Warunki

• domieszkowanie wprowadzając zanieczyszczenia do próbki substancji w celu zmiany jej właściwości elektrycznych.
• solida molekularna ciało stałe złożone z cząsteczek utrzymywanych razem przez siły międzycząsteczkowe van der Waalsa.
• Van der Waals forceatrakcyjne siły między cząsteczkami (lub między częściami tej samej cząsteczki). Należą do nich interakcje między ładunkami częściowymi (wiązania wodorowe i interakcje dipol-dipol) oraz słabsze siły dyspersji londyńskiej.
• siła międzymolekularna oddziaływań, które zachodzą między atomami lub cząsteczkami w próbce substancji.

natura sił międzycząsteczkowych

Przypomnijmy, że cząsteczka jest zdefiniowana jako dyskretny agregat atomów związanych ze sobą wystarczająco ściśle przez skierowane siły kowalencyjne, aby umożliwić jej zachowanie indywidualności, gdy substancja jest rozpuszczona, stopiona lub odparowana. Dwa słowa kursywą w poprzednim zdaniu są ważne. Wiązanie kowalencyjne oznacza, że siły działające między atomami w cząsteczce (wewnątrzcząsteczkowe) są znacznie silniejsze niż te działające między cząsteczkami (międzycząsteczkowe), kierunkowa właściwość wiązania kowalencyjnego nadaje każdej cząsteczce charakterystyczny kształt, który wpływa na wiele jego właściwości.

Ciecze i ciała stałe złożone z cząsteczek są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa (lub międzycząsteczkowe), a wiele ich właściwości odzwierciedla to słabe Wiązanie. Cząstki stałe cząsteczkowe są zwykle miękkie lub odkształcalne, mają niską temperaturę topnienia i często są wystarczająco lotne, aby odparować bezpośrednio do fazy gazowej. Ta ostatnia właściwość często nadaje takim substancjom stałym charakterystyczny zapach. Podczas gdy charakterystyczna temperatura topnienia metali i ciał stałych jonowych wynosi ~1000 °C, większość cząsteczkowych ciał stałych topi się znacznie poniżej ~300 °C. Tak więc wiele odpowiednich substancji jest ciekłych (woda) lub gazowych (tlen) w temperaturze pokojowej.

cząstki stałe mają również stosunkowo niską gęstość i twardość. Elementy zaangażowane są lekkie, a wiązania międzycząsteczkowe są stosunkowo długie i dlatego są słabe. Ze względu na neutralność ładunku cząsteczek składowych oraz ze względu na dużą odległość między nimi, cząstki stałe molekularne są izolatorami elektrycznymi.

ponieważ siły dyspersji i inne siły van der Waalsa zwiększają się wraz z liczbą atomów, duże cząsteczki są na ogół mniej lotne i mają wyższą temperaturę topnienia niż mniejsze. Ponadto, gdy przesuwa się w dół kolumny w układzie okresowym, zewnętrzne elektrony są luźniej związane z jądrem, zwiększając polaryzowalność atomu, a tym samym jego skłonność do interakcji typu van der Waalsa. Efekt ten jest szczególnie widoczny w wzroście temperatury wrzenia kolejno cięższych pierwiastków gazu szlachetnego.

Case Study: fosfor

termin „cząsteczkowe ciało stałe” może odnosić się nie do określonego składu chemicznego, ale do określonej formy materiału. Na przykład stały fosfor może krystalizować w różnych alotropach zwanych fosforem „białym”, „czerwonym” i „czarnym”.

• fosfor biały tworzy kryształy molekularne złożone z czworościennych cząsteczek P4. Cząsteczkowe ciało stałe, biały fosfor ma stosunkowo niską gęstość 1,82 g / cm3 i temperaturę topnienia 44,1 °C; jest to miękki materiał, który można ciąć nożem.
• ogrzewanie pod ciśnieniem otoczenia do 250 °C lub wystawienie na działanie promieni słonecznych przekształca fosfor biały w fosfor czerwony, w którym czworościan P4 nie jest już izolowany, ale jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy podobne do polimerów.
• ogrzewanie fosforu białego pod wysokim ciśnieniem (GPa) przekształca go w fosfor czarny, który ma warstwową, podobną do grafitu strukturę.

gdy fosfor biały przekształca się w kowalencyjny fosfor czerwony, gęstość wzrasta do 2,2-2,4 g/cm3 i temperatura topnienia do 590 °C; gdy fosfor biały przekształca się w (również kowalencyjny) fosfor czarny, gęstość staje się 2,69–3,8 g/cm3 przy temperaturze topnienia ~200 °C.

zarówno czerwone, jak i czarne formy fosforu są znacznie twardsze niż fosfor biały. Chociaż biały fosfor jest izolatorem, czarny allotrop, który składa się z warstw rozciągających się na całym krysztale, przewodzi prąd elektryczny. Przemiany strukturalne w fosforze są odwracalne: po zwolnieniu wysokiego ciśnienia czarny fosfor stopniowo przekształca się w czerwoną alotropę, a przez odparowanie czerwonego fosforu w temperaturze 490 °C w obojętnej atmosferze i kondensację pary, kowalencyjny czerwony fosfor może zostać przekształcony z powrotem w białe molekularne ciało stałe.

podobnie, arsen żółty jest cząsteczkowym ciałem stałym składającym się z jednostek As4; jest metastabilny i stopniowo przekształca się w szary arsen po podgrzaniu lub oświetleniu. Niektóre formy siarki i selenu składają się z jednostek S8 lub Se8 i są cząsteczkowymi ciałami stałymi w warunkach otoczenia. Jednak mogą przekształcić się w kowalencyjne alotropy o łańcuchach atomowych rozciągających się przez cały kryształ.

klasy cząsteczkowych ciał stałych

zdecydowaną większość cząsteczkowych ciał stałych można przypisać związkom organicznym zawierającym węgiel i wodór, takim jak węglowodory (CnHm). Inną ważną klasą są kuliste cząsteczki składające się z różnej liczby atomów węgla, zwane fulerenami. Mniej liczne, ale charakterystyczne cząstki stałe cząsteczkowe to halogeny (np. Cl2) i ich związki z wodorem (np. HCl), a także lekkie chalkogeny (np. O2) i pnictogeny (np. N2).

przewodność cząsteczkowych ciał stałych może być indukowana przez” domieszkowanie ” fulerenów (np. Jego stała forma jest izolatorem, ponieważ wszystkie elektrony walencyjne atomów węgla są zaangażowane w wiązania kowalencyjne w poszczególnych cząsteczek węgla. Jednak wstawianie (interkalowanie) atomów metali alkalicznych między cząsteczkami fullerenu zapewnia dodatkowe elektrony, które mogą być łatwo zjonizowane z atomów metalu i sprawiają, że materiał jest przewodzący, a nawet nadprzewodzący.