Términos

• Introducir impurezas de forma intencional en una muestra de una sustancia para cambiar sus propiedades eléctricas.
• solida molecular sólido compuesto de moléculas unidas por fuerzas intermoleculares de van der Waals.
• Fuerza de Van der Waals Fuerzas de atracción entre moléculas (o entre partes de la misma molécula). Estas incluyen interacciones entre cargas parciales (enlaces de hidrógeno e interacciones dipolo-dipolo), y fuerzas de dispersión de Londres más débiles.
• fuerza intermolecularuna de las interacciones atractivas que ocurren entre átomos o moléculas en una muestra de una sustancia.

La Naturaleza de las Fuerzas Intermoleculares

Recuerda que una molécula se define como un agregado discreto de átomos unidos lo suficientemente estrechamente por fuerzas covalentes dirigidas para permitirle retener su individualidad cuando la sustancia se disuelve, funde o vaporiza. Las dos palabras en cursiva de la oración anterior son importantes. La unión covalente implica que las fuerzas que actúan entre los átomos dentro de la molécula (intramolecular) son mucho más fuertes que las que actúan entre moléculas (intermolecular), la propiedad direccional de la unión covalente le da a cada molécula una forma distintiva que afecta a varias de sus propiedades.

Líquidos y sólidos compuestos de moléculas se mantienen unidos por fuerzas de van der Waals (o intermoleculares), y muchas de sus propiedades reflejan esta unión débil. Los sólidos moleculares tienden a ser blandos o deformables, tienen puntos de fusión bajos y, a menudo, son lo suficientemente volátiles como para evaporarse directamente en la fase gaseosa. Esta última propiedad a menudo da a tales sólidos un olor distintivo. Mientras que el punto de fusión característico de metales y sólidos iónicos es de ~1000 ° C, la mayoría de los sólidos moleculares se funden muy por debajo de ~300 °C. Por lo tanto, muchas sustancias correspondientes son líquidas (agua) o gaseosas (oxígeno) a temperatura ambiente.

Los sólidos moleculares también tienen una densidad y dureza relativamente bajas. Los elementos involucrados son ligeros, y los enlaces intermoleculares son relativamente largos y, por lo tanto, débiles. Debido a la neutralidad de carga de las moléculas constituyentes, y debido a la larga distancia entre ellas, los sólidos moleculares son aislantes eléctricos.

Debido a que las fuerzas de dispersión y las otras fuerzas de van der Waals aumentan con el número de átomos, las moléculas grandes son generalmente menos volátiles y tienen puntos de fusión más altos que las más pequeñas. Además, a medida que uno se mueve hacia abajo en una columna de la tabla periódica, los electrones exteriores están más ligados al núcleo, aumentando la polarisabilidad del átomo, y por lo tanto su propensión a las interacciones de tipo van der Waals. Este efecto es particularmente evidente en el aumento de los puntos de ebullición de los elementos de gas noble, sucesivamente más pesados.

Estudio de caso: Fósforo

El término» sólido molecular » puede referirse no a una determinada composición química, sino a una forma específica de un material. Por ejemplo, el fósforo sólido puede cristalizar en diferentes alótropos llamados fósforo «blanco», «rojo» y «negro».

• El fósforo blanco forma cristales moleculares compuestos de moléculas P4 tetraédricas. Un fósforo blanco sólido molecular tiene una densidad relativamente baja de 1,82 g / cm3 y un punto de fusión de 44,1 °C; es un material blando que se puede cortar con un cuchillo.
• El calentamiento a presión ambiental a 250 ° C o la exposición a la luz solar convierten el fósforo blanco en fósforo rojo, en el que los tetraedros P4 ya no están aislados, sino que están conectados por enlaces covalentes en cadenas similares a polímeros.
• Calentar fósforo blanco a altas presiones (GPa) lo convierte en fósforo negro, que tiene una estructura en capas similar al grafito.

Cuando el fósforo blanco se convierte en fósforo rojo covalente, la densidad aumenta a 2,2-2,4 g / cm3 y el punto de fusión a 590 ° C; cuando el fósforo blanco se transforma en fósforo negro (también covalente), la densidad se convierte en 2,69–3,8 g/cm3 con una temperatura de fusión de ~200 °C.

Las formas de fósforo rojo y negro son significativamente más duras que el fósforo blanco. Aunque el fósforo blanco es un aislante, el alótropo negro, que consiste en capas que se extienden sobre todo el cristal, conduce la electricidad. Las transiciones estructurales en fósforo son reversibles: al liberar alta presión, el fósforo negro se convierte gradualmente en el alótropo rojo, y al vaporizar el fósforo rojo a 490 °C en una atmósfera inerte y condensar el vapor, el fósforo rojo covalente se puede transformar de nuevo en el sólido molecular blanco.

De manera similar, el arsénico amarillo es un sólido molecular compuesto de unidades As4; es metaestable y se transforma gradualmente en arsénico gris al calentarse o iluminarse. Ciertas formas de azufre y selenio están compuestas de unidades S8 o Se8, y son sólidos moleculares en condiciones ambientales. Sin embargo, pueden convertirse en alótropos covalentes con cadenas atómicas que se extienden por todo el cristal.

Clases de sólidos moleculares

La gran mayoría de sólidos moleculares se pueden atribuir a compuestos orgánicos que contienen carbono e hidrógeno, como los hidrocarburos (CnHm). Las moléculas esféricas que consisten en un número diferente de átomos de carbono, llamadas fullerenos, son otra clase importante. Los sólidos moleculares menos numerosos, pero distintivos, son los halógenos (por ejemplo, Cl2) y sus compuestos con hidrógeno (por ejemplo, HCl), así como los calcógenos ligeros (por ejemplo, O2) y pnictógenos (por ejemplo, N2).

La conductividad de sólidos moleculares puede ser inducida por fullerenos «dopantes» (por ejemplo, C60). Su forma sólida es un aislante porque todos los electrones de valencia de los átomos de carbono están involucrados en los enlaces covalentes dentro de las moléculas de carbono individuales. Sin embargo, la inserción (intercalación) de átomos de metal alcalino entre las moléculas de fullereno proporciona electrones adicionales, que pueden ionizarse fácilmente a partir de los átomos metálicos y hacer que el material sea conductor, e incluso superconductor.