Molekularácsos kristályok

Beszéljünk most egy kicsit a molekuláris szilárd anyagokról! Emlékeztetőül: volt már szó az ionos anyagokról, ahol ionok alkotják a kristályrácsot. Legyenek ezek itt a pozitív ionok, ezek meg itt a negatív ionok. A negatívakat vonzzák a pozitívak, a pozitívakat pedig a negatívak. Én itt ugyan két dimenzióban mutatom, de ezek a valóságban térbeli rácsot alkotnak. Ez tehát egy ionrácsos szilárd anyag. Láttunk fémrácsos anyagokat is, ahol minden fématom bead valamennyi vegyértékelektront az elektronok „tengerébe”. Így végül tulajdonképpen pozitív kationokat kapunk, amelyek között ez az „elektrontenger” elhelyezkedik. Beszéltünk arról is, hogy a fémek jól vezetik az áramot, képlékenyek, stb. Most arról lesz szó, hogy mi a helyzet a nemfémes elemek esetében. A nemfémek itt a sárga mezőben láthatók, de a hidrogén is közéjük tartozik. Természetesen a nemesgázok is nemfémek, de nem is reaktívak. Most a reaktív nemfémes atomokról lesz szó; ezek egymással molekulákat tudnak alkotni. Például egy jódatom kovalens kötéssel kapcsolódhat egy másikhoz, így jön létre egy I₂ molekula. Van olyan molekula is, hogy szén-dioxid. Ebben a szénatom két oxigénhez kötődik. Ezeket a molekulákat mind nemfémes atomok közti kovalens kötések tartják össze. A molekularácsos kristályokban nagyon sok ilyen molekula van együtt. Rakjunk össze például sok jódmolekulát! A jódmolekulák közti kötőerők megfelelően alacsony hőmérsékleten elegendők ahhoz, hogy összetartsák őket szilárd formában. Mit értünk ez alatt? Nézzünk meg pár példát! Ez itt a képen szilárd jód, amely jódmolekulákból épül fel. Minden jódmolekula két jódatomból áll, melyek kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Azért lesz ez szilárd, mert ehhez elegendőek a diszperziós erők. Beszéltünk a London-féle diszperziós kölcsönhatásról, amelyet átmeneti dipólusok hoznak létre, a szomszédos molekulákban is dipólusokat indukálva. Például megtörténhet, hogy véletlenül igen rövid ideig több elektron van a molekulának ezen az oldalán, így részleges negatív töltés alakul ki. Emiatt a szomszédos molekulának ezen az oldalán az elektronok taszítást érzékelnek, így ott részleges pozitív töltés jelenik meg. Van tehát egy átmeneti dipólus, amely a szomszéd molekulában is dipólust hoz létre, ezért ezek egymást vonzzák. Ahogy arról korábban szó volt, ez a London-féle diszperziós kölcsönhatás. Kellően alacsony hőmérsékleten ez összetarthatja a szilárd anyag molekuláit. Fontos, hogy kellően alacsony hőmérsékleten, mivel ezeket a molekularácsokat nem a molekulákon belüli kovalens kötések, hanem a viszonylag gyenge diszperziós erők tartják össze. Ezért viszonylag alacsony az olvadáspontjuk is. Például a jód olvadáspontja 113,7 ⁰C. Mondhatnád erre ugyan: ez nem is kevés. Magasabb a víz forráspontjánál, elég kényelmetlen lenne számunkra a 113,7 ⁰C hőmérsékletet elviselni. A szilárd anyagok körében viszont ez elég alacsonynak számít. Gondolj csak a konyhasó olvadáspontjára, amiről már volt szó. Gondolj a vas megolvasztásához szükséges hőmérsékletre! Ezeknél sok száz Celsius-fokról van szó, egyes esetekben több ezerről is. Ez az olvadáspont sokkal kisebb. Általánosan is igaz, hogy a molekularácsos anyagok olvadáspontja viszonylag kicsi. Vajon mennyire lehetnek jó elektromos vezetők? Állítsd meg a videót, és gondold át! Visszatérve: ahhoz, hogy vezessék az áramot, töltéseknek kellene mozognia a szilárd anyagban. Ellentétben a fémekkel, itt nincs az a delokalizált „elektrontenger”, amely szabadon mozoghatna, így ezek az anyagok rossz elektromos vezetők. Egy másik példa molekularácsos anyagra a szilárd szén-dioxid, más néven a szárazjég. Látható, hogy minden egyes molekulában két oxigénhez kötődik egy szénatom. Mindrgyik kettős kötéssel kötődik. Ezek a kovalens kötések építik föl az összes molekulát. A molekulákat viszont egymással ebben az esetben is a diszperziós kölcsönhatások tartják össze. Ezek annyira gyengék, hogy a szilárd szén-dioxid légköri nyomáson meg sem olvad. Nem lép át folyadékállapotba. Ha felmelegítjük annyira, hogy legyőzzük a molekulák közti erőket, – a diszperziós erőket – szublimálni fog, azaz szilárdból közvetlenül gáz halmazállapotúvá alakul, méghozzá igen alacsony hőmérsékleten: -78,5 ⁰C-on már szublimál. Ha valaha is fogtál szárazjeget... nem javaslom kesztyű nélkül, mert megsérül tőle a bőr. Én ezt megtettem a múltkor a fiam születésnapi buliján, játszottunk a szárazjéggel... nem érdemes ezzel szórakozni, mert hihetetlenül hideg. Ezen a hőmérsékleten szilárd halmazállapotból a folyadékállapotot kihagyva rögtön gáz halmazállapotúvá válik. Végül még ki szeretnék térni arra, hogy vajon miért lesz különböző molekularácsos anyagoknak különböző olvadáspontja. Hasonlítsuk össze például a molekuláris jódot és klórt! Mindkettő molekularácsot alkot. A jódot nemrég beszéltük meg. Mit gondolsz, melyiknek lesz magasabb az olvadáspontja? Állítsd meg a videót, és gondold át! Visszatérve: ahogy arról már szó volt, ezek a molekulák mindketten két atom közti kovalens kötéssel jönnek létre, a kristályrácsot pedig a diszperziós erők tartják össze. Korábbi videókban, amikor a diszperziós kölcsönhatásról beszéltünk, szóba kerültek az átmeneti dipólusok és az indukált dipólusok, amik könnyebben alakulnak ki nehezebb atomok, illetve molekulák esetén, mivel nagyobb az elektronfelhőjük, és jobban polarizálhatók. Így ha összehasonlítjuk a molekuláris jódot és a klórt, láthatjuk, hogy a jódatomok nagyobbak, ezért nagyobb a molekula is, tehát jobban polarizálható. Nagyobb atom vagy molekula jobban polarizálható, így erősebb diszperziós kölcsönhatásokat tud létrehozni. Ne feledjük, ezek a diszperziós erők a molekulák között hatnak! A molekulákban a két jódatom között kovalens kötés található, a molekulákat pedig a diszperziós erők tartják össze. Mivel a jódmolekulák közti diszperziós erők erősebbek, arra számíthatunk, hogy a jód olvadáspontja magasabb, mint a klóré. Itt vannak a számadatok. A jód molekularácsa, ahogy már mondtam, 113,7 ⁰C-on olvad, míg a klóré -101,5 ⁰C-on, ami viszont igencsak hideg. Tehát a jód olvadáspontja magasabb az erősebb diszperziós erők következtében. Ahogy mondtam, ezek a diszperziós erők így sem mondhatók erősnek. Nem olyan magas ez a hőmérséklet, ha egyéb, korábban vizsgált szilárd anyagok olvadáspontjával hasonlítjuk össze.