De uitzetting van bepaalde stoffen bij bevriezing is een afwijkend gedrag dat optreedt als gevolg van specifieke atomaire arrangementen en bindingseigenschappen. In tegenstelling tot de meeste materialen die samentrekken wanneer ze stollen, vertonen gallium, silicium en bismuth een uitzetting in volume wanneer ze overgaan van een vloeibare naar een vaste toestand. Hier zijn de redenen achter hun uitbreiding van de bevriezing:

Gallium:

Gallium ondergaat tijdens het stollen een unieke faseovergang. Het transformeert van een kubieke (fcc) structuur met hoge temperatuur naar een orthorhombische structuur met lage temperatuur. Deze verandering brengt een herschikking van de atomen met zich mee op een manier die resulteert in een lossere opstelling in de vaste toestand vergeleken met de vloeibare toestand. Deze toename van de atomaire afstand zorgt ervoor dat gallium uitzet als het bevriest.

Silicium:

Silicium ondergaat bij bevriezing ook een faseovergang, vergelijkbaar met gallium. Het vloeibare silicium op hoge temperatuur heeft een kubusvormige diamantstructuur, terwijl de vaste vorm een ​​kubieke (fcc)-structuur met het gezichtcentrum aanneemt. Deze verandering in atomaire rangschikkingen creëert een minder dichte vaste structuur vergeleken met de vloeistof, wat leidt tot uitzetting tijdens bevriezing.

Bismuth:

De expansie van Bismuth bij bevriezing wordt toegeschreven aan een fenomeen dat 'kristallisatie met een verandering van coördinatiegetal' wordt genoemd. In de vloeibare toestand zijn bismutatomen op een compactere manier gerangschikt, waarbij elk atoom drie covalente bindingen vormt met aangrenzende atomen. Bij bevriezing gaat bismut over in een rhomboëdrische kristalstructuur waarbij elk atoom vijf covalente bindingen vormt. Deze toename van het coördinatiegetal vereist meer ruimte, wat resulteert in de uitzetting van bismut als het bevriest.

Dit afwijkende uitzettingsgedrag van gallium, silicium en bismut heeft belangrijke implicaties voor verschillende toepassingen. De uitzetting van gallium bij bevriezing maakt het bijvoorbeeld bruikbaar als afdichtmiddel bij toepassingen bij hoge temperaturen, zoals kleppen en pompen, waar zelfs bij hoge temperaturen een perfecte afdichting vereist is. Op dezelfde manier wordt de uitzetting van silicium tijdens het stollen in de halfgeleiderindustrie gebruikt om door spanning veroorzaakte wijzigingen in de elektronische eigenschappen van siliciumapparaten te creëren.

Het is vermeldenswaard dat hoewel gallium, silicium en bismut opmerkelijke voorbeelden zijn van stoffen die bij bevriezing uitzetten, ze niet de enige zijn. Een paar andere elementen en verbindingen, zoals water en antimoon, vertonen ook dit ongebruikelijke gedrag. Het begrijpen van deze uitzonderlijke eigenschappen is van cruciaal belang op verschillende gebieden van wetenschap en techniek, waaronder materiaalkunde, scheikunde en metallurgie.