Was ist ein molekularer Festkörper?

Molekulare Festkörper sind Substanzen, die aus kovalenten Molekülen bestehen, die durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Erinnern wir uns, dass ein Molekül eine Einheit ist, die aus einer festen Gruppe von Atomen eines oder mehrerer Elemente besteht, die durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind und ihre Form, Identität und chemischen Eigenschaften behalten, selbst wenn sie im Gas voneinander isoliert sind oder gasförmigen Zustand in Lösung.

Die überwiegende Mehrheit der organischen Verbindungen besteht aus Molekülen, aber es gibt auch viele anorganische molekulare Feststoffe. Molekulare Festkörper haben Eigenschaften und Eigenschaften, die sie von anderen Festkörpern wie ionischen Festkörpern, Metallen und Festkörpern mit kovalenten Netzwerken stark unterscheiden. Die meisten dieser Eigenschaften können mit den Eigenschaften der intermolekularen Van-der-Waals-Wechselwirkungen erklärt werden.

Eigenschaften kovalenter Festkörper

Sie haben niedrige Schmelz- und Siedepunkte

Typische kovalente Feststoffe haben Schmelzpunkte fast immer unter 300°C. Dies ist ziemlich niedrig, wenn man bedenkt, dass die charakteristischen Schmelzpunkte von Metallen und ionischen Feststoffen über 1.000 °C liegen.

Andererseits sind ihre Siedepunkte auch deutlich niedriger als bei anderen Stoffklassen. Aus diesen Gründen sind viele molekulare Substanzen bei Raumtemperatur Flüssigkeiten oder Gase und müssen erheblich gekühlt werden, bevor sie kondensieren oder gefrieren können.

Dies wird durch intermolekulare Wechselwirkungen erklärt. Um vom festen in den flüssigen Zustand überzugehen, also zu schmelzen, und vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, also zu verdampfen, müssen die Kräfte gebrochen werden, die die Teilchen, aus denen eine Substanz besteht, zusammenhalten. Im Fall von molekularen Festkörpern sind diese zwischenmolekularen Kräfte die Van-der-Waals-Kräfte , die viel schwächer sind als die elektrostatischen Kräfte , die Kationen und Anionen in ionischen Verbindungen oder Atome in Festkörpern zusammenhalten. Aus diesem Grund ist es viel einfacher, einen kovalenten Feststoff zu schmelzen oder zu verdampfen als ein Metall oder ein Salz.

Sie neigen dazu, volatil zu sein

Aus denselben oben erläuterten Gründen neigen molekulare Feststoffe dazu, relativ hohe Dampfdrücke aufzuweisen (dh sie sind flüchtig). Dies verleiht molekularen Feststoffen eine wichtige Eigenschaft, die weder Metalle noch Salze haben, geschweige denn kovalente Netzwerkfeststoffe: Einige haben charakteristische Aromen.

Wir können einen Stoff nur dann riechen, wenn ein Teil davon durch die Luft zu unserer Nase transportiert werden kann, um dort die Geruchssinneszellen anzuregen. Nur molekulare Feststoffe mit ausreichend hohem Dampfdruck können genügend gasförmige Moleküle produzieren, damit wir sie wahrnehmen können.

Sie haben eine geringe Dichte

Die meisten molekularen Festkörper bestehen aus leichten Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass die zwischenmolekularen Van-der-Waals-Kräfte schwach sind, dass die Moleküle relativ weit voneinander entfernt sind. Als Folge neigen molekulare Feststoffe dazu, niedrige Dichten zu haben.

Sie sind weiche und oft formbare Substanzen

Die Härte ist eine Funktion davon, wie fest die Teilchen, aus denen eine Substanz besteht, aneinander gebunden sind, daher sind molekulare Festkörper weiche Substanzen, da ihre Moleküle durch schwache Kräfte aneinander gebunden sind.

Andererseits sind einige molekulare Festkörper, insbesondere solche, die von unpolaren Molekülen wie Kohlenwasserstoffen gebildet werden, formbare Substanzen, das heißt, sie können durch Aufbringen einer Kraft verformt werden, ohne zu brechen. Dies geschieht dank der Tatsache, dass die Londoner Dispersionskräfte , die eine der Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte sind, keine Richtung haben, was es den Molekülen ermöglicht, sich zu bewegen, übereinander zu gleiten und auseinanderzufallen, sich zu verdrehen, ohne zu verlieren die Kraft, die sie zusammenhält.

