Back to chapter

11.15:

Moleküler ve İyonik Katılar

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

Moleküler katılar, kurucu partikülleri olarak moleküllere veya atomlara sahip olan ve hidrojen bağları, dispersiyon kuvvetleri veya dipol-dipol etkileşimleri gibi iyonik olmayan moleküller arası kuvvetlerle bir arada tutulan kristalimsi katıların bir türüdür. Bu moleküller arası kuvvetlerin gücü, moleküler katıların özelliklerini belirler. Genel olarak, bu katılar yumuşak olma eğilimindedir, düşük erime noktası ve termal ve elektrik iletkenliğine sahiptir.Katı nitrojen veya kuru buz gibi apolar veya net apolar moleküler katılar, öncelikle zayıf dağılım kuvvetleri tarafından bir arada tutulur. Bu tür katılar çok düşük erime noktalarına sahiptir ve kolayca süblimleşir. Buz ve katı kükürt dioksit gibi polar moleküler katılar, hidrojen bağları ve dipol-dipol etkileşimleri sergiler.Bu tür katılar nispeten daha yüksek erime noktalarına sahiptir ve standart sıcaklık ve basınçta yumuşak katılar veya uçucu sıvılar olarak mevcuttur. Moleküller arası kuvvetlerin kuvvetinin moleküler katıların özelliklerini nasıl etkilediğinin bir başka örneği katı iyot ile gösterilmektedir. Daha büyük moleküller arasındaki belirli moleküller arası kuvvetlerin artan gücü, iyotun özelliklerine yansır.Her ikisi de polar olmayan katılar olmasına rağmen iyotun erime noktası, katı nitrojenden önemli ölçüde daha yüksektir. İyonik katılar, güçlü elektrostatik kuvvetler tarafından bir arada tutulan kurucu parçacıklar olarak elektrik yüklü türler veya iyonlar içeren kristal katı maddelerdir. Örneğin, sodyum klorür, sodyum katyonları ve klorür anyonlarından oluşan iyonik bir katıdır.İyonik katıların düzenlenmesi, zıt yüklü iyonlar arasındaki etkileşimi en üst düzeye çıkarır ve aynı yüklü iyonlar arasındaki etkileşimi en aza indirir. Bu genellikle, kafes noktalarında bir dizi iyon ve aralarındaki boşlukların bir kısmını veya tamamını veya geçiş bölgelerini işgal eden karşıt iyonlar olarak görselleştirilir. Güçlü kulombik etkileşimler nedeniyle, iyonik katılar yüksek erime sıcaklıklarına sahiptir.İyonik etkileşimler tipik olarak yükte bir artış veya iyon boyutunda bir azalma ile daha güçlü hale gelir. Örneğin, sezyum klorür 645 Santigrat derecede erir ve sodyum klorür 801 Santigrat derecede erir;bunun nedeni daha yakın düzenlenme sağlayan daha küçük sodyum katyonu olabilir. Daha yüksek iyon yüküne sahip kalsiyum oksit 2572 Santigrat derecede erir.

11.15:

Moleküler ve İyonik Katılar

Kristalin katılar dört türe ayrılır: kurucu birimlerin türüne ve bunların parçacıklar arası etkileşimlerine bağlı olarak moleküler, iyonik, metalik ve kovalent ağ.

Moleküler Katılar

Buz, sükroz (sofra şekeri) ve iyot gibi moleküler kristal katılar, kurucu birimleri olarak nötr moleküllerden oluşan katılardır. Bu moleküller, özelliklerini belirleyen London dispersiyon kuvvetleri, dipol-dipol etkileşimleri veya hidrojen bağları gibi zayıf moleküller arası kuvvetler tarafından bir arada tutulur (Tablo 1).

Farklı kristallerde bulunan birimler arasındaki çekici kuvvetlerin gücü, bu tür kristallerin erime noktalarına yansıyan büyük ölçüde değişir.

