Konstante ab?

    <p>Die Kraft Fs</p> Signup and view all the answers

    Welche Höhe beginnt die Wirkung der Van der Waals-Wechselwirkung signifikant zu schwinden?

    <p>0.3 nm</p> Signup and view all the answers

    Welche Bindungsenergie ist typisch für Wasserstoffbrückenbindungen?

    <p>0.1 bis 0.5 eV</p> Signup and view all the answers

    Was passiert mit dem Elektron des Wasserstoffatoms in einer kovalenten Bindung mit Sauerstoff?

    <p>Es wird vollständig übertragen.</p> Signup and view all the answers

    Welcher Radius ist für die gekrümmte Spitze eines Geckofusses typisch?

    <p>2 μm</p> Signup and view all the answers

    Wie viel Kraft erzeugt eine einzelne Spatula beim Kontakt?

    <p>0.4 μN</p> Signup and view all the answers

    Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Bandlückenenergie und der Bindungsenergie für Halbleiter und Isolatoren?

    <p>Eg = 2(Es - 2.5 eV)</p> Signup and view all the answers

    Welches Element ist stark elektronegativ und beeinflusst die Wasserstoffbrückenbindung in Wasser?

    <p>Sauerstoff</p> Signup and view all the answers

    Wie hoch ist der Konturbereich der 2D-Elektrondichte von GaAs auf der (-110) Ebene?

    <p>0.15–2.0 eÅ−3</p> Signup and view all the answers

    Was beschreibt die Formel Fs = A R / 6 D^2?

    <p>Die Kraft in Abhängigkeit von der Hamaker-Konstante</p> Signup and view all the answers

    Welche Wellenfunktionen werden bei der metallischen Bindung am Beispiel von Nickel betrachtet?

    <p>2pz, 3dz2, 4s</p> Signup and view all the answers

    Was beschreibt die Amplitude der Wellenfunktion in der metallischen Bindung?

    <p>Die räumliche Verteilung der Elektronendichte</p> Signup and view all the answers

    Welche Bindungsenergien wurden zur Analyse in Bezug auf Halbleiter und Isolatoren verwendet?

    <p>Die bindenden Energien von CdSe, ZnTe, InN, ZnSe, ZnS und AlN</p> Signup and view all the answers

    Was ist der Konturbereich der 2D-Elektrondichte von Silizium auf der (-110) Ebene?

    <p>0.00–2.4 eÅ−3</p> Signup and view all the answers

    Welche Aussage zur kinetischen und potentiellen Energie in der metallischen Bindung ist korrekt?

    <p>Die Wechselwirkung zwischen kinetischer und potentieller Energie beeinflusst die Stabilität der metallischen Bindung.</p> Signup and view all the answers

    Welche empirische Näherung verwendete Vijh zur Analyse von Halbleitern und Isolatoren?

    <p>Pauling's Gleichung</p> Signup and view all the answers

    Study Notes

    Bindungen in Festkörpern

    • Die Gesamtenergie in Festkörpern wird durch Überlappung von atomaren Orbitalen reduziert.
    • Der Überlapp ist besonders groß für Valenzelektronen.
    • Festkörper sind aus Ionenrümpfen (Cores) und Valenzelektronen aufgebaut.
    • Cores bestehen aus positiv geladenen Atomkernen und stark gebundenen Elektronen.
    • Cores wechselwirken über Coulomb-Kräfte mit den Valenzelektronen.
    • Durch Vernachlässigung der Elektron-Elektron-Wechselwirkung entstehen separierbare Einelektronenprobleme.
    • Der Überlapp von Orbitalen mehrerer Atome führt zur Aufspaltung von Energieniveaus und Veränderungen in der Ladungsverteilung.
    • Kovalente Bindung bezeichnet eine maximale Ladungsverteilung zwischen Atomen.
    • Ionische Bindung bezeichnet Ladungsverteilung, die stärker an den Atomen konzentriert ist.
    • Metallische Bindung bewirkt eine gleichmäßige Ladungsverteilung.
    • Van-der-Waals-Bindung beschreibt Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen ladungsneutralen Molekülen und trägt mit ca. 10 % zur Bindungsenergie bei.
    • Bindungsenergien in Festkörpern betragen ca. 1 bis 10 eV/Atom (100-1000 kJ/Mol).
    • Diese Werte können durch Energiezufuhr (thermisch, optisch) bestimmt werden, die Atome aus dem Festkörper entfernt.

