Молекулярная кристаллическая решетка - это такой тип кристаллической решетки твердых веществ, в узлах которой располагаются молекулы. Этот тип решетки встречается у многих веществ, поэтому важно знать, какие именно соединения ее имеют, чтобы правильно предсказывать их свойства.
Основные типы кристаллических решеток
Существует четыре основных типа кристаллических решеток:
- ионная
- атомная
- молекулярная
- металлическая
Они различаются тем, какие частицы находятся в узлах решетки и какими силами эти частицы связаны.
Молекулярная кристаллическая решетка
В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы. Это могут быть молекулы как органических, так и неорганических соединений. Молекулы удерживаются в узлах решетки относительно слабыми межмолекулярными взаимодействиями - водородными связями, силами Ван-дер-Ваальса и др.
Поэтому вещества с молекулярной кристаллической решеткой обычно обладают следующими характерными особенностями:
- Низкие температуры плавления и кипения
- Высокая летучесть
- Низкая твердость
- Плохая тепло- и электропроводность как в твердом состоянии, так и в растворах
Для сравнения, вещества с ионной или металлической решеткой значительно более тугоплавкие и твердые, а расплавы и растворы ионных кристаллов хорошо проводят электрический ток.
Какие вещества имеют молекулярную кристаллическую решетку
Молекулярную кристаллическую решетку имеет довольно широкий круг неорганических и органических соединений. Рассмотрим подробнее.
Простые вещества с молекулярной решеткой
К простым веществам, молекулы которых образуют молекулярную кристаллическую решетку, относятся:
- Кислород O2
- Водород H2
- Азот N2
- Галогены: хлор Cl2, бром Br2, йод I2
Это двухатомные газы, молекулы которых связаны ковалентной неполярной связью. При обычных условиях они находятся в газообразном состоянии, и лишь при низких температурах могут конденсироваться в твердое вещество с молекулярной решеткой.
Например, твердый кислород имеет молекулярную кристаллическую решетку и образуется при температуре ниже -219°C.
Неорганические соединения
Среди неорганических соединений молекулярные кристаллические решетки встречаются у:
- Оксидов неметаллов, например SiO2, CO, CO2, N2O
- Галогенидов неметаллов типа SiCl4, PF5
- Солей с крупным органическим катионом, например CH3COONa
Здесь молекулы или комплексные ионы связаны между собой относительно слабыми силами, поэтому в твердом состоянии образуется характерная молекулярная решетка.
Органические соединения
Молекулярную кристаллическую решетку имеет подавляющее большинство органических веществ, будь то углеводороды, спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры и так далее. Это связано с тем, что молекулы органических веществ обычно достаточно крупные и имеют сложную пространственную форму, поэтому между собой они связаны лишь слабыми dispersion взаимодействиями и водородными связями.
| Муравьиная кислота HCOOH | Этанол C2H5OH |
| Бензол C6H6 | Парафины CnH2n+2 |
Таким образом, подавляющее большинство органических соединений имеет в твердом состоянии характерную молекулярную кристаллическую решетку.
Закономерности строения и свойств
Вещества с молекулярной кристаллической решеткой демонстрируют ряд закономерностей, связанных с особенностями этого типа решетки.
Во-первых, чем сильнее силы межмолекулярного взаимодействия в таком кристалле - тем выше, как правило, температура плавления вещества и его твердость. А чем крупнее и сложнее пространственная форма молекул - тем слабее эти взаимодействия и ниже физические свойства кристалла.
Во-вторых, молекулярные кристаллы всегда обладают низкой электро- и теплопроводностью, так как носители заряда и тепла (электроны, фононы) не могут свободно перемещаться между слабосвязанными молекулами.
И в-третьих, растворимость таких веществ в полярных растворителях, например в воде, зависит от наличия полярных групп в молекулах. Полярные соединения хорошо растворяются, а неполярные - плохо.
Таким образом, зная структуру молекулярных кристаллов, можно делать обоснованные предсказания об их различных свойствах - и наоборот.
Факторы, влияющие на молекулярную кристаллическую решетку
На структуру и свойства молекулярных кристаллов может влиять множество факторов:
- Температура. Повышение температуры приводит к усилению тепловых колебаний молекул в узлах кристаллической решетки. Это ослабляет межмолекулярные взаимодействия и может даже разрушить кристаллическую решетку при нагревании до температуры плавления.
- Давление. Повышенное внешнее давление сближает молекулы в кристалле, усиливая межмолекулярные взаимодействия. Это повышает температуру плавления таких молекулярных кристаллов.
- Примеси и дефекты. Примесные атомы или дефекты решетки нарушают правильность расположения молекул, ослабляя связи между ними. Это снижает стабильность таких кристаллов.
- Внешние воздействия. Внешние электрические или магнитные поля могут влиять на полярные молекулы в узлах кристаллической решетки, изменяя ее свойства. Например, в водородосвязанных кристаллах.
Применение веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку
Практическое использование веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку, очень разнообразно:
- В быту. В быту часто используются молекулярные кристаллы сахара, соли, льда. Например, сахарный песок, поваренная соль, сухой лед.
- В промышленности. Важны полимеры с молекулярной упаковкой макромолекул - полиэтилен, тефлон, целлюлоза. Применяются оксиды ЦО, SiO2, твердые галогены. Используются в качестве реагентов, адсорбентов, катализаторов.
- В научных исследованиях. Молекулярные кристаллы активно изучают различными физико-химическими методами - рентгеноструктурным анализом, спектроскопией для установления структуры и межмолекулярных взаимодействий.
Давайте рассмотрим конкретные примеры веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку.
Оксид углерода(IV)
Углекислый газ CO2 - это газ, молекулы которого состоят из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Эти молекулы соединены ковалентной полярной связью, при обычных условиях существуют как газ, а при температуре ниже -78°C образуют твердое вещество - сухой лед. В твердом состоянии молекулы CO2 имеют характерную молекулярную кристаллическую решетку.
Сахароза
Сахароза или сахарный песок - это дисахарид, молекулы которого состоят из остатков глюкозы и фруктозы. Эти относительно крупные молекулы связаны между собой водородными связями в характерные кристаллические решетки. Таким образом, сахароза твердая при комнатной температуре и имеет молекулярную кристаллическую решетку.
Полиэтилен
Полиэтилен [(CH2-CH2)n] - это полимер, макромолекулы которого представляют собой длинные цепочки атомов углерода и водорода. Эти гибкие молекулы образуют характерные кристаллические решетки, связанные между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, полиэтилен - это кристаллический полимер с молекулярной упаковкой макромолекул.
