Tabla de Contenidos
Ciała stałe molekularne to te substancje, które składają się z cząsteczek kowalencyjnych, które są utrzymywane razem przez słabe siły van der Waalsa. Pamiętajmy, że cząsteczka jest jednostką utworzoną przez ustaloną grupę atomów jednego lub więcej pierwiastków połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, które zachowują swój kształt, tożsamość i właściwości chemiczne nawet wtedy, gdy są odizolowane od siebie w gazie lub w roztworze.
Zdecydowana większość związków organicznych składa się z cząsteczek, ale istnieje również wiele nieorganicznych ciał stałych molekularnych. Ciała stałe molekularne mają właściwości i cechy, które bardzo odróżniają je od innych ciał stałych, takich jak ciała stałe jonowe, metale i ciała stałe sieci kowalencyjnej. Większość z tych właściwości można wyjaśnić w kategoriach charakterystyki oddziaływań międzycząsteczkowych van der Waalsa.
Właściwości ciał stałych kowalencyjnych
Mają niskie temperatury topnienia i wrzenia
Typowe kowalencyjne ciała stałe mają temperaturę topnienia prawie zawsze poniżej 300°C. To dość mało, biorąc pod uwagę, że charakterystyczne temperatury topnienia metali i jonowych ciał stałych przekraczają 1000 °C.
Z drugiej strony ich temperatury wrzenia są również znacznie niższe niż w przypadku innych klas substancji. Z tych powodów wiele substancji molekularnych jest cieczami lub gazami w temperaturze pokojowej i musi zostać znacznie schłodzone, zanim będą mogły skraplać się lub zamarzać.
Wyjaśnia to oddziaływanie międzycząsteczkowe. Aby przejść ze stanu stałego do ciekłego, czyli stopić się, a ze stanu ciekłego do stanu gazowego, czyli odparować, konieczne jest rozbicie sił, które utrzymują cząsteczki tworzące substancję razem. W przypadku molekularnych ciał stałych te siły międzycząsteczkowe to siły van der Waalsa , które są znacznie słabsze niż siły elektrostatyczne , które utrzymują razem kationy i aniony w związkach jonowych lub atomy w ciałach stałych. Z tego powodu znacznie łatwiej jest stopić lub odparować kowalencyjne ciało stałe niż metal lub sól.
Mają tendencję do zmienności
Z tych samych powodów, które wyjaśniono powyżej, cząsteczkowe ciała stałe mają zwykle stosunkowo wysoką prężność par (tj. są lotne). Daje to ważną cechę molekularnym ciałom stałym, których nie mają ani metale, ani sole, a znacznie mniej kowalencyjnych ciał stałych w sieci: niektóre mają charakterystyczny aromat.
Jedynym sposobem, w jaki możemy wyczuć jakąkolwiek substancję, jest to, że jej część może zostać przetransportowana przez powietrze do naszych nosów, aby tam stymulowała komórki czuciowe węchu. Tylko molekularne ciała stałe, które mają wystarczająco wysokie ciśnienie pary, mogą wytworzyć wystarczającą ilość cząsteczek gazowych, abyśmy mogli je dostrzec.
Mają niską gęstość
Większość molekularnych ciał stałych składa się z lekkich pierwiastków, takich jak węgiel, wodór, azot i tlen. Ponadto fakt, że siły międzycząsteczkowe van der Waalsa są słabe, oznacza, że cząsteczki są stosunkowo daleko od siebie. W konsekwencji ciała stałe molekularne mają zwykle niską gęstość.
Są to miękkie i często plastyczne substancje
Twardość jest funkcją tego, jak mocno cząstki tworzące substancję są ze sobą związane, więc ciała stałe molekularne, ponieważ ich cząsteczki są związane ze sobą słabymi siłami, są substancjami miękkimi.
Z drugiej strony niektóre ciała stałe molekularne, zwłaszcza te utworzone przez cząsteczki niepolarne, takie jak węglowodory, są substancjami plastycznymi, to znaczy można je odkształcać pod wpływem siły bez pękania. Dzieje się tak dzięki temu, że londyńskie siły dyspersyjne , które są jedną ze składowych sił van der Waalsa, nie mają kierunkowości, co pozwala cząsteczkom poruszać się, ślizgać po sobie i rozpadać. siła, która ich łączy.
W przypadku jonowych ciał stałych i kowalencyjnych ciał stałych sieci, takich jak diament i grafit, ich deformacja wymaga zerwania wiązań między ich cząstkami, a po zerwaniu nie można ich ponownie uformować, chyba że wszystkie znajdują się w tym samym miejscu co poprzednio z tą samą orientacją itp.
Mogą to być zarówno ciała stałe krystaliczne, jak i amorficzne.