    Laserablation von Kohlenstoffnanoröhren

    • Fester Kohlenstoff wird mit Laserenergie in die Gasphase überführt.
    • Kohlenstoff wird mithilfe eines Trägergasstroms zu einem gekühlten Cu-Kollektor transportiert.
    • Auf dem Kollektor bilden sich Carbon Nanotubes.
    • Cu dient als Katalysator.
    • Die Ausbeute an SWCNT beträgt ca. 70%.

    Chemical Vapor Deposition (CVD) von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren

    • Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen.
    • Der C-C-Abstand in Graphen beträgt 0,142 nm.
    • C-C-Abstand auf einer Ni(111) Oberfläche: 0,143 nm.

    Ionenbindung in Festkörpern

    • NaCl-Struktur (fcc) und CsCl-Struktur (bcc) sind typische Strukturen für ionische Bindungen.

    Elektronenaffinität, Ionisationsenergie und Elektronegativität

    • Elektronenaffinität (A) beschreibt die Energie, die frei wird, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt.
    • Ionisierungsenergie (I) beschreibt die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen.
    • Elektronegativität: X = 0.187ꞏ(I +A) + 0.17 (entsprechend der Pauling-Skala)

    Bindungsenergie von ionischen Kristallen und Madelungkonstante

    • Die Bindungsenergie eines ionischen Kristalls hängt mit der Madelung-Konstante zusammen.
    • Die Madelung-Konstante berücksichtigt die Abstände und Ladungen der Ionen.

    Korrelation zwischen Bindungsenergie und Bandlückenenergie

    • Die Bandlückenenergie (Eg) hängt mit der Bindungsenergie (Es) zusammen.
    • Für Halbleiter und Isolatoren mit überwiegend ionischen Bindungen gilt empirisch: Eg = 2 (Es - 2.5 eV).

    Metallische Bindung: Beispiel Nickel

    • Die Amplitude der 2pz-, 3dz2- und 4s-Wellenfunktion von Nickel ist dargestellt.
    • Die Halbwertsbreite der Wellenfunktionen korreliert mit der Entfernung zu den nächsten Nachbarn.

    Metallische Bindung: Kinetische und Potenzielle Energie

    • Die Beiträge der kinetischen und potenziellen Energie zur metallischen Bindung sind gegen den Abstand aufgetragen.

    Van-der-Waals-Wechselwirkung in Gecko-Setae (Borsten, Haare)

    • Gecko-Setae generieren Adhäsionskräfte durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen.
    • Die Kraft Fs pro Setae ist etwa 0,4 N.
    • Fs = A R / 6 D2
    • A: Hamaker-Konstante (materialabhängig, ca. 10-19 J)
    • R: Radius des gekrümmten Segments der Setae (ca. 2 m)
    • D: Abstand zur Oberfläche, unterhalb dessen die Van-der-Waals-Wechselwirkung zu schwach wird (ca. 0,3 nm)

    Wasserstoffbrückenbindung

    • Wasserstoffbrückenbindungen entstehen zwischen einem Wasserstoff- und einem stark elektronegativen Atom, z. B. Sauerstoff.
    • Das Wasserstoffatom gibt sein Elektron fast vollständig ab und erhält eine positive Ladung.
    • Diese positive Ladung bindet an ein negativ geladenes Ion oder Atom.
    • Typische Bindungsenergien liegen im Bereich von 0,1 bis 0,5 eV.

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    Dieses Quiz behandelt die verschiedenen Bindungsarten in Festkörpern, einschließlich kovalenter, ionischer, metallischer und Van-der-Waals-Bindungen. Zudem wird die Rolle von atomaren Orbitalen und Coulomb-Kräften in der Energieinteraktion thematisiert. Teste dein Wissen über die Struktur und Wechselwirkungen von Festkörpern!

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