Begriffe

• Dotierungabsichtliches Einbringen von Verunreinigungen in eine Probe einer Substanz, um ihre elektrischen Eigenschaften zu ändern.
• molekularer Feststoffein Feststoff, der aus Molekülen besteht, die durch intermolekulare Kräfte von van der Waals zusammengehalten werden.
• Van der Waals-kraftAttraktive Kräfte zwischen Molekülen (oder zwischen Teilen desselben Moleküls). Dazu gehören Wechselwirkungen zwischen Teilladungen (Wasserstoffbrückenbindungen und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen) und schwächere Londoner Dispersionskräfte.
• intermolekulare Kraftjede der attraktiven Wechselwirkungen, die zwischen Atomen oder Molekülen in einer Probe einer Substanz auftreten.

Die Natur der intermolekularen Kräfte

Denken Sie daran, dass ein Molekül als diskretes Aggregat von Atomen definiert ist, die durch gerichtete kovalente Kräfte ausreichend eng miteinander verbunden sind, damit es seine Individualität behalten kann, wenn die Substanz gelöst, geschmolzen oder verdampft wird. Die beiden kursiven Wörter im vorhergehenden Satz sind wichtig. Kovalente Bindung impliziert, dass die Kräfte, die zwischen Atomen innerhalb des Moleküls (intramolekular) wirken, viel stärker sind als die, die zwischen Molekülen (intermolekular) wirken.Flüssigkeiten und Feststoffe, die aus Molekülen bestehen, werden durch Van-der-Waals-Kräfte (oder intermolekulare Kräfte) zusammengehalten, und viele ihrer Eigenschaften spiegeln diese schwache Bindung wider. Molekulare Feststoffe neigen dazu, weich oder verformbar zu sein, haben niedrige Schmelzpunkte und sind oft ausreichend flüchtig, um direkt in die Gasphase zu verdampfen. Diese letztere Eigenschaft verleiht solchen Feststoffen oft einen ausgeprägten Geruch. Während der charakteristische Schmelzpunkt von Metallen und ionischen Feststoffen bei ~ 1000 ° C liegt, schmelzen die meisten molekularen Feststoffe deutlich unter ~ 300 ° C. Daher sind viele entsprechende Substanzen bei Raumtemperatur entweder flüssig (Wasser) oder gasförmig (Sauerstoff).

Molekulare Feststoffe haben auch eine relativ geringe Dichte und Härte. Die beteiligten Elemente sind leicht und die intermolekularen Bindungen sind relativ lang und daher schwach. Wegen der Ladungsneutralität der konstituierenden Moleküle und wegen der großen Entfernung zwischen ihnen sind molekulare Feststoffe elektrische Isolatoren.Da Dispersionskräfte und die anderen Van-der-Waals-Kräfte mit der Anzahl der Atome zunehmen, sind große Moleküle im Allgemeinen weniger flüchtig und haben höhere Schmelzpunkte als kleinere. Wenn man sich eine Säule im Periodensystem hinunterbewegt, sind die äußeren Elektronen lockerer an den Kern gebunden, was die Polarisationsfähigkeit des Atoms und damit seine Neigung zu Wechselwirkungen vom Van-der-Waals-Typ erhöht. Dieser Effekt zeigt sich insbesondere in der Erhöhung der Siedepunkte der nacheinander schwereren Edelgaselemente.

Fallstudie: Phosphor

Der Begriff „molekularer Feststoff“ bezieht sich möglicherweise nicht auf eine bestimmte chemische Zusammensetzung, sondern auf eine bestimmte Form eines Materials. Beispielsweise kann fester Phosphor in verschiedenen Allotropen kristallisieren, die als „weißer“, „roter“ und „schwarzer“ Phosphor bezeichnet werden.

• Weißer Phosphor bildet molekulare Kristalle, die aus tetraedrischen P4-Molekülen bestehen. Weißer Phosphor ist ein molekularer Feststoff mit einer relativ geringen Dichte von 1,82 g / cm3 und einem Schmelzpunkt von 44,1 ° C. Es ist ein weiches Material, das mit einem Messer geschnitten werden kann.
• Erhitzen bei Umgebungsdruck auf 250 ° C oder Sonneneinstrahlung wandelt weißen Phosphor in roten Phosphor um, in dem die P4-Tetraeder nicht mehr isoliert sind, sondern durch kovalente Bindungen zu polymerähnlichen Ketten verbunden sind.Das Erhitzen von weißem Phosphor unter hohem Druck (GPa) wandelt ihn in schwarzen Phosphor um, der eine geschichtete, graphitartige Struktur aufweist.

Wenn weißer Phosphor in den kovalenten roten Phosphor umgewandelt wird, steigt die Dichte auf 2,2-2,4 g / cm3 und der Schmelzpunkt auf 590 ° C; wenn weißer Phosphor in den (auch kovalenten) schwarzen Phosphor umgewandelt wird, wird die Dichte 2,69–3,8 g / cm3 mit einer Schmelztemperatur ~ 200 ° C.

Sowohl rote als auch schwarze Phosphorformen sind signifikant härter als weißer Phosphor. Obwohl weißer Phosphor ein Isolator ist, leitet das schwarze Allotrop, das aus Schichten besteht, die sich über den gesamten Kristall erstrecken, Elektrizität. Die strukturellen Übergänge in Phosphor sind reversibel: durch Verdampfen von rotem Phosphor bei 490 ° C in einer inerten Atmosphäre und Kondensieren des Dampfes kann kovalenter roter Phosphor wieder in den weißen molekularen Feststoff umgewandelt werden.In ähnlicher Weise ist gelbes Arsen ein molekularer Feststoff, der aus As4-Einheiten besteht; Es ist metastabil und wandelt sich beim Erhitzen oder Beleuchten allmählich in graues Arsen um. Bestimmte Formen von Schwefel und Selen bestehen jeweils aus S8- oder Se8-Einheiten und sind unter Umgebungsbedingungen molekulare Feststoffe. Sie können sich jedoch in kovalente Allotrope mit Atomketten umwandeln, die sich durch den gesamten Kristall erstrecken.

Klassen molekularer Feststoffe

Die überwiegende Mehrheit molekularer Feststoffe kann organischen Verbindungen zugeschrieben werden, die Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, wie Kohlenwasserstoffe (CnHm). Kugelförmige Moleküle, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehen, Fullerene genannt, sind eine weitere wichtige Klasse. Weniger zahlreich, aber unverwechselbare molekulare Feststoffe sind Halogene (z. B. Cl2) und ihre Verbindungen mit Wasserstoff (z. B. HCl) sowie leichte Chalkogene (z. B. O2) und Pnictogene (z. B. N2).

Die Leitfähigkeit molekularer Feststoffe kann durch „Dotierung“ von Fullerenen (z. B. C60) induziert werden. Seine feste Form ist ein Isolator, da alle Valenzelektronen von Kohlenstoffatomen an den kovalenten Bindungen innerhalb der einzelnen Kohlenstoffmoleküle beteiligt sind. Das Einfügen (Interkalieren) von Alkalimetallatomen zwischen die Fulleren-Moleküle liefert jedoch zusätzliche Elektronen, die leicht von den Metallatomen ionisiert werden können und das Material leitfähig und sogar supraleitend machen.