avainkohdat

• molekyylikiinteä aine koostuu molekyyleistä, joita van der Waalsin voimat pitävät koossa. Sen ominaisuuksia sanelee näiden intermolekulaaristen voimien heikko luonne. Molekyylikiinteistöt ovat pehmeitä, usein haihtuvia, niiden sulamislämpötila on alhainen ja ne ovat sähköeristeitä.
• Molekyylikiinteistöjen luokkiin kuuluvat hiilen ja vedyn muodostamat orgaaniset yhdisteet, fullereenit, halogeenit (F, Cl jne.), kalkogeenit (O, S jne.) ja pniktogeenit (N, P jne.).
• suuremmat molekyylit ovat vähemmän haihtuvia ja niillä on korkeammat sulamispisteet, koska niiden dispersiovoimat kasvavat suuremman atomimäärän myötä. Ulompien elektronien sitoutumisen väheneminen ytimeen lisää myös van der Waals-tyyppisiä atomin vuorovaikutuksia sen lisääntyvän polarisoituvuuden vuoksi.

termit

• dopingaine lisää epäpuhtauksia näytteeseen aineen sähköisiä ominaisuuksia muuttaakseen.
• molekylaarinen solida-kiinteä aine, joka koostuu molekyyleistä, joita van der Waalsin molekyylien väliset voimat pitävät koossa.
• Van der Waals pakottaa molekyylien (tai saman molekyylin osien) väliset vetovoimat. Näitä ovat osittaisvarausten väliset vuorovaikutukset (vetysidokset ja dipoli-dipoli-vuorovaikutukset) sekä heikommat Lontoon dispersiovoimat.
• intermolecular forceAny of the attractive interaktions that occur between atoms or molecules in a sample of a substance.

molekyylien välisten voimien luonne

muistuttaa, että molekyyli määritellään atomien erilliseksi aggregaatiksi, joka on sitoutunut riittävän tiiviisti yhteen kohdistettujen kovalenttisten voimien avulla, jotta se voi säilyttää yksilöllisyytensä aineen liuetessa, sulaessa tai höyrystyessä. Edellisessä virkkeessä kursivoidut kaksi sanaa ovat tärkeitä. Kovalenttinen sidos tarkoittaa, että molekyylin sisällä (intramolekulaarisessa) atomien välillä vaikuttavat voimat ovat paljon voimakkaampia kuin molekyylien välillä (intermolekulaarisessa) vaikuttavat voimat, kovalenttisen sidoksen suuntautumisominaisuus antaa kullekin molekyylille tunnusomaisen muodon, joka vaikuttaa useisiin sen ominaisuuksiin.

molekyyleistä koostuvat nesteet ja kiintoaineet pysyvät koossa van der Waalsin (tai molekyylien välisten) voimien avulla, ja monet niiden ominaisuudet heijastavat tätä heikkoa sitoutumista. Molekyylikiinteistöt ovat yleensä pehmeitä tai muotoutuvia, niillä on alhaiset sulamispisteet ja ne ovat usein riittävän haihtuvia haihtuakseen suoraan kaasufaasiin. Tämä jälkimmäinen ominaisuus antaa usein tällaisille kiinteille aineille tunnusomaisen hajun. Siinä missä metallien ja ionisten kiintoaineiden tyypillinen sulamispiste on ~1000 °C, useimmat molekyylikiinteistöt sulavat selvästi alle ~300 °C. Näin ollen monet vastaavat aineet ovat huoneenlämpötilassa joko nestemäisiä (vesi) tai kaasumaisia (happi).

Molekyylikiinteillä kiinteillä aineilla on myös suhteellisen alhainen tiheys ja kovuus. Mukana olevat alkuaineet ovat kevyitä, ja molekyylien väliset sidokset ovat suhteellisen pitkiä ja ovat siksi heikkoja. Molekyylien varausneutraalisuuden ja niiden välisen pitkän etäisyyden vuoksi molekyylikiinteistöt ovat sähköeristeitä.

koska dispersiovoimat ja muut van der Waalsin voimat kasvavat atomien määrän myötä, suuret molekyylit ovat yleensä vähemmän haihtuvia ja niillä on suuremmat sulamispisteet kuin pienemmillä. Myös jaksollisen järjestelmän kolonnia alaspäin siirryttäessä uloimmat elektronit sitoutuvat löyhemmin ytimeen, mikä lisää atomin polarisoituvuutta ja siten sen taipumusta van der Waals-tyyppisiin vuorovaikutuksiin. Tämä vaikutus näkyy erityisesti peräkkäin raskaampien jalokaasuelementtien kiehumispisteiden nousuna.

tapaustutkimus: fosfori

termi ”molekyylikiinteä” ei voi viitata tiettyyn kemialliseen koostumukseen, vaan tiettyyn materiaalin muotoon. Esimerkiksi kiinteä fosfori voi kiteytyä eri allotroopeiksi, joita kutsutaan” valkoiseksi”,” punaiseksi ”ja” mustaksi ” fosforiksi.

