Expansionen av vissa ämnen vid frysning är ett anomalt beteende som uppstår på grund av specifika atomarrangemang och bindningsegenskaper. Till skillnad från de flesta material som drar ihop sig när de stelnar, uppvisar gallium, kisel och vismut en expansion i volym när de övergår från flytande till fast tillstånd. Här är anledningarna bakom deras expansion på frysning:

Gallium:

Gallium genomgår en unik fasövergång under stelning. Den förvandlas från en högtemperatur, ansiktscentrerad kubisk (fcc) struktur till en lågtemperatur, ortorhombisk struktur. Denna förändring innebär en omarrangering av atomerna på ett sätt som resulterar i ett mer löst packat arrangemang i det fasta tillståndet jämfört med det flytande tillståndet. Denna ökning av atomavstånd gör att gallium expanderar när det fryser.

Kisel:

Kisel genomgår också en fasövergång vid frysning, liknande gallium. Det flytande kiselet med hög temperatur har en diamantkubisk struktur, medan den fasta formen antar en ansiktscentrerad kubisk (fcc) struktur. Denna förändring i atomarrangemang skapar en mindre tät fast struktur jämfört med vätskan, vilket leder till expansion under frysning.

Vismut:

Vismuts expansion på frysning tillskrivs ett fenomen som kallas "kristallisering med en förändring av koordinationsnummer." I flytande tillstånd är vismutatomer ordnade på ett mer kompakt sätt, där varje atom bildar tre kovalenta bindningar med angränsande atomer. Vid frysning övergår vismut till en romboedrisk kristallstruktur där varje atom bildar fem kovalenta bindningar. Denna ökning av koordinationsnummer kräver mer utrymme, vilket resulterar i expansion av vismut när den fryser.

Dessa onormala expansionsbeteenden hos gallium, kisel och vismut har viktiga implikationer i olika tillämpningar. Till exempel gör expansionen av gallium vid frysning det användbart som tätningsmedel i högtemperaturapplikationer, såsom ventiler och pumpar, där en perfekt tätning krävs även vid höga temperaturer. På liknande sätt utnyttjas expansionen av kisel under stelning i halvledarindustrin för att skapa spänningsinducerade modifieringar av kiselanordningarnas elektroniska egenskaper.

Det är värt att notera att även om gallium, kisel och vismut är anmärkningsvärda exempel på ämnen som expanderar vid frysning, är de inte de enda. Några andra grundämnen och föreningar, såsom vatten och antimon, uppvisar också detta ovanliga beteende. Att förstå dessa exceptionella egenskaper är avgörande inom olika områden av vetenskap och teknik, inklusive materialvetenskap, kemi och metallurgi.