Wat is de sterkste binding: koolstof-silicium of koolstof-wolfraam?

Kees, 29 jaar
2 februari 2018

Antwoord

Beste Kees, 

Dat is een zeer interessante en eigenlijk niet zo eenvoudige vraag. De moeilijkheid zit in de context van "de binding" verborgen. Gaat het om de binding tussen twee vrije atomen of tussen de atomen wanneer ze in een vaste stof of in een grotere molecule zijn ingebouwd? Hebben we het over een enkele, dubbele of driedubbele binding?  In een Si-C molecule zou je (op basis van middelbare-school-chemie-kennis) een vierdubbele binding kunnen veronderstellen, de Lewis-notatie toot immers 4 ongepaarde elektronen voor beide atomen. Dat zijn enorm veel elektronen die zeer dicht bij elkaar dienen te zitten, iets dat elektronen niet zo graag doen. Hoeveel zijn het er dan wel? Je kan dit niet direct observeren in een experiment (enkel indirect door een model te linken aan de experimentele data, bv. een infrarood spectrum). Hier kan computationele chemie en computationele materiaalkunde je helpen.

Laat ons beginnen bij de vast-stof versie van je vraag. Er zijn heel wat onderzoekers die werken op vaste stoffen, en met de groei in computer-resources zijn er ook grote projecten ontstaan die het "genoom van materialen" willen in kaart brengen. Een zo een project is materials-project.org. Deze website is gelinkt aan een database van materialen welke door deze onderzoekers reeds zijn doorgerekend. Door de resultaten in een database te verzamelen en open te stellen kan men hier rechtstreeks gebruik van maken zonder alles telkens opnieuw te moeten uitrekenen (je hebt hiervoor iets meer rekenkracht nodig dan gewoonlijk aanwezig is op een standaard desktop/laptop). Het materials-project is voor iedereen gratis toegankelijk (gewoon even registreren), dus we gaan daar gebruik van maken.

Kies de twee elementen waarin je geïnteresseerd bent: Si en C, druk op search, en je krijgt meteen een lijst van Si-C gebaseerde materialen. (Men heeft dus SiC en SiC2 in verschillende geometrieën berekend) We kiezen voor SiC, en we willen het meest stabiele materiaal hebben (E above Hull = 0 ), dan zien we dat SiC een vormingsenergie heeft van -0.205 eV. Met andere woorden, er komt 0.2 eV aan energie vrij per Si-C eenheid in vergelijking puur silicium en koolstof (grafiet). Doen we hetzelfde voor W en C, dan zien we dat de vormingsenergie voor WC -0.123eV is. Hieruit zouden we kunnen afleiden dat de Si-C binding sterker is dan de W-C binding (zeker als je weet dat elk C in SiC 4 bindingen heeft, en elk C in WC 6 bindingen heeft). Je moet hiermee wel opletten, want de energie die je berekend hebt geeft eigenlijk enkel aan hoeveel sterker de bindingen zijn in vergelijking met de gemiddelde binding in silicium, grafiet en wolfraam. Hoewel dit belangrijk is om te weten of deze stof stabiel is en niet spontaan terug in de elementaire stoffen zal proberen veranderen is het eigenlijk moeilijk om de twee energieën te vergelijken met jouw specifieke vraag in het achterhoofd, we weten immers niets over de sterkte van de bindingen in puur silicium en wolfraam. Je kan wel verschillende SiyCx (of WyCx) compounds vergelijken. Dit laat je toe enkele, dubbele en driedubbele bindingen te vergelijken.

Daarom kijken we beter binnen de context van de moleculaire wereld naar je vraag. Je zou 2 diatomaire moleculen (Si-C en W-C) kunnen creëren en hiervoor berekenen hoe sterk hun binding is. Dit doe je door de energie van dit atoompaar te berekenen als ze zeer ver van elkaar staan (10 Ångström of 1 nm is heel ver op atomaire schaal), en wanneer ze op hun optimale afstand van elkaar staan. Op de bijgevoegde figuur zie je de resultaten van een set van berekeningen die ik hiervoor uitvoerde. Waar de curves een minimum hebben, bevindt zich de optimale bindingsafstand. Ik heb de energieën verschoven zodat de energie voor atomen "ver uit elkaar" gelijk is aan nul. We leren hieruit dat de W-C binding de sterkste is

 

Groeten,
Danny

 

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2018
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen