tanulási cél

• beszéljétek meg a molekuláris kristályok tulajdonságait.

kifejezések

• adalékanyag szándékos bevezetése egy anyag mintájába annak elektromos tulajdonságainak megváltoztatása érdekében.
• molecular solidA szilárd molekulákból áll, amelyeket van der Waals intermolekuláris erők tartanak össze.
• van der Waals erővonzó erők a molekulák között (vagy ugyanazon molekula részei között). Ezek közé tartoznak a részleges töltések (hidrogénkötések és dipól-dipól kölcsönhatások) és a gyengébb londoni diszperziós erők közötti kölcsönhatások.
• intermolekuláris erőaz anyag mintájában lévő atomok vagy molekulák közötti vonzó kölcsönhatások bármelyike.

az intermolekuláris erők jellege

emlékezzünk arra, hogy egy molekulát úgy definiálunk, mint az irányított kovalens erők által kellően szorosan összekapcsolt atomok diszkrét aggregátumát, amely lehetővé teszi, hogy megőrizze egyéniségét, amikor az anyag feloldódik, megolvad vagy elpárolog. Az előző mondatban dőlt betűvel szereplő két szó fontos. A kovalens kötés azt jelenti, hogy a molekulán belüli atomok között ható erők (intramolekuláris) sokkal erősebbek, mint a molekulák között ható erők (intermolekuláris), a kovalens kötés irányított tulajdonsága minden molekulának megkülönböztető alakot ad, amely számos tulajdonságát befolyásolja.

a molekulákból álló folyadékokat és szilárd anyagokat van der Waals (vagy intermolekuláris) erők tartják össze, és sok tulajdonságuk tükrözi ezt a gyenge kötést. A molekuláris szilárd anyagok általában lágyak vagy deformálhatóak, olvadáspontjuk alacsony, és gyakran elég illékonyak ahhoz, hogy közvetlenül a gázfázisba párologjanak. Ez utóbbi tulajdonság gyakran jellegzetes szagot ad az ilyen szilárd anyagoknak. Míg a fémek és az ionos szilárd anyagok jellemző olvadáspontja ~1000cc ,a legtöbb molekuláris szilárd anyag jóval ~300cc alatt olvad. így sok megfelelő anyag folyékony (víz) vagy gáznemű (oxigén) szobahőmérsékleten.

a molekuláris szilárd anyagok sűrűsége és keménysége is viszonylag alacsony. Az Érintett elemek könnyűek, az intermolekuláris kötések viszonylag hosszúak, ezért gyengék. Az alkotó molekulák töltéssemlegessége, valamint a köztük lévő nagy távolság miatt a molekuláris szilárd anyagok elektromos szigetelők.

mivel a diszperziós erők és a többi Van der Waals-erő az atomok számával együtt növekszik, a nagy molekulák általában kevésbé illékonyak, és magasabb olvadáspontúak, mint a kisebbek. Továbbá, ahogy az ember lefelé mozog a periódusos rendszer egyik oszlopán, a külső elektronok lazábban kötődnek a maghoz, növelve az atom polarizálhatóságát, így hajlandóságát van der Waals-típusú kölcsönhatások. Ez a hatás különösen nyilvánvaló az egymás után nehezebb nemesgáz elemek forráspontjainak növekedésében.

esettanulmány: foszfor

a” molekuláris szilárd anyag ” kifejezés nem egy bizonyos kémiai összetételre, hanem egy anyag meghatározott formájára utalhat. Például a szilárd foszfor kristályosodhat különböző allotrópokban, úgynevezett “fehér”, “piros” és “fekete” foszforban.

• a fehér foszfor tetraéderes P4 molekulákból álló molekuláris kristályokat képez. A molekuláris szilárd, fehér foszfor viszonylag alacsony sűrűsége 1,82 g / cm3, olvadáspontja pedig 44,1 ezer c; ez egy puha anyag, amelyet késsel lehet vágni.
• a környezeti nyomáson történő melegítés 250 cc-ra vagy napfénynek való kitettség a fehér foszfort vörös foszforrá alakítja, amelyben a P4 tetraédereket már nem izolálják, hanem kovalens kötésekkel polimerszerű láncokká kötik össze.
• a fehér foszfor magas (GPa) nyomás alatt történő melegítése fekete foszforrá alakítja, amelynek réteges, grafitszerű szerkezete van.

amikor a fehér foszfor kovalens vörös foszforrá alakul, a sűrűség 2,2–2,4 g/cm3-re, az olvadáspont pedig 590 cc-ra növekszik; amikor a fehér foszfor átalakul (szintén kovalens) fekete foszforrá, a sűrűség 2,69–3,8 g/cm3 lesz, olvadási hőmérséklete ~200 C. C.

mind a vörös, mind a fekete foszfor formák lényegesen keményebbek, mint a fehér foszfor. Bár a fehér foszfor szigetelő, a fekete allotróp, amely az egész kristályra kiterjedő rétegekből áll, áramot vezet. A foszfor szerkezeti átmenetei reverzibilisek: a magas nyomás felszabadítása után a fekete foszfor fokozatosan vörös allotrópvá alakul, és a vörös foszfor 490 cc-os inert légkörben történő elpárologtatásával és a gőz kondenzálásával a kovalens vörös foszfor visszaváltozhat fehér molekuláris szilárd anyaggá.

Hasonlóképpen, a sárga arzén egy molekuláris szilárd anyag, amely As4 egységekből áll; metastabil, és melegítés vagy megvilágítás után fokozatosan szürke arzénná alakul. A kén és a szelén egyes formái S8 vagy Se8 egységekből állnak, és környezeti körülmények között molekuláris szilárd anyagok. Ezek azonban kovalens allotropokká alakulhatnak át, amelyek atomláncai a kristályon keresztül terjednek.

molekuláris szilárd anyagok osztályai

a molekuláris szilárd anyagok túlnyomó többsége szén-és hidrogéntartalmú szerves vegyületeknek, például szénhidrogéneknek (CnHm) tulajdonítható. A különböző számú szénatomból álló gömb alakú molekulák, az úgynevezett fullerének, egy másik fontos osztály. Kevésbé sok, mégis megkülönböztető molekuláris szilárd anyag a halogének (pl. Cl2) és azok hidrogénnel (pl. HCl), valamint könnyű kalkogének (pl. O2) és pniktogének (pl. N2).

a molekuláris szilárd anyagok vezetőképességét “doping” fullerének (pl. C60) indukálhatják. Szilárd formája szigetelő, mivel a szénatomok összes vegyértékelektronja részt vesz az egyes szénmolekulák kovalens kötéseiben. A fullerén molekulák közötti alkálifém atomok behelyezése (interkalálása) azonban extra elektronokat biztosít, amelyek könnyen ionizálhatók a fématomokból, és az anyagot vezetőképessé, sőt szupravezetővé teszik.