Termes

• Dopingintentionnellement introduire des impuretés dans un échantillon d’une substance afin de modifier ses propriétés électriques.
• solide moléculaire Un solide composé de molécules maintenues ensemble par des forces intermoléculaires de van der Waals.
• Force de Van der Waals Forces d’attraction entre molécules (ou entre parties d’une même molécule). Ceux-ci incluent les interactions entre les charges partielles (liaisons hydrogène et interactions dipôle-dipôle) et les forces de dispersion de London plus faibles.
• force intermoléculaires Toutes les interactions attrayantes qui se produisent entre des atomes ou des molécules dans un échantillon d’une substance.

La nature des Forces intermoléculaires

Rappelle qu’une molécule est définie comme un agrégat discret d’atomes liés entre eux suffisamment étroitement par des forces covalentes dirigées pour lui permettre de conserver son individualité lorsque la substance est dissoute, fondue ou vaporisée. Les deux mots en italique dans la phrase précédente sont importants. La liaison covalente implique que les forces agissant entre les atomes au sein de la molécule (intramoléculaire) sont beaucoup plus fortes que celles agissant entre les molécules (intermoléculaires), La propriété directionnelle de la liaison covalente donne à chaque molécule une forme distinctive qui affecte un certain nombre de ses propriétés.

Les liquides et les solides composés de molécules sont maintenus ensemble par des forces de van der Waals (ou intermoléculaires), et beaucoup de leurs propriétés reflètent cette faible liaison. Les solides moléculaires ont tendance à être mous ou déformables, ont de faibles points de fusion et sont souvent suffisamment volatils pour s’évaporer directement dans la phase gazeuse. Cette dernière propriété donne souvent à ces solides une odeur distinctive. Alors que le point de fusion caractéristique des métaux et des solides ioniques est de ~ 1000 ° C, la plupart des solides moléculaires fondent bien en dessous de ~ 300 ° C. Ainsi, de nombreuses substances correspondantes sont liquides (eau) ou gazeuses (oxygène) à température ambiante.

Les solides moléculaires ont également une densité et une dureté relativement faibles. Les éléments impliqués sont légers, et les liaisons intermoléculaires sont relativement longues et sont donc faibles. En raison de la neutralité de charge des molécules constitutives et de la grande distance qui les sépare, les solides moléculaires sont des isolants électriques.

Comme les forces de dispersion et les autres forces de van der Waals augmentent avec le nombre d’atomes, les grosses molécules sont généralement moins volatiles et ont des points de fusion plus élevés que les plus petites. De plus, lorsque l’on descend d’une colonne du tableau périodique, les électrons externes sont plus faiblement liés au noyau, augmentant la polarisabilité de l’atome, et donc sa propension aux interactions de type van der Waals. Cet effet est particulièrement visible dans l’augmentation des points d’ébullition des éléments gazeux nobles successivement plus lourds.

Étude de cas: Phosphore

Le terme « solide moléculaire” peut désigner non pas une certaine composition chimique, mais une forme spécifique d’un matériau. Par exemple, le phosphore solide peut cristalliser dans différents allotropes appelés phosphore « blanc”, « rouge” et « noir”.

• Le phosphore blanc forme des cristaux moléculaires composés de molécules P4 tétraédriques. Un phosphore blanc solide moléculaire a une densité relativement faible de 1,82 g / cm3 et un point de fusion de 44,1 ° C; c’est un matériau souple qui peut être coupé au couteau.
• Le chauffage à pression ambiante jusqu’à 250 ° C ou l’exposition à la lumière du soleil convertit le phosphore blanc en phosphore rouge, dans lequel les tétraèdres P4 ne sont plus isolés, mais sont reliés par des liaisons covalentes en chaînes de type polymère.
• Le chauffage du phosphore blanc sous des pressions élevées (GPa) le convertit en phosphore noir, qui a une structure stratifiée semblable à celle du graphite.

Lorsque le phosphore blanc est converti en phosphore rouge covalent, la densité augmente à 2,2-2,4 g / cm3 et le point de fusion à 590 ° C; lorsque le phosphore blanc est transformé en phosphore noir (également covalent), la densité devient de 2,69 à 3,8 g / cm3 avec une température de fusion ~ 200 ° C.

Les formes de phosphore rouge et noir sont significativement plus dures que le phosphore blanc. Bien que le phosphore blanc soit un isolant, l’allotrope noir, constitué de couches s’étendant sur tout le cristal, conduit l’électricité. Les transitions structurelles du phosphore sont réversibles: en libérant une pression élevée, le phosphore noir se transforme progressivement en allotrope rouge et, en vaporisant du phosphore rouge à 490 ° C dans une atmosphère inerte et en condensant la vapeur, le phosphore rouge covalent peut être transformé en solide moléculaire blanc.

De même, l’arsenic jaune est un solide moléculaire composé d’unités As4; il est métastable et se transforme progressivement en arsenic gris lors du chauffage ou de l’éclairage. Certaines formes de soufre et de sélénium sont chacune composées d’unités S8 ou Se8 et sont des solides moléculaires aux conditions ambiantes. Cependant, ils peuvent se convertir en allotropes covalents ayant des chaînes atomiques s’étendant tout au long du cristal.

Classes de solides moléculaires

La grande majorité des solides moléculaires peuvent être attribués à des composés organiques contenant du carbone et de l’hydrogène, tels que les hydrocarbures (CnHm). Les molécules sphériques composées d’un nombre différent d’atomes de carbone, appelées fullerènes, constituent une autre classe importante. Les solides moléculaires moins nombreux, mais distinctifs, sont les halogènes (par exemple, Cl2) et leurs composés contenant de l’hydrogène (par exemple, HCl), ainsi que les chalcogènes légers (par exemple, O2) et les pnictogènes (par exemple, N2).

La conductivité des solides moléculaires peut être induite par le ”dopage » des fullerènes (par exemple, C60). Sa forme solide est un isolant car tous les électrons de valence des atomes de carbone sont impliqués dans les liaisons covalentes au sein des molécules de carbone individuelles. Cependant, l’insertion (intercalation) d’atomes de métal alcalin entre les molécules de fullerène fournit des électrons supplémentaires, qui peuvent être facilement ionisés à partir des atomes de métal et rendre le matériau conducteur, voire supraconducteur.