læringsmål

• Diskuter egenskaberne af molekylære krystaller.

Vilkår

• dopingforsigtigt at indføre urenheder i en prøve af et stof for at ændre dets elektriske egenskaber.
• molekylært solidet fast stof sammensat af molekyler holdt sammen af van Der Vaals intermolekylære kræfter.
• Van Der Vaals forceattraktive kræfter mellem molekyler (eller mellem dele af det samme molekyle). Disse omfatter interaktioner mellem delvise ladninger (hydrogenbindinger og dipol-dipol interaktioner) og svagere London dispersionskræfter.
• intermolekylær kraftenhver af de attraktive interaktioner, der opstår mellem atomer eller molekyler i en prøve af et stof.

arten af intermolekylære kræfter

Husk, at et molekyle er defineret som et diskret aggregat af atomer bundet tilstrækkeligt tæt sammen af rettede kovalente kræfter til at tillade det at bevare sin individualitet, når stoffet opløses, smeltes eller fordampes. De to ord, der er kursiveret i den foregående sætning, er vigtige. Kovalent binding indebærer, at kræfterne, der virker mellem atomer i molekylet (intramolekylært), er meget stærkere end dem, der virker mellem molekyler (intermolekylært), den retningsbestemte egenskab ved kovalent binding giver hvert molekyle en karakteristisk form, der påvirker et antal af dets egenskaber.

væsker og faste stoffer sammensat af molekyler holdes sammen af van Der-kræfter (eller intermolekylære) kræfter, og mange af deres egenskaber afspejler denne svage binding. Molekylære faste stoffer har tendens til at være bløde eller deformerbare, har lave smeltepunkter og er ofte tilstrækkeligt Flygtige til at fordampe direkte ind i gasfasen. Denne sidstnævnte egenskab giver ofte sådanne faste stoffer en karakteristisk lugt. Mens det karakteristiske smeltepunkt for metaller og Ioniske faste stoffer er ~1000 liter C, smelter de fleste molekylære faste stoffer godt under ~300 liter C. Således er mange tilsvarende stoffer enten flydende (vand) eller gasformige (ilt) ved stuetemperatur.

molekylære faste stoffer har også relativt lav densitet og hårdhed. De involverede elementer er lette, og de intermolekylære bindinger er relativt lange og er derfor svage. På grund af de sammensatte molekylers ladningsneutralitet og på grund af den lange afstand mellem dem er molekylære faste stoffer elektriske isolatorer.fordi dispersionskræfterne og de andre van Der-kræfter stiger med antallet af atomer, er store molekyler generelt mindre flygtige og har højere smeltepunkter end mindre. Når man bevæger sig ned ad en søjle i det periodiske system, er de ydre elektroner mere løst bundet til kernen, hvilket øger atomets polariserbarhed og dermed dets tilbøjelighed til interaktioner af Van Der-typen. Denne effekt er især tydelig i stigningen i kogepunkter for de successivt tungere ædelgaselementer.

casestudie: fosfor

udtrykket” molekylært fast stof ” kan ikke henvise til en bestemt kemisk sammensætning, men til en bestemt form af et materiale. For eksempel kan fast fosfor krystallisere i forskellige allotroper kaldet “hvid”, “rød” og “sort” fosfor.

• hvidt fosfor danner molekylære krystaller sammensat af tetraedriske P4-molekyler. Et molekylært fast, hvidt fosfor har en relativt lav densitet på 1,82 g/cm3 og smeltepunkt på 44,1 liter C; det er et blødt materiale, der kan skæres med en kniv.
• opvarmning ved omgivende tryk til 250 liter C eller udsættelse for sollys omdanner hvidt fosfor til rødt fosfor, hvor P4 tetraeder ikke længere er isoleret, men er forbundet med kovalente bindinger til polymerlignende kæder.opvarmning af hvidt fosfor under højt (GPa) tryk omdanner det til sort fosfor, som har en lagdelt, grafitlignende struktur.

Når hvidt fosfor omdannes til det kovalente røde fosfor, øges densiteten til 2,2 – 2,4 g/cm3 og smeltepunkt til 590 liter C; når hvidt fosfor omdannes til det (også kovalente) sorte fosfor, bliver densiteten 2,69–3,8 g/cm3 med en smeltetemperatur ~200 liter C.

både røde og sorte fosforformer er betydeligt hårdere end hvidt fosfor. Selvom hvidt fosfor er en isolator, leder den sorte allotrope, der består af lag, der strækker sig over hele krystallen, elektricitet. De strukturelle overgange i fosfor er reversible: ved frigivelse af højt tryk omdannes sort fosfor gradvist til den røde allotrope, og ved at fordampe rødt fosfor ved 490 kg C i en inert atmosfære og kondensere dampen, kan kovalent rødt fosfor omdannes tilbage til det hvide molekylære faste stof.

tilsvarende er gul arsen et molekylært fast stof sammensat af As4 enheder; det er metastabilt og omdannes gradvist til gråt arsen ved opvarmning eller belysning. Visse former for svovl og selen er hver sammensat af s8-eller Se8-enheder og er molekylære faste stoffer ved omgivende forhold. Imidlertid kan de omdannes til kovalente allotroper med atomkæder, der strækker sig gennem krystallen.

klasser af molekylære faste stoffer

langt størstedelen af molekylære faste stoffer kan tilskrives organiske forbindelser indeholdende kulstof og hydrogen, såsom carbonhydrider (CnHm). Sfæriske molekyler bestående af forskellige antal carbonatomer, kaldet fullerener, er en anden vigtig klasse. Mindre talrige, men alligevel karakteristiske molekylære faste stoffer er halogener (f.eks. Cl2) og deres forbindelser med hydrogen (f. eks. HCl) såvel som lette chalcogener (f. eks. O2) og pnictogener (f. eks. N2).

ledningsevne af molekylære faste stoffer kan induceres af” doping ” fullerener (f.eks. C60). Dens faste form er en isolator, fordi alle valenselektroner af carbonatomer er involveret i de kovalente bindinger inden for de enkelte carbonmolekyler. Imidlertid giver indsættelse (interkalering) alkalimetalatomer mellem fullerenmolekylerne ekstra elektroner, som let kan ioniseres fra metalatomerne og gøre materialet ledende og endda superledende.