•  H2, N2, O2 ve F2 gibi küçük simetrik polar olmayan moleküller, zayıf dağılım kuvvetlerine sahiptir ve çok düşük erime noktalarına (−200 °C’nin altında) sahip moleküler katılar oluşturur. Daha büyük, polar olmayan moleküllerden oluşan maddeler daha büyük çekici kuvvetlere sahiptir ve daha yüksek sıcaklıklarda erir.
•  Kalıcı dipol momentlerine sahip polar moleküllerden oluşan moleküler katılar, daha yüksek sıcaklıklarda erir. Örnekler katı SO2 ve sofra şekerini içerir. Moleküller arası hidrojen bağı, donmuş su veya buzda görüldüğü gibi, bu tür moleküler katıların üç boyutlu kafesini korumaktan sorumludur.

Moleküler katıların özellikleri, bileşen birimlerinin, yani moleküllerin üç boyutlu olarak verimli bir şekilde paketlenmesine bağlıdır. Moleküller arası kuvvetler temasa bağlı olduğundan, bileşen moleküllerin daha yüksek simetrisi, yüksek moleküller arası çekimlere sahip kristal yapı içinde yakın ve kompakt paketleme sağlar. Bu erime noktasını artırır. Moleküllerin düşük simetrisi, verimli bir şekilde paketlenmelerini önler. Moleküller arası kuvvetler bu nedenle o kadar etkili değildir ve erime noktası daha düşüktür.

İyonik Katılar

Sodyum klorür gibi iyonik kristal katılar, güçlü elektrostatik çekimlerle bir arada tutulan pozitif ve negatif iyonlardan oluşur.

İyonik katılar, güçlü iyonik çekimler nedeniyle yüksek erime noktalarına sahiptir. Bir iyonik katıdaki katyonlar ve anyonlar arasındaki iyonik etkileşimin gücü, Coulomb yasası tarafından verilen elektrostatik kuvvetle yaklaşık olarak hesaplanabilir: 

Eq1

Burada, K bir orantılılık sabiti, r, yükler arasındaki mesafedir ve qa ve qc, sırasıyla anyonlar ve katyonlar üzerindeki yükleri temsil eder. Katyonlar ve anyonlar üzerindeki yük ne kadar yüksekse, iyonik çekim gücü o kadar güçlüdür. Benzer şekilde, kristal kafeste anyonların ve katyonların yakın bir şekilde paketlenmesi, yükler arasındaki mesafeyi azaltarak daha güçlü iyonik çekim kuvvetlerine neden olur.

İyonik katılar zordur, aynı zamanda kırılgan olma eğilimindedirler ve bükülmek yerine parçalanırlar. Kırılganlıkları, kristal kafeste hem çekici (katyon–anyon) hem de itici (katyon–katyon ve anyon–anyon) etkileşimlerin varlığına atfedilir. Kuvvetli kulombik kuvvetler nedeniyle iyonlar serbestçe hareket edemediğinden, iyonik katılar elektrik iletmez. Bununla birlikte, erimiş halde veya suda çözündüğünde iyonlar hareket etmekte ve elektrik iletmekte serbest hale gelir.

Tablo 1. Moleküler ve İyonik Katıların Karakteristikleri.

Kristal Katıların Tipleri Temel Parçacık Tipleri Etkileşim Tipleri Özellikler Örnekler
Moleküler Katılar Moleküller Moleküller arası kuvvetler (IMF’ler): Dispersiyon kuvvetleri, dipol-dipol kuvvetleri, hidrojen bağları Değişken sertlik, değişken kırılganlık, düşük erime noktaları, zayıf bir ısı ve elektrik iletkeni Ar, H2O (buz), CO2 (kuru buz), I2, C12H22O11 (sükroz)

İyonik Katılar İyonlar Elektrostatik sert, kırılgan, yüksek ila çok yüksek erime noktaları, erimiş ve çözünmüş durumda elektrik iletkeni NaCl (sofra tuzu),
MgO(Magnezyum Oksit),
Al2O3 (Alüminyum)

Bu yazının bu bölümü aşağıdaki kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.