Termini

• dopingIntentionally introdurre impurità in un campione di una sostanza al fine di modificare le sue proprietà elettriche.
• solido molecolareun solido composto da molecole tenute insieme da forze intermolecolari di van der Waals.
• Forza di Van der Waalsforze attrattive tra molecole (o tra parti della stessa molecola). Questi includono interazioni tra cariche parziali (legami idrogeno e interazioni dipolo-dipolo) e forze di dispersione di Londra più deboli.
• forza intermolecolarequalsiasi delle interazioni attraenti che si verificano tra atomi o molecole in un campione di una sostanza.

La natura delle forze intermolecolari

Ricorda che una molecola è definita come un aggregato discreto di atomi legati tra loro sufficientemente strettamente da forze covalenti dirette per consentirgli di mantenere la sua individualità quando la sostanza viene disciolta, fusa o vaporizzata. Le due parole in corsivo nella frase precedente sono importanti. Il legame covalente implica che le forze che agiscono tra gli atomi all’interno della molecola (intramolecolare) sono molto più forti di quelle che agiscono tra le molecole (intermolecolare), La proprietà direzionale del legame covalente conferisce a ciascuna molecola una forma distintiva che influenza un certo numero di sue proprietà.

I liquidi e i solidi composti da molecole sono tenuti insieme da forze di van der Waals (o intermolecolari) e molte delle loro proprietà riflettono questo debole legame. I solidi molecolari tendono ad essere morbidi o deformabili, hanno bassi punti di fusione e sono spesso sufficientemente volatili da evaporare direttamente nella fase gassosa. Quest’ultima proprietà spesso conferisce a tali solidi un odore distintivo. Considerando che il punto di fusione caratteristico dei metalli e dei solidi ionici è ~1000 °C, la maggior parte dei solidi molecolari si scioglie ben al di sotto di ~300 °C. Quindi, molte sostanze corrispondenti sono liquide (acqua) o gassose (ossigeno) a temperatura ambiente.

I solidi molecolari hanno anche densità e durezza relativamente basse. Gli elementi coinvolti sono leggeri e i legami intermolecolari sono relativamente lunghi e quindi deboli. A causa della neutralità della carica delle molecole costituenti e a causa della lunga distanza tra loro, i solidi molecolari sono isolanti elettrici.

Poiché le forze di dispersione e le altre forze di van der Waals aumentano con il numero di atomi, le grandi molecole sono generalmente meno volatili e hanno punti di fusione più alti di quelli più piccoli. Inoltre, mentre ci si sposta lungo una colonna della tavola periodica, gli elettroni esterni sono più liberamente legati al nucleo, aumentando la polarisabilità dell’atomo e quindi la sua propensione alle interazioni di tipo van der Waals. Questo effetto è particolarmente evidente nell’aumento dei punti di ebollizione degli elementi di gas nobili successivamente più pesanti.

Caso di studio: Fosforo

Il termine “solido molecolare” può riferirsi non a una certa composizione chimica, ma a una forma specifica di un materiale. Ad esempio, il fosforo solido può cristallizzare in diversi allotropi chiamati fosforo “bianco”, “rosso” e “nero”.

• Il fosforo bianco forma cristalli molecolari composti da molecole tetraedriche P4. Un solido molecolare, fosforo bianco ha una densità relativamente bassa di 1,82 g / cm3 e punto di fusione di 44,1 °C; è un materiale morbido che può essere tagliato con un coltello.
• Il riscaldamento a pressione ambiente a 250 °C o l’esposizione alla luce solare converte il fosforo bianco in fosforo rosso, in cui i tetraedri P4 non sono più isolati, ma sono collegati da legami covalenti in catene polimeriche.
• Il riscaldamento del fosforo bianco sotto pressioni elevate (GPa) lo converte in fosforo nero, che ha una struttura stratificata simile alla grafite.

Quando il fosforo bianco viene convertito nel fosforo rosso covalente, la densità aumenta a 2,2-2,4 g/cm3 e il punto di fusione a 590 °C; quando il fosforo bianco viene trasformato nel fosforo nero (anche covalente), la densità diventa 2,69–3,8 g/cm3 con una temperatura di fusione ~200 °C.

Entrambe le forme di fosforo rosso e nero sono significativamente più dure del fosforo bianco. Sebbene il fosforo bianco sia un isolante, l’allotropo nero, costituito da strati che si estendono su tutto il cristallo, conduce elettricità. Le transizioni strutturali nel fosforo sono reversibili: dopo aver rilasciato ad alta pressione, il fosforo nero si converte gradualmente nell’allotropo rosso e vaporizzando il fosforo rosso a 490 °C in un’atmosfera inerte e condensando il vapore, il fosforo rosso covalente può essere trasformato nuovamente nel solido molecolare bianco.

Allo stesso modo, l’arsenico giallo è un solido molecolare composto da unità As4; è metastabile e si trasforma gradualmente in arsenico grigio al riscaldamento o all’illuminazione. Alcune forme di zolfo e selenio sono ciascuna composta da unità S8 o Se8 e sono solidi molecolari in condizioni ambientali. Tuttavia, possono convertirsi in allotropi covalenti con catene atomiche che si estendono per tutto il cristallo.

Classi di solidi molecolari

La stragrande maggioranza dei solidi molecolari può essere attribuita a composti organici contenenti carbonio e idrogeno, come gli idrocarburi (CnHm). Molecole sferiche costituite da un diverso numero di atomi di carbonio, chiamati fullereni, sono un’altra classe importante. Meno numerosi, ma distintivi solidi molecolari sono alogeni (ad esempio, Cl2) e loro composti con idrogeno (ad esempio, HCl), così come calcogeni leggeri (ad esempio, O2) e pnictogens (ad esempio, N2).

La conduttività dei solidi molecolari può essere indotta da fullereni “droganti” (ad esempio, C60). La sua forma solida è un isolante perché tutti gli elettroni di valenza degli atomi di carbonio sono coinvolti nei legami covalenti all’interno delle singole molecole di carbonio. Tuttavia, l’inserimento di atomi di metalli alcalini (intercalanti) tra le molecole di fullerene fornisce elettroni extra, che possono essere facilmente ionizzati dagli atomi di metallo e rendere il materiale conduttivo e persino superconduttivo.