Molekularny i jonowy Brył

Krystaliczne ciała stałe dzielą się na cztery typy: sieć molekularną, jonową, metaliczną i kowalencyjną w zależności od rodzaju jednostek składowych i ich oddziaływań międzycząsteczkowych.

Molekularne ciała stałe

Molekularne krystaliczne ciała stałe, takie jak lód, sacharoza (cukier stołowy) i jod, to ciała stałe, które składają się z obojętnych cząsteczek jako jednostek składowych. Cząsteczki te są utrzymywane razem przez słabe siły międzycząsteczkowe, takie jak siły dyspersji Londona, oddziaływania dipol-dipol lub wiązania wodorowe, które dyktują ich właściwości (tabela 1).

Siły przyciągania między jednostkami obecnymi w różnych kryształach są bardzo zróżnicowane, co znajduje odzwierciedlenie w temperaturach topnienia takich kryształów.

• Małe symetryczne cząsteczki niepolarne, takie jak_H2,_N2,_O2 i_F2, mają słabe siły dyspersji i tworzą molekularne ciała stałe o bardzo niskich temperaturach topnienia (poniżej −200 °C). Substancje składające się z większych, niepolarnych cząsteczek mają większe siły przyciągania i topią się w wyższych temperaturach.
• Molekularne ciała stałe złożone z polarnych cząsteczek o stałych momentach dipolowych topią się w jeszcze wyższych temperaturach. Przykłady obejmują stały SO₂ i cukier stołowy. Międzycząsteczkowe wiązania wodorowe są głównie odpowiedzialne za utrzymanie trójwymiarowej sieci takich molekularnych ciał stałych, jak widać w zamarzniętej wodzie lub lodzie.

Właściwości molekularnych ciał stałych zależą od efektywnego upakowania ich jednostek składowych, cząsteczek, w trzech wymiarach. Ponieważ siły międzycząsteczkowe są zależne od kontaktu, wyższa symetria cząsteczek składowych zapewnia ścisłe i zwarte upakowanie w strukturze krystalicznej o wysokim przyciąganiu międzycząsteczkowym. Zwiększa to temperaturę topnienia. Mniejsza symetria cząsteczek uniemożliwia ich efektywne upakowanie. Siły międzycząsteczkowe nie są więc tak skuteczne, a temperatura topnienia jest niższa.

Jonowe ciała stałe

Krystaliczne jonowe ciała stałe, takie jak chlorek sodu, składają się z jonów dodatnich i ujemnych, które są utrzymywane razem przez silne przyciąganie elektrostatyczne.

Jonowe ciała stałe mają wysokie temperatury topnienia ze względu na silne przyciąganie jonowe. Siłę oddziaływania jonowego między kationami a anionami w jonowym ciele stałym można przybliżyć za pomocą siły elektrostatycznej, określonej prawem Coulomba:

Tutaj K jest stałą proporcjonalności, r jest odległością między ładunkami, a q_a i q_c reprezentują ładunki odpowiednio na anionach i kationach. Im wyższy ładunek kationów i anionów, tym silniejsza siła przyciągania jonowego. Podobnie, ścisłe upakowanie anionów i kationów w sieci krystalicznej zmniejsza odległość między ładunkami, co skutkuje silniejszymi siłami przyciągania jonowego.

Jonowe ciała stałe są twarde, mają również tendencję do kruchości i raczej pękają niż się wyginają. Ich kruchość przypisuje się obecności w sieci krystalicznej oddziaływań zarówno przyciągających (kation-anion), jak i odpychających (kation-kation i anion-anion). Ponieważ jony nie są w stanie swobodnie się poruszać z powodu silnych sił kulombowskich, jonowe ciała stałe nie przewodzą elektryczności. Jednak w stanie stopionym lub po rozpuszczeniu w wodzie jony stają się swobodne i mogą się swobodnie poruszać i przewodzić prąd.

Tabela 1.Charakterystyka molekularnych i jonowych ciał stałych.

Część tego tekstu została zaadaptowana z Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.