Im Fall von ionischen Festkörpern und Festkörpern mit kovalenten Netzwerken wie Diamant und Graphit erfordert ihre Verformung das Aufbrechen der Bindungen zwischen ihren Partikeln, und wenn sie einmal gebrochen sind, können sie nicht wieder gebildet werden, es sei denn, sie befinden sich alle an derselben Stelle wie zuvor mit derselben Orientierung , usw.

Sie können sowohl kristalline als auch amorphe Feststoffe sein.

Einige molekulare Feststoffe wie Eis, Jod, viele organische Substanzen und festes Kohlendioxid (Trockeneis) bilden unter anderem kristalline Feststoffe mit einer hochgeordneten Struktur, die sich in alle drei Dimensionen ausbreitet. Andere, wie die meisten Polymere, bilden amorphe Festkörper, in denen die Moleküle zufällige Orientierungen und Konformationen aufweisen. Dies liegt wiederum an der Ungerichtetheit der Van-der-Waals-Kräfte.

Sie sind in der Regel Isoliermaterialien

In molekularen Festkörpern sind häufig Valenzelektronen an der Bildung der kovalenten Bindungen beteiligt, die die Atome zusammenhalten. Aus diesem Grund stehen sie nicht zur Verfügung, um Strom zu leiten, was diese Materialien zu elektrischen Isolatoren macht.

Klassen molekularer Festkörper

Abhängig von der Art der Moleküle, aus denen sie bestehen, können molekulare Feststoffe klassifiziert werden als:

• Organische molekulare Feststoffe . Dazu gehören alle Alkane, Alkene, Alkine, Alkohole und andere Arten von Kohlenstoff-abgeleiteten Substanzen.
• Anorganische molekulare Festkörper . Dazu gehören sowohl die molekularen Allotrope der verschiedenen nichtmetallischen Elemente, wie molekularer Sauerstoff (O ₂ ), weißer Phosphor (S ₄ ), elementarer Schwefel (S ₈ ), als auch andere, wie etwa jene molekularen Verbindungen, die durch die Vereinigung von gebildet werden zwei oder mehr Nichtmetalle.

Entsprechend der Polarität ihrer Moleküle können sie klassifiziert werden als:

• Polare molekulare Festkörper . Beispiele sind Wasser, Kohlenmonoxid, Chlorwasserstoff sowie polare organische Verbindungen wie Alkohole und Carbonsäuren. Diese haben unter den molekularen Feststoffen die höchsten Schmelz- und Siedepunkte.
• Unpolare molekulare Festkörper . Dazu gehören alle unpolaren Moleküle wie homoatomare Spezies (O ₂ , O ₃ , Br ₂ , etc.). Diese weisen nur Londoner Dispersionskräfte auf, die die schwächsten Wechselwirkungen unter den Van-der-Waals-Kräften darstellen, sodass sie tendenziell niedrigere Schmelz- und Siedepunkte haben als die polaren.

Weitere Beispiele für molekulare Festkörper

Neben den bereits in den vorangegangenen Abschnitten genannten Beispielen sind weitere spezifische Beispiele für molekulare Festkörper:

Fullerene

Fullerene sind eine Klasse von Molekülen, die ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehen und eine ungefähr kugelförmige Form haben. Dies sind verschiedene Allotrope von Kohlenstoff. Das beliebteste von allen ist Buckminsterfulerene, dessen Formel C ₆₀ lautet und das seinen Namen zu Ehren des amerikanischen Architekten Buckminster Fuller erhält, der für die Gestaltung geodätischer Kuppeln bekannt war, die den Hinweis für die Ableitung der Struktur dieser Verbindungen lieferten.

Ozon

Es ist ein weiteres molekulares Allotrop des Sauerstoffs mit der Formel O ₃ . Wenn Ozon kondensiert und dann bei -192,2 °C gefriert, bildet es einen molekularen Feststoff.

Naphthalin

Zurück zu den organischen Verbindungen: Naphthalin ist ein molekularer Feststoff mit der Formel C ₁₀ H ₈ , der einen Schmelzpunkt von 80,26 °C hat, also bei Raumtemperatur fest ist.

Edelgase

Obwohl es sich nicht wirklich um Moleküle, sondern um stabile einatomige Spezies handelt, werden Edelgase normalerweise als Teil molekularer Festkörper aufgenommen, da sie ihre Haupteigenschaft teilen: Die einzigen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, aus denen diese Substanzen bestehen, dh zwischen den einzelnen Atomen, sind London Dispersionskräfte. Aus diesem Grund sind sie bei Raumtemperatur alle Gase.

Verweise

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