Fest aber nicht stabil – schwarzes Arsen
Schon über 200 Jahre beschäftigt sich die Wissenschaft intensiv mit den Elementen Phosphor und Arsen. Prof. Dr. Peer Schmidt, Chemiker an der Hochschule Lausitz in Senftenberg, hat jetzt gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU München und der Universität Regensburg das Geheimnis der Existenz verschiedener Modifikationen von Phosphor und Arsen gelüftet.
Ein künstlich gewonnener Kristall vom schwarzen Arsen.
Prof. Dr. Peer Schmidt
So kennt man heute neben speziellen tubularen Strukturen vor allem den weißen, roten, schwarzen und violetten Phosphor. Laut Lehrbuch kommt Arsen als graues, gelbes und schwarzes Arsen vor. Die Existenz des schwarzen Arsens, das dem stabilen schwarzen Phosphor entsprechen soll, wurde jedoch nie zweifelsfrei bewiesen. Die Wissenschaftler zeigen nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie auf, dass schwarzes Arsen in reiner Form metastabil (also nicht-stabil) ist und bisher vermutlich nur in einer durch Fremdatome stabilisierten Form erhalten wurde.
Das Forscher-Team hat für die Untersuchungen Modellrechnungen mit Experimenten zur Kristallbildung kombiniert. Anhand der Berechnungen lässt sich abschätzen, wie hoch die Energie verschiedener Kristallmodifikationen der Stoffe ist. Ob und welche Modifikation bei chemischen Experimenten entsteht, hängt aber nicht nur von der energetischen Stabilität ab, sondern auch, mit welcher Geschwindigkeit sich die Stoffe bilden oder ineinander umwandeln. Die Bildung untersuchten die Forscher mithilfe von Gasphasenreaktionen. Die Feststoffe wurden dabei erhitzt und der resultierende Druck gemessen, der sich durch die Sublimation aufbaut. Dadurch konnten die stabilen und metastabilen Modifikationen unterschieden und Umwege über mehrere metastabile Zwischenstufen erkannt werden.
Die Ergebnisse solcher Untersuchungen liefern nicht nur Grundlagenwissen, sondern helfen vor allem, Synthesewege für gewünschte, metastabile Phasen zielgerichtet zu planen. Dies ist für die Entwicklung innovativer Materialien mit neuen, attraktiven Eigenschaften interessant. Ein gängiges Beispiel für eine metastabile Phase ist der extrem harte Diamant, der sich theoretisch spontan in Graphit verwandeln kann – dies bei Raumtemperatur aber praktisch niemals tut.
Prof. Peer Schmidt beschäftigt sich an der Hochschule Lausitz mit der Modellierung sowie der Synthese neuer anorganischer Materialien über Gasphasenreaktionen. Er ist Mitautor der Monographie über „Chemische Transportreaktionen“. Aus der Arbeitsgruppe von Prof. Schmidt kommen zudem wesentliche methodische Weiterentwicklungen zur Gasphasenanalytik bei Festkörperreaktionen.
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