Niektóre molekularne ciała stałe, takie jak między innymi lód, jod, wiele substancji organicznych i stały dwutlenek węgla (suchy lód), tworzą krystaliczne ciała stałe o wysoce uporządkowanej strukturze, która rozchodzi się we wszystkich trzech wymiarach. Inne, takie jak większość polimerów, tworzą amorficzne ciała stałe, w których cząsteczki mają przypadkowe orientacje i konformacje. Ponownie wynika to z niekierunkowości sił van der Waalsa.
Są to zazwyczaj materiały izolacyjne
W molekularnych ciałach stałych elektrony walencyjne są często zaangażowane w tworzenie wiązań kowalencyjnych, które utrzymują razem atomy. Z tego powodu nie są one dostępne do przewodzenia prądu, co czyni te materiały izolatorami elektrycznymi.
Klasy ciał stałych molekularnych
W zależności od rodzaju cząsteczek, które je tworzą, ciała stałe molekularne można sklasyfikować jako:
- Organiczne ciała stałe molekularne . Należą do nich wszystkie alkany, alkeny, alkiny, alkohole i inne rodzaje substancji pochodzących od węgla.
- Nieorganiczne ciała stałe molekularne . Obejmuje to zarówno alotropy molekularne różnych pierwiastków niemetalicznych, takich jak tlen cząsteczkowy (O 2 ), biały fosfor (S 4 ), elementarna siarka (S 8 ), jak i inne, takie jak związki molekularne utworzone przez połączenie dwa lub więcej niemetali.
Ze względu na polarność ich cząsteczek można je podzielić na:
- Polarne ciała stałe molekularne . Przykłady obejmują wodę, tlenek węgla, chlorowodór, a także polarne związki organiczne, takie jak alkohole i kwasy karboksylowe. Spośród molekularnych ciał stałych mają one najwyższe temperatury topnienia i wrzenia.
- Niepolarne ciała stałe molekularne . Obejmują one wszystkie cząsteczki niepolarne, takie jak cząsteczki homoatomowe (O2 , O3 , Br2 itd .). Przedstawiają one tylko londyńskie siły dyspersyjne, które są najsłabszymi oddziaływaniami między siłami van der Waalsa, więc mają one zwykle niższe temperatury topnienia i wrzenia niż polarne.
Dodatkowe przykłady ciał stałych molekularnych
Oprócz przykładów, które zostały już wspomniane w poprzednich sekcjach, inne konkretne przykłady ciał stałych molekularnych to:
fulereny
Fulereny to klasa cząsteczek zbudowanych wyłącznie z atomów węgla i mających z grubsza kulisty kształt. Są to różne odmiany alotropowe węgla. Najpopularniejszym ze wszystkich jest Buckminsterfuleren, którego wzór to C 60 i który otrzymał swoją nazwę na cześć amerykańskiego architekta Buckminstera Fullera, który był znany z projektowania kopuł geodezyjnych, które dały wskazówkę do wydedukowania struktury tych związków.
Ozon
Jest to kolejny molekularny alotrop tlenu o wzorze O 3 . Gdy ozon skrapla się, a następnie zamarza w temperaturze -192,2°C, tworzy cząsteczkową substancję stałą.
naftalen
Wracając do związków organicznych, naftalen jest cząsteczką stałą o wzorze C 10 H 8 , która ma temperaturę topnienia 80,26 ° C, a więc jest stała w temperaturze pokojowej.
Gazy szlachetne
Pomimo tego, że tak naprawdę nie są cząsteczkami, ale stabilnymi formami jednoatomowymi, gazy szlachetne są zwykle zaliczane do molekularnych ciał stałych, ponieważ mają wspólną cechę: jedyne interakcje między cząstkami, które tworzą te substancje, to znaczy między poszczególnymi atomami, to dyspersja londyńska. siły. To jest powód, dla którego wszystkie są gazami w temperaturze pokojowej.
Bibliografia
Aguado B., R. (nd). Ciała stałe molekularne. Pobrane z https://riubu.ubu.es/bitstream/handle/10259.3/80/5.1.4%20%281%29%20-%20S%C3%B3lidos%20Moleculares.pdf?sequence=6&isAllowed=y
Brązowy, T. (2021). Chemia: The Central Science (wyd. 11). Londyn, Anglia: Pearson Education.
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS i Herranz, ZR (2020). Chemia (wyd. 10). Nowy Jork, NY: MCGRAW-HILL.
Mott, V. (nd). kryształy molekularne | Wprowadzenie do chemii. Pobrano 5 lipca 2021 r. z https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/molecular-crystals/
Właściwości ciał stałych. (nd). Pobrano 5 lipca 2021 r. z https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1046course/solids.html
Ciała molekularne. (nd). Pobrano 5 lipca 2021 r. z https://www.uv.es/lahuerta/resumenes/Tema7/solidos/moleculares.html
