Sólidos Moleculares

Sólidos Moleculares

Introducción.

Desde el punto de vista del tipo de fuerzas que mantienen unidas las partícula de un sólido, es decir del enlace químico, los sólidos pueden agruparse en cuatro clases.

Estas son:

Sólidos Moleculares; N2 , CO2 ,P4O10 , S8 .

Sólidos metálicos; Na, Fe, otros metales y aleaciones

Sólidos covalentes; C, SiO2 , GaAs.

Sólidos iónicos; NaCl, CaO, CsAu

Cada clase de sólidos se analizará a continuación por separado atendiendo a sus propias características. En cada caso se explicará como es el enlace entre las partículas y las propiedades generales de las sustancias que poseen este tipo de enlace.

La primera clase de sólidos, los moleculares están constituidos por moléculas, que retienen su identidad de partículas discretas e individuales cuando están en la fase sólida.. A continuación se describen este tipo de sólidos.

Estructura cristalina.

En los sólidos moleculares, las moléculas ocupan en el retículo cristalino una posición fija en el ordenamiento interno del sólido.

Las moléculas apolares y simétricas que tengan forma aproximadamente esférica, tienen corrientemente estructuras de empaquetamiento compacto de las moléculas. En algunos casos la estructura se aparta ligeramente de dicho tipo, pero se pueden describir aproximadamente de esa manera.

Este es el caso del yodo, cuya estructura cristalina es tetragonal, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Celda unitaria del I2 . Estructura molecular compuesta por moléculas con una distancia I - I de 2.7Å, que corresponde a un enlace covalente.

Las moléculas se unen entre sí por fuerzas de Van de Waals. Las distancias intermoleculares son mayores que las distancias de enlace covalente, aprox. 3.5Å.

Cuando las moléculas son apolares, pero muy lejos de la forma esférica, entonces las moléculas se empaquetan en la forma mas compacta posible atendiendo a su forma y tamaño. Este es el caso por ejemplo del beceno, C6H6 , que es una molécula grande y plana.

La estructura del azufre S8 y del fósforo P4 se muestran en la figura 2.

Estructura de la variedad rómbica del azufre, que es la estable a temperatura ambiente. Como puede apreciarse, está constituida por moléculas en forma de anillos de ocho átomos de azufre, S8

Estructura del fósforo blanco. En el sólido existen moléculas tetraédricas P4 unidas por fuerzas de Van der Waals.

Figura 2 Estructura cristalina del azufre rómbico y del fósforo blanco

Enlace en los sólidos moleculares.

Las fuerzas de unión de las moléculas en un sólido molecular son llamadas en general Fuerzas de van der Waals. En la inmensa mayoría de los casos estas fuerzas son débiles y de esto se derivan muchas de las propiedades del sólido.

Las Fuerzas de van der Waals son de origen electrostático.

Cuando son moléculas polares, es evidente que la interacción entre los dipolos eléctricos de una molécula con las otras es decisiva.

Cuando son apolares, el origen de las fuerzas de atracción es algo menos evidente, pero se relaciona con la existencia de la envoltura electrónica de carga negativa de una molécula y su interacción con otras..

Sólidos moleculares apolares.

En los sólidos moleculares apolares, las fuerzas de v. d. Waals que mantienen las partículas unidas son en particular las denominadas Fuerzas de Dispersivas de London. Estas son interacciones dipolo instantáneo-dipolo instantáneo, que surgen por el movimiento electrónico en la dinámica interna de cada molécula.

Estas fuerza de London no son direccionales, es decir actúan en todas las direcciones alrededor de la molécula, y su fortaleza disminuye muy rápidamente cuando aumenta la distancia entre las moléculas, son inversamente proporcionales a la sexta potencia de la distancia (1/r-6). Por eso se manifiestan solamente en el estado sólido cuando las partículas están muy cercas unas de otras y es por eso que las moléculas apolares se empaquetan de la manera más compacta posible en el sólido. En el estado líquido estas fuerza de London son también decisivas.

La formación de los dipolos instantáneos y la intensidad de estos depende de la posibilidad de polarizarse de la molécula, es decir de la posibilidad de que los electrones se puedan desplazar en mayor o menor medida de sus posiciones alrededor de los núcleos. Cuanto más grande es la molécula, tanto mayor es el numero de electrones en la envoltura y tanto más lejos están los electrones de los núcleos. Es por eso que en las moléculas grandes es más fácil lograr la polarizacion y ésta resulta de mayor magnitud.

Por todo lo anterior, se puede considerar que las fuerzas que unen las moléculas de sólidos apolares son directamente proporcionales a la masa molecular.

La temperatura de fusión de un sólido molecular apolar depende directamente de la masa molecular, o sea:

Cuanto mayor es la masa molecular de un sólido molécula apolar, tanto mayor es su temperatura de fusión.

En la siguiente tabla se muestran datos que corroboran esta regla.

Fuerzas de London I2 > Br2 > Cl2 > F2

sólido I2 Br2 Cl2 F2

T. F. ºC 114 -7 -101 220

Sólidos moleculares polares.

Las fuerzas de interacción dependen de la magnitud del dipolo molecular: Estas son además direccionales porque los dipolos molecular también lo son. La parte positiva del dipolo de una molécula debe interactuar con la parte negativa del dipolo de la otra y por eso la posición de una molécula en relación con la otra en el retículo cristalino sigue este orden.

Las fuerzas de van der Waals que provocan las interacciones entre moléculas polares son del tipo dipolo permanente-dipolo permanente y se denominan en particular Fuerzas de Keeson

Cuanto más polar es la molécula, mayores son las fuerzas de Keeson.

Las fuerzas de Keeson son considerablemente mayores que las de London y por eso dos sólidos cuyas moléculas tengan masas moleculares parecidas, el que sea polar tendrá una temperatura de fusión mayor que la apolar.

La siguiente tabla ofrece datos que corroboran las reglas anteriores.

Fuerza de Keeson H2O > H2S > H2Se > H2Te

sólido H2O H2S H2Se H2Te

T. F. ºC 0 -85,5 -65,7 -51

En la tabla anterior, se puede observar que la temperatura de fusión del agua es mucho mayor que la del resto de los sólidos. Además, en estos últimos

...