• valkoinen fosfori muodostaa molekyylikiteitä, jotka koostuvat tetraedrisistä P4-molekyyleistä. Molekyylisen kiinteän, valkoisen fosforin tiheys on suhteellisen alhainen 1,82 g / cm3 ja sulamispiste 44,1 °C; se on pehmeää materiaalia, jota voidaan leikata veitsellä.
• kuumennettaessa ympäristön paineessa 250 °C: n lämpötilaan tai altistettaessa auringonvalolle valkoinen fosfori muuttuu punaiseksi fosforiksi, jossa P4-tetraedri ei enää eristy, vaan se on liittynyt kovalenttisilla sidoksilla polymeerimäisiksi ketjuiksi.
• valkoisen fosforin kuumentaminen korkeassa (GPa) paineessa muuttaa sen mustaksi fosforiksi, jolla on kerroksellinen, grafiittimainen rakenne.

kun valkoinen fosfori muuttuu kovalenttiseksi punaiseksi fosforiksi, tiheys kasvaa 2,2–2,4 g / cm3: een ja sulamispiste 590 °C: een; kun valkoinen fosfori muuttuu (myös kovalenttiseksi) mustaksi fosforiksi, tiheys muuttuu 2,69–3,8 g/cm3 sulamislämpötilan ollessa ~200 °C.

sekä punainen että musta fosforimuoto ovat huomattavasti kovempia kuin valkoinen fosfori. Vaikka valkoinen fosfori on eriste, musta allotrooppi, joka koostuu koko Kiteen yli ulottuvista kerroksista, johtaa sähköä. Fosforin rakenteelliset siirtymät ovat palautuvia: kun korkea paine vapautuu, musta fosfori muuttuu vähitellen punaiseksi allotrooppiksi, ja höyrystämällä punaista fosforia 490 °C: ssa inertissä ilmakehässä ja tiivistämällä höyryä, kovalenttinen punainen fosfori voidaan muuttaa takaisin valkoiseksi molekyylikiinteäksi.

vastaavasti keltainen arseeni on AS4-yksiköistä koostuva molekyylinen kiinteä aine; se on metastabiili ja muuttuu vähitellen harmaaksi arseeniksi Kuumennettaessa tai valaistessa. Tietyt rikin ja seleenin muodot koostuvat kumpikin S8-tai Se8-yksiköistä ja ovat ympäristön olosuhteissa molekyylikiinteistöjä. Ne voivat kuitenkin muuntua kovalenttisiksi allotrooppeiksi, joiden atomiketjut ulottuvat kokonaan kiteen läpi.

Molekyylikiinteistöjen luokat

valtaosa molekyylikiinteistöistä johtuu hiiltä ja vetyä sisältävistä orgaanisista yhdisteistä, kuten hiilivedyistä (CnHm). Toinen tärkeä luokka ovat pallomaiset molekyylit, jotka koostuvat eri määrästä hiiliatomeja, joita kutsutaan fullereeneiksi. Vähemmän lukuisia, mutta selvästi erottuvia molekyylikiinteistöjä ovat halogeenit (esim. Cl2) ja niiden yhdisteet vedyn kanssa (esim.HCl) sekä kevyet kalkogeenit (esim. O2) ja pniktogeenit (esim. N2).

Molekyylikiinteistöjen johtavuus voidaan indusoida ”doping” fullereeneilla (esim.C60). Sen kiinteä muoto on eriste, koska kaikki hiiliatomien valenssielektronit ovat mukana yksittäisten hiilimolekyylien kovalenttisissa sidoksissa. Fullereenimolekyylien väliin sijoitettaessa (interkaloituvia) alkalimetalliatomeja saadaan kuitenkin ylimääräisiä elektroneja, jotka voidaan helposti ionisoida metalliatomeista ja tehdä aineesta johtavaa ja jopa suprajohtavaa.