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Sólido molecular

Modelos del empaquetamiento de moléculas en dos sólidos moleculares, dióxido de carbono o hielo seco (a), [ 1 ] y cafeína (c). [ 2 ] Las esferas grises, rojas y moradas represen...

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Modelos del empaquetamiento de moléculas en dos sólidos moleculares, dióxido de carbono o hielo seco (a), [ 1 ] y cafeína (c). [ 2 ] Las esferas grises, rojas y moradas representan carbono , oxígeno y nitrógeno , respectivamente. Imágenes de dióxido de carbono (b) y cafeína (d) en estado sólido a temperatura ambiente y atmósfera. La fase gaseosa del hielo seco en la imagen (b) es visible porque el sólido molecular se está sublimando .

Un sólido molecular es un sólido compuesto por moléculas discretas . Las fuerzas cohesivas que unen las moléculas son las fuerzas de van der Waals , las interacciones dipolo-dipolo , las interacciones cuadrupolares , las interacciones π-π , los enlaces de hidrógeno , los enlaces de halógeno , las fuerzas de dispersión de London y, en algunos sólidos moleculares, las interacciones coulombianas . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Las interacciones de Van der Waals, dipolares, cuadrupolares, π–π, de hidrógeno y de halógeno (2–127 kJ mol −1 ) [ 10 ] son ​​típicamente mucho más débiles que las fuerzas que mantienen unidos a otros sólidos: metálicos ( enlaces metálicos , 400–500 kJ mol −1 ), [ 4 ] iónicos ( fuerzas de Coulomb , 700–900 kJ mol −1 ), [ 4 ] y sólidos reticulares ( enlaces covalentes , 150–900 kJ mol −1 ). [ 4 ] [ 10 ]

Las interacciones intermoleculares generalmente no involucran electrones deslocalizados , a diferencia de los enlaces metálicos y ciertos enlaces covalentes. Las excepciones son los complejos de transferencia de carga como el tetratiafulvano-tetracianoquinodimetano (TTF-TCNQ), una sal de iones radicales . [ 5 ] Estas diferencias en la fuerza de interacción (es decir, covalente frente a van der Waals) y las características electrónicas (es decir, electrones deslocalizados) con respecto a otros tipos de sólidos dan lugar a las propiedades mecánicas , electrónicas y térmicas únicas de los sólidos moleculares. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]

Los sólidos moleculares son malos conductores eléctricos , [ 4 ] [ 5 ] aunque algunos, como el TTF-TCNQ, son semiconductores (ρ = 5 × 10 2 Ω −1 cm −1 ). [ 5 ] Todavía son sustancialmente menores que la conductividad del cobre (ρ = 6 × 10 5 Ω −1 cm −1 ). [ 8 ] Los sólidos moleculares tienden a tener una tenacidad a la fractura menor ( sacarosa , K Ic = 0,08 MPa m 1/2 ) [ 11 ] que los sólidos metálicos ( hierro , K Ic = 50 MPa m 1/2 ), [ 11 ] iónicos ( cloruro de sodio , K Ic = 0,5 MPa m 1/2 ), [ 11 ] y covalentes ( diamante , K Ic = 5 MPa m 1/2 ). [ 12 ] Los sólidos moleculares tienen puntos de fusión (T m ) y ebullición (T b ) bajos en comparación con los sólidos metálicos (hierro), iónicos (cloruro de sodio) y covalentes (diamante). [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 13 ] Ejemplos de sólidos moleculares con bajas temperaturas de fusión y ebullición incluyen argón , agua , naftaleno , nicotina y cafeína (ver tabla a continuación). [ 13 ] [ 14 ] Los constituyentes de los sólidos moleculares varían en tamaño desde gases monoatómicos condensados ​​[ 15 ] hasta moléculas pequeñas (es decir, naftaleno y agua) [ 16 ] [ 17 ] hasta moléculas grandes con decenas de átomos (es decir, fullereno con 60 átomos de carbono ). [ 18 ]

Composición y estructura

Los sólidos moleculares pueden consistir en átomos individuales, moléculas diatómicas y/o poliatómicas . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Las interacciones intermoleculares entre los constituyentes determinan cómo se estructura la red cristalina del material. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Todos los átomos y moléculas pueden participar en fuerzas de van der Waals y de dispersión de London ( estéricas ). Es la ausencia o presencia de otras interacciones intermoleculares, basadas en el átomo o la molécula, lo que confiere a los materiales propiedades únicas. [ 19 ]

Fuerzas de Van der Waals

Las fuerzas de dispersión de Van der Waals y London guían al yodo para que se condense en un sólido a temperatura ambiente. [ 22 ] (a) Estructura de puntos de Lewis del yodo y una estructura análoga como modelo de relleno espacial. Las esferas moradas representan átomos de yodo. (b) Demostración de cómo las fuerzas de dispersión de Van der Waals y London guían la organización de la red cristalina de 1D a 3D (material a granel).

