Back to chapter

11.15:

Moleculatie en Ionische Vaste Stoffen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Molecular and Ionic Solids

Languages

Share

Moleculaire vaste stoffen zijn een soort kristallijne vaste stoffen die moleculen of atomen als hun samenstellende deeltjes hebben en bij elkaar worden gehouden door niet-ionische intermoleculaire krachten zoals waterstofbruggen, dispersiekrachten of dipool-dipool-interacties. De sterkte van deze intermoleculaire krachten dicteert de eigenschappen van moleculaire vaste stoffen. Over het algemeen hebben deze vaste stoffen de neiging zacht te zijn, een laag smeltpunt te hebben en een lage thermische en elektrische geleidbaarheid.Niet-polaire of netto niet-polaire moleculaire vaste stoffen zoals vaste stikstof of droogijs worden voornamelijk bij elkaar gehouden door zwakke dispersiekrachten. Dergelijke vaste stoffen hebben een zeer laag smeltpunt en sublimeren gemakkelijk. Polaire moleculaire vaste stoffen zoals ijs en vast zwaveldioxide vertonen waterstofbruggen en dipool-dipoolinteracties.Dergelijke vaste stoffen hebben relatief hogere smeltpunten en komen voor als zachte vaste stoffen of vluchtige vloeistoffen bij standaard temperatuur en druk. Een ander voorbeeld van hoe de sterkte van de intermoleculaire krachten de eigenschappen van moleculaire vaste stoffen beïnvloedt, wordt geïllustreerd door vast jodium. De toegenomen sterkte van bepaalde intermoleculaire krachten tussen grotere moleculen wordt weerspiegeld in de eigenschappen van jodium.Hoewel ze beide niet-polaire vaste stoffen zijn, is het smeltpunt van jodium aanzienlijk hoger dan dat van vaste stikstof. Ionische vaste stoffen zijn kristallijne vaste stoffen met elektrisch geladen soorten of ionen als samenstellende deeltjes die bij elkaar worden gehouden door sterke elektrostatische krachten. Natriumchloride is bijvoorbeeld een ionische vaste stof die bestaat uit natriumkationen en chloride-anionen.De pakking van ionische vaste stoffen maximaliseert de interactie tussen tegengesteld geladen ionen en minimaliseert de interactie tussen ionen met dezelfde lading. Dit wordt vaak gevisualiseerd als één set ionen op roosterpunten en de tegengestelde ionen bezetten enkele of alle ruimtes ertussen, of de tussenliggende locaties. Vanwege sterke coulomb-interacties hebben ionische vaste stoffen hoge smelttemperaturen.De ionische interacties worden typisch sterker naarmate de lading toeneemt of de ionengrootte afneemt. Bijvoorbeeld, cesiumchloride smelt bij 645 graden Celsius en natriumchloride smelt bij 801 graden Celsius, wat kan worden toegeschreven aan het kleinere natriumkation dat een nauwere pakking mogelijk maakt. Calciumoxide, dat hogere ionische ladingen heeft, smelt bij 2572 graden Celsius.

11.15:

Moleculatie en Ionische Vaste Stoffen

Crystalline solids are divided into four types: molecular, ionic, metallic, and covalent network based on the type of constituent units and their interparticle interactions.

Molecular Solids

Molecular crystalline solids, such as ice, sucrose (table sugar), and iodine, are solids that are composed of neutral molecules as their constituent units. These molecules are held together by weak intermolecular forces such as London dispersion forces, dipole-dipole interactions, or hydrogen bonds, which dictate their properties (Table 1).

The strengths of the attractive forces between the units present in different crystals vary widely, which is reflected in the melting points of such crystals.

•  Small symmetrical nonpolar molecules, such as H2, N2, O2, and F2, have weak dispersion forces and form molecular solids with very low melting points (below −200 °C). Substances consisting of larger, nonpolar molecules have larger attractive forces and melt at higher temperatures.
•  Molecular solids composed of polar molecules with permanent dipole moments melt at still higher temperatures. Examples include solid SO2 and table sugar. Intermolecular hydrogen bonding is mainly responsible for maintaining the three-dimensional lattice of such molecular solids, as seen in frozen water or ice.

The properties of molecular solids depend on the efficient packing of their constituent units, the molecules, in three dimensions. As the intermolecular forces are contact-dependent, higher symmetry of constituent molecules ensures close and compact packing within the crystal structure with high intermolecular attractions. This increases the melting point. The lower symmetry of the molecules prevents their efficient packing. The intermolecular forces, thus, are not as effective, and the melting point is lower.

Ionic Solids

Ionic crystalline solids, such as sodium chloride, are composed of positive and negative ions that are held together by strong electrostatic attractions.

Ionic solids have high melting points due to the strong ionic attractions. The strength of ionic interaction between the cations and the anions in an ionic solid can be approximated by the electrostatic force, given by Coulomb’s law: 

Eq1

Here, K is a constant of proportionality, r is the distance between the charges, and qa and qc represent the charges on the anions and cations, respectively. Higher the charge on the cations and anions, the stronger the force of ionic attraction. Similarly, close packing of anions and cations in the crystal lattice reduces the distance between the charges, resulting in stronger forces of ionic attraction.

Ionic solids are hard, they also tend to be brittle, and they shatter rather than bend. Their brittleness is attributed to the presence of both attractive (cation-anion) and repulsive (cation–cation and anion–anion) interactions in the crystal lattice. As the ions are unable to move freely due to the strong coulombic forces, Ionic solids do not conduct electricity. However, in the molten state or when dissolved in water, the ions become free to move and conduct electricity.

Table 1. Characteristics of Molecular and Ionic Solids.

Type of crystalline solid Type of constituent particle Type of attractions Properties Examples
Molecular Solids Molecules Intermolecular forces (IMFs): Dispersion forces, dipole-dipole forces, hydrogen bonds variable hardness, variable brittleness, low melting points, a poor conductor of heat and electricity Ar, H2O (ice), CO2 (dry ice), I2, C12H22O11 (sucrose)

Ionic Solids Ions Electrostatic hard, brittle, high to very high melting points, conductor of electricity in molten and dissolved state NaCl (table salt),
MgO(Magnesium Oxide),
Al2O3 (alumina)

Part of this text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.