termen

• doping waarbij opzettelijk onzuiverheden in een monster van een stof worden ingebracht om de elektrische eigenschappen ervan te veranderen.
• moleculaire solidA vaste stof die bestaat uit moleculen die door Van der Waals intermoleculaire krachten bij elkaar worden gehouden.
• van der Waals krachtaantrekkende krachten tussen moleculen (of tussen delen van hetzelfde molecuul). Deze omvatten interacties tussen partiële ladingen (waterstofbindingen en dipool-dipool interacties) en zwakkere Londense dispersie krachten.
• intermoleculaire kracht elk van de aantrekkelijke interacties die optreden tussen atomen of moleculen in een monster van een stof.

de aard van de intermoleculaire krachten

herinnert eraan dat een molecuul wordt gedefinieerd als een afzonderlijk aggregaat van atomen die voldoende stevig aan elkaar zijn gebonden door gerichte covalente krachten, zodat het zijn individualiteit kan behouden wanneer de stof wordt opgelost, gesmolten of verdampt. De twee woorden cursief in de vorige zin zijn belangrijk. Covalente binding impliceert dat de krachten die werken tussen atomen in het molecuul (intramoleculair) veel sterker zijn dan die tussen moleculen (intermoleculair), de directionele eigenschap van covalente binding geeft elk molecuul een onderscheidende vorm die een aantal van zijn eigenschappen beïnvloedt.

vloeistoffen en vaste stoffen die uit moleculen bestaan worden bij elkaar gehouden door Van der Waals (of intermoleculaire) krachten, en veel van hun eigenschappen weerspiegelen deze zwakke binding. Moleculaire vaste stoffen zijn meestal zacht of vervormbaar, hebben lage smeltpunten en zijn vaak voldoende Vluchtig om direct in de gasfase te verdampen. Deze laatste eigenschap geeft dergelijke vaste stoffen vaak een kenmerkende geur. Terwijl het karakteristieke smeltpunt van metalen en Ionische vaste stoffen ~1000 °C is, smelten de meeste moleculaire vaste stoffen ruim onder ~300 °C. veel overeenkomstige stoffen zijn dus vloeibaar (water) of gasvormig (zuurstof) bij kamertemperatuur.

moleculaire vaste stoffen hebben ook een relatief lage dichtheid en hardheid. De betrokken elementen zijn licht, en de intermoleculaire bindingen zijn relatief lang en daarom zwak. Vanwege de ladingsneutraliteit van de samenstellende moleculen, en vanwege de lange afstand tussen hen, zijn moleculaire vaste stoffen elektrische isolatoren.

omdat de dispersiekrachten en de andere van der Waals krachten toenemen met het aantal atomen, zijn grote moleculen over het algemeen minder vluchtig en hebben ze hogere smeltpunten dan kleinere. Ook, als men naar beneden een kolom in het periodiek systeem beweegt, zijn de buitenste elektronen meer losjes gebonden aan de kern, waardoor de polariseerbaarheid van het atoom toeneemt, en dus zijn neiging tot Van der Waals-achtige interacties. Dit effect blijkt vooral uit de toename van het kookpunt van de achtereenvolgens zwaardere edelgaselementen.

Case Study: fosfor

De term “moleculaire vaste stof” kan niet verwijzen naar een bepaalde chemische samenstelling, maar naar een specifieke vorm van een materiaal. Bijvoorbeeld, vaste fosfor kan kristalliseren in verschillende allotropen genoemd” witte”,” rode “en” zwarte ” fosfor.

• witte fosfor vormt moleculaire kristallen die zijn samengesteld uit tetraëdrische P4-moleculen. Een moleculaire vaste stof, witte fosfor heeft een relatief lage dichtheid van 1,82 g / cm3 en smeltpunt van 44,1 °C; Het is een zacht materiaal dat kan worden gesneden met een mes.
• bij verhitting bij omgevingsdruk tot 250 °C of blootstelling aan zonlicht wordt witte fosfor omgezet in rode fosfor, waarbij de P4-tetraëder niet langer geïsoleerd is, maar door covalente bindingen in polymeerachtige ketens is verbonden.
• bij verhitting van wit fosfor onder hoge (GPa) druk wordt het omgezet in zwart fosfor, dat een gelaagde, grafietachtige structuur heeft.

wanneer witte fosfor wordt omgezet in covalente rode fosfor, neemt de dichtheid toe tot 2,2-2,4 g / cm3 en smeltpunt tot 590 °C; wanneer witte fosfor wordt omgezet in de (ook covalente) zwarte fosfor, wordt de dichtheid 2,69–3,8 g/cm3 met een smelttemperatuur ~200 °C.

zowel rode als zwarte fosfor vormen zijn aanzienlijk harder dan witte fosfor. Hoewel witte fosfor een isolator is, geleidt de zwarte allotrope, die bestaat uit lagen die zich over het hele kristal uitstrekken, wel elektriciteit. De structurele overgangen in fosfor zijn omkeerbaar: bij het vrijgeven van hoge druk, zwarte fosfor geleidelijk omgezet in de rode allotrope, en door het verdampen van rode fosfor bij 490 °C in een inerte atmosfeer en condenseren van de damp, kan covalente rode fosfor worden omgezet terug in de witte moleculaire vaste stof.

op dezelfde manier is geel arseen een moleculaire vaste stof die bestaat uit As4-eenheden; het is gemetastaseerd en verandert geleidelijk in grijs arseen bij verhitting of verlichting. Bepaalde vormen van zwavel en selenium zijn elk samengesteld uit S8 of Se8 eenheden, en zijn moleculaire vaste stoffen bij omgevingsomstandigheden. Ze kunnen echter omzetten in covalente allotropen met atomaire ketens die zich door het kristal uitstrekken.

klassen van moleculaire vaste stoffen

De overgrote meerderheid van moleculaire vaste stoffen kan worden toegeschreven aan organische verbindingen die koolstof en waterstof bevatten, zoals koolwaterstoffen (CnHm). Bolvormige moleculen bestaande uit verschillende aantal koolstofatomen, genaamd fullerenen, zijn een andere belangrijke klasse. Minder talrijk, maar toch onderscheidende moleculaire vaste stoffen zijn halogenen (bijvoorbeeld Cl2) en hun verbindingen met waterstof (bijvoorbeeld HCl), evenals lichte chalcogenen (bijvoorbeeld O2) en pnictogenen (bijvoorbeeld N2).

geleidbaarheid van moleculaire vaste stoffen kan worden geïnduceerd door “doping” fullerenen (bijv. C60). Zijn vaste vorm is een isolator omdat alle valentie-elektronen van koolstofatomen betrokken zijn in de covalente bindingen binnen de individuele koolstofmoleculen. Het invoegen (intercaleren) van alkalimetaalatomen tussen de fullereenmoleculen levert echter extra elektronen op, die gemakkelijk geïoniseerd kunnen worden van de metaalatomen en het materiaal geleidend en zelfs supergeleidend maken.