El argón es un gas noble que tiene un octeto completo , no tiene carga y es no polar . [ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 8 ] Estas características hacen que sea desfavorable para el argón participar en enlaces metálicos, covalentes e iónicos, así como en la mayoría de las interacciones intermoleculares. [ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 8 ] Sin embargo, puede participar en fuerzas de van der Waals y de dispersión de London. [ 3 ] [ 4 ] Estas débiles autointeracciones son isotrópicas y dan como resultado el ordenamiento de largo alcance de los átomos en un empaquetamiento cúbico centrado en las caras cuando se enfría por debajo de -189.3. [ 13 ] De manera similar, el yodo, una molécula diatómica lineal, tiene un dipolo neto de cero y solo puede participar en interacciones de van der Waals que son bastante isotrópicas. [ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 8 ] Esto da como resultado la simetría bipiramidal .

Interacciones dipolo-dipolo y cuadrupolo

Las interacciones dipolo-dipolo entre las moléculas de acetona guían parcialmente la organización de la estructura de la red cristalina. [ 23 ] (a) Interacción dipolo-dipolo entre moléculas de acetona apiladas una encima de la otra. (b) Interacción dipolo-dipolo entre moléculas de acetona situadas una delante de la otra y la otra detrás en el mismo plano. (c) Interacción dipolo-dipolo entre moléculas de acetona con la dirección invertida, pero adyacentes entre sí en el mismo plano. (d) Demostración de cómo las interacciones cuadrupolo-cuadrupolo participan en la estructura de la red cristalina.

Para la acetona, las interacciones dipolo-dipolo son una fuerza impulsora principal detrás de la estructura de su red cristalina. El dipolo negativo es causado por el oxígeno. El oxígeno es más electronegativo que el carbono y el hidrógeno, [ 13 ] causando una carga parcial negativa (δ-) y positiva (δ+) en el oxígeno y el resto de la molécula, respectivamente. [ 3 ] [ 5 ] La δ- se orienta hacia la δ+ haciendo que las moléculas de acetona prefieran alinearse en algunas configuraciones en una orientación δ- a δ+ (imagen de la izquierda). Las interacciones dipolo-dipolo y otras interacciones intermoleculares se alinean para minimizar la energía en el estado sólido y determinar la estructura de la red cristalina.

Las interacciones cuadrupolo-cuadrupolo entre las moléculas de naftaleno guían parcialmente la organización de la estructura de la red cristalina. [ 24 ] (a) Una estructura de puntos de Lewis coloreada artificialmente para proporcionar un mapa cualitativo de dónde existen las cargas parciales para el cuadrupolo. Una representación 3D de moléculas de naftaleno y cuadrupolo. (b) Una representación 3D del cuadrupolo de dos moléculas de naftaleno interactuando. (c) Una interacción dipolo-dipolo entre moléculas de acetona invertidas en dirección, pero adyacentes entre sí en el mismo plano. (c) Demostración de cómo las interacciones cuadrupolo-cuadrupolo están involucradas en la estructura de la red cristalina.

Un cuadrupolo, como un dipolo, es un polo permanente pero el campo eléctrico de la molécula no es lineal como en la acetona, sino en dos dimensiones. [ 25 ] Ejemplos de sólidos moleculares con cuadrupolos son el octafluoronaftaleno y el naftaleno . [ 17 ] [ 25 ] El naftaleno consta de dos anillos conjugados unidos . La electronegatividad de los átomos de este sistema de anillos y la conjugación causan una corriente de anillo aromático que resulta en un cuadrupolo. Para el naftaleno, este cuadrupolo se manifiesta en un δ- y δ+ que se acumulan dentro y fuera del sistema de anillos, respectivamente. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 10 ] [ 25 ] El naftaleno se ensambla a través de la coordinación del δ- de una molécula con el δ+ de otra molécula. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Esto da como resultado columnas 1D de naftaleno en una configuración de espina de pescado . Estas columnas se apilan formando capas bidimensionales y luego materiales tridimensionales a granel. El octafluoronaftaleno sigue esta ruta de organización para formar material a granel, con la diferencia de que los grupos δ- y δ+ se encuentran en el exterior y el interior del sistema de anillos, respectivamente. [ 5 ]

Enlaces de hidrógeno y halógeno

El enlace de hidrógeno entre las moléculas de ácido acético guía parcialmente la organización de la estructura de la red cristalina. [ 26 ] (a) Estructura de puntos de Lewis con las cargas parciales y el enlace de hidrógeno indicados con una línea discontinua azul. Modelo de bolas y varillas de ácido acético con el enlace de hidrógeno indicado con una línea discontinua azul. (b) Cuatro moléculas de ácido acético en enlaces de hidrógeno en zigzag en 1D. (c) Demostración de cómo los enlaces de hidrógeno participan en la estructura de la red cristalina.

