Молекулярные и ионные Твердые тела

Кристаллические твердые вещества делятся на четыре типа: вещества с молекулярной, ионной, металлической и ковалентной связью, в зависимости от типа составляющих и межчастичных взаимодействиях.

Молекулярные твердые тела

Молекулярные кристаллические твердые частицы, такие как лед, сахароза (столовый сахар) и йод, представляют собой твердые тела, состоящие из нейтральных молекул в качестве составных частей. Эти молекулы удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами, такими как Лондонские дисперсионные силы, дипольные взаимодействия или водородные связи, которые определяют их свойства (таблица 1).

Сильные стороны силы притяжения между единицами, присутствующими в различных кристаллах, сильно различаются, что отражается в точках плавления таких кристаллов.

• небольшие симметричные неполярные молекулы, такие как H₂, N₂, O₂ и F₂, Обладают слабыми дисперсионными силами и образуют молекулярные твердые тела с очень низкими точками плавления (ниже –200 °C). Вещества, состоящие из более крупных неполярных молекул, имеют больший силы притяжения и расплавляются при более высоких температурах.
•  молекулярные твердые тела, состоящие из полярных молекул с постоянными дипольными моментами, расплавляются при еще более высоких температурах. Например, твердые SO₂ и столовый сахар. Межмолекулярное водородное соединение в основном отвечает за сохранение трехмерной решетки таких молекулярных твердых тел, как видно в замерзшей воде или льду.

Свойства молекулярных твердых частиц зависят от эффективной упаковки их составных частей, молекул, в трех измерениях. Поскольку межмолекулярные силы зависят от контакта, более высокая симметрия составных молекул обеспечивает близкое и компактное уплотнение внутри кристаллической структуры с высокими межмолекулярными аттракциями. Это увеличивает температуру плавления. Меньшая симметрия молекул препятствует их эффективной упаковке. Межмолекулярные силы, таким образом, не столь эффективны, а температура плавления ниже.

Ионные твердые тела

Ионные кристаллические твердые частицы, такие как хлорид натрия, состоят из положительных и отрицательных ионов, которые удерживаются вместе сильным электростатические притяжения.

Ионные твердые вещества имеют высокие точки плавления из-за сильных ионных аттракций. Сила ионного взаимодействия между катионами и анионами в ионном твердотельном токе может быть аппроксимирована электростатической силой, заданной законом Кулона:  

Здесь K — постоянная пропорциональности, r — расстояние между зарядами, а qa и qc — заряды анионов и катионов соответственно. Чем выше заряд катионов и анионов, тем сильнее сила ионного притяжения. Точно так же, тесная упаковка анионов и катионов в кристаллической решетке уменьшает расстояние между зарядами, что приводит к более сильным силам ионного притяжения.

Ионные твердые тела твердые, они также имеют тенденцию быть хрупкими, и они осыпаются, а не сгибаются. Их хрупкость объясняется наличием как привлекательных (катион-анион), так и отталкивающих (катион-катион и анион-анион) взаимодействий в кристаллической решетке. Поскольку ионы не могут свободно перемещаться из-за сильных предлобковых сил, ионные твердые тела не проводят электричество. Однако в расплавленном состоянии или при растворении в воде ионы становятся свободными для перемещения и проведения электричества.

Таблица 1.  Характеристики молекулярных и ионных твердых тел.

Часть этого текста была адаптирована из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.5: Твердое состояние материи.