termer

• dopningavsiktligt införande av föroreningar i ett prov av ett ämne för att ändra dess elektriska egenskaper.
• molekylärt solitt fast ämne som består av molekyler som hålls samman av van der Waals intermolekylära krafter.
• Van der Waals tvingarattraktiva krafter mellan molekyler (eller mellan delar av samma molekyl). Dessa inkluderar interaktioner mellan partiella laddningar (vätebindningar och dipol-dipolinteraktioner) och svagare London-dispersionskrafter.
• intermolekylär kraftnågon av de attraktiva interaktioner som uppstår mellan atomer eller molekyler i ett prov av ett ämne.

naturen hos intermolekylära krafter

minns att en molekyl definieras som ett diskret aggregat av atomer bundna tillräckligt tätt av riktade kovalenta krafter för att tillåta den att behålla sin individualitet när ämnet löses, smälts eller förångas. De två orden kursiverade i föregående mening är viktiga. Kovalent bindning innebär att krafterna som verkar mellan atomer i molekylen (intramolekylär) är mycket starkare än de som verkar mellan molekyler (intermolekylär), riktningsegenskapen för kovalent bindning ger varje molekyl en distinkt form som påverkar ett antal av dess egenskaper.

vätskor och fasta ämnen som består av molekyler hålls samman av van der Waals (eller intermolekylära) krafter, och många av deras egenskaper återspeglar denna svaga bindning. Molekylära fasta ämnen tenderar att vara mjuka eller deformerbara, har låga smältpunkter och är ofta tillräckligt flyktiga för att avdunsta direkt i gasfasen. Den senare egenskapen ger ofta sådana fasta ämnen en distinkt lukt. Medan den karakteristiska smältpunkten för metaller och Joniska fasta ämnen är ~1000 CCG, smälter de flesta molekylära fasta ämnen långt under ~300 CCG.således är många motsvarande ämnen antingen flytande (vatten) eller gasformiga (syre) vid rumstemperatur.

molekylära fasta ämnen har också relativt låg densitet och hårdhet. De involverade elementen är lätta och de intermolekylära bindningarna är relativt långa och är därför svaga. På grund av laddningsneutraliteten hos de ingående molekylerna och på grund av det långa avståndet mellan dem är molekylära fasta ämnen elektriska isolatorer.eftersom dispersionskrafterna och de andra van der Waals-krafterna ökar med antalet atomer är stora molekyler i allmänhet mindre flyktiga och har högre smältpunkter än mindre. När man flyttar ner en kolumn i det periodiska systemet är de yttre elektronerna mer löst bundna till kärnan, vilket ökar atomens polarisbarhet och därmed dess benägenhet för interaktioner av van der Waals-typ. Denna effekt är särskilt tydlig i ökningen av kokpunkterna för de successivt tyngre ädelgaselementen.

fallstudie: fosfor

termen ”molekylärt fast ämne” kan inte hänvisa till en viss kemisk sammansättning utan till en specifik form av ett material. Till exempel kan Fast fosfor kristallisera i olika allotroper som kallas ”vit”, ”röd” och ”svart” fosfor.

• vit fosfor bildar molekylära kristaller som består av tetraedriska P4-molekyler. En molekylär fast, vit fosfor har en relativt låg densitet av 1,82 g/cm3 och smältpunkt av 44,1 CCB; det är ett mjukt material som kan skäras med en kniv.
• uppvärmning vid omgivningstryck till 250 c c eller exponering för solljus omvandlar vit fosfor till röd fosfor, där P4-tetraederna inte längre isoleras utan är förbundna med kovalenta bindningar i polymerliknande kedjor.
• uppvärmning av vit fosfor under högt (GPa) tryck omvandlar den till svart fosfor, som har en skiktad, grafitliknande struktur.

När vit fosfor omvandlas till den kovalenta röda fosforen ökar densiteten till 2,2 – 2,4 g / cm3 och smältpunkten till 590 kcal C; när vit fosfor omvandlas till den (även kovalenta) svarta fosforen blir densiteten 2,69–3,8 g/cm3 med en smälttemperatur ~200 kcal C.

både röda och svarta fosforformer är betydligt hårdare än vit fosfor. Även om vit fosfor är en isolator, leder den svarta allotropen, som består av lager som sträcker sig över hela kristallen, elektricitet. De strukturella övergångarna i fosfor är reversibla: vid frisättning av högt tryck omvandlas svart fosfor gradvis till den röda allotropen, och genom att förånga röd fosfor vid 490 kcal C i en inert atmosfär och kondensera ångan kan kovalent röd fosfor omvandlas tillbaka till det vita molekylära fasta ämnet.

på samma sätt är gul arsenik ett molekylärt fast ämne som består av As4-enheter; det är metastabilt och omvandlas gradvis till grå arsenik vid uppvärmning eller belysning. Vissa former av svavel och selen består var och en av S8-eller Se8-enheter och är molekylära fasta ämnen vid omgivande förhållanden. De kan emellertid omvandlas till kovalenta allotroper med atomkedjor som sträcker sig genom kristallen.

klasser av molekylära fasta ämnen

den stora majoriteten av molekylära fasta ämnen kan hänföras till organiska föreningar som innehåller kol och väte, såsom kolväten (CnHm). Sfäriska molekyler som består av olika antal kolatomer, kallade fullerener, är en annan viktig klass. Mindre talrika, men distinkta molekylära fasta ämnen är halogener (t.ex. Cl2) och deras föreningar med väte (t. ex. HCl), såväl som lätta kalkogener (t. ex. O2) och pnictogener (t. ex. N2).

ledningsförmåga hos molekylära fasta ämnen kan induceras genom” dopning ” fullerener (t.ex. C60). Dess fasta form är en isolator eftersom alla valenselektroner av kolatomer är involverade i de kovalenta bindningarna inom de enskilda kolmolekylerna. Att införa (interkalerande) alkalimetallatomer mellan fullerenmolekylerna ger emellertid extra elektroner, som lätt kan joniseras från metallatomerna och göra materialet ledande och till och med supraledande.