Un enlace de hidrógeno es un dipolo específico donde un átomo de hidrógeno tiene una carga positiva parcial (δ+) debido a un átomo o grupo funcional electronegativo vecino . [ 9 ] [ 10 ] Los enlaces de hidrógeno se encuentran entre las interacciones intermoleculares fuertes conocidas, aparte de las interacciones ión-dipolo . [ 10 ] Para los enlaces de hidrógeno intermoleculares, el hidrógeno δ+ interactúa con un δ- en una molécula adyacente. Ejemplos de sólidos moleculares que forman enlaces de hidrógeno son el agua, los aminoácidos y el ácido acético . [ 3 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 10 ] Para el ácido acético, el hidrógeno (δ+) en la porción alcohol del ácido carboxílico forma enlaces de hidrógeno con la porción carbonilo (δ-) del carboxilo en la molécula adyacente. Este enlace de hidrógeno lleva a una cadena de moléculas de ácido acético a unirse mediante enlaces de hidrógeno para minimizar la energía libre . [ 10 ] [ 26 ] Estas cadenas de moléculas de ácido acético se apilan para formar sólidos.

El enlace de halógeno entre las moléculas de bromo y 1,4-dioxano guía parcialmente la organización de la estructura de la red cristalina. [ 27 ] (a) Estructura de puntos de Lewis y modelo de bolas y varillas de bromo y 1,4-dioxano. El enlace de halógeno se encuentra entre el bromo y el 1,4-dioxano. (b) Demostración de cómo el enlace de halógeno puede guiar la estructura de la red cristalina.

Un enlace de halógeno se produce cuando un haluro electronegativo participa en una interacción no covalente con un átomo menos electronegativo de una molécula adyacente. [ 10 ] [ 28 ] Ejemplos de sólidos moleculares que presentan enlaces de halógeno son el hexaclorobenceno [ 11 ] [ 29 ] y un cocristal de bromo -1,4-dioxano . [ 27 ] En el segundo ejemplo, el átomo de bromo δ- de la molécula diatómica de bromo se alinea con el oxígeno menos electronegativo del 1,4-dioxano. En este caso, el oxígeno se considera δ+ en comparación con el átomo de bromo. Esta coordinación da lugar a una organización en cadena que se apila en 2D y luego en 3D. [ 27 ]

interacciones de Coulomb

El enlace iónico parcial entre las moléculas de TTF y TCNQ guía parcialmente la organización de la estructura cristalina. Las interacciones de van der Waals del núcleo para TTF y TCNQ guían las columnas apiladas adyacentes. [ 30 ] (a) Una estructura de puntos de Lewis y un modelo de bolas y varillas de TTF y TCNQ. El enlace iónico parcial se encuentra entre los motivos ciano y tio. (b) Demostración de cómo los enlaces de van der Waals y los enlaces iónicos parciales guían la estructura de la red cristalina.

Las interacciones coulombianas se manifiestan en algunos sólidos moleculares. Un ejemplo bien estudiado es la sal de iones radicales TTF-TCNQ con una conductividad de 5 × 10 2 Ω −1 cm −1 , [ 5 ] mucho más cercana al cobre (ρ = 6 × 10 5 Ω −1 cm −1 ) [ 8 ] que muchos sólidos moleculares. [ 31 ] [ 18 ] [ 30 ] La interacción coulombiana en TTF-TCNQ proviene de la gran carga negativa parcial (δ = -0,59) en la fracción ciano- en TCNQ a temperatura ambiente. [ 5 ] Como referencia, una molécula completamente cargada δ = ±1. [ 5 ] Esta carga negativa parcial conduce a una fuerte interacción con la fracción tio- del TTF. La fuerte interacción conduce a una alineación favorable de estos grupos funcionales adyacentes entre sí en el estado sólido. [ 5 ] [ 30 ] Mientras que las interacciones π-π hacen que el TTF y el TCNQ se apilen en columnas separadas. [ 10 ] [ 30 ]

Alótropos

Una forma de un elemento puede ser un sólido molecular, pero otra forma de ese mismo elemento puede no serlo. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Por ejemplo, el fósforo sólido puede cristalizar como diferentes alótropos llamados fósforo "blanco", "rojo" y "negro". El fósforo blanco forma cristales moleculares compuestos de moléculas tetraédricas de P 4. [ 32 ] Calentar a presión ambiente a 250  °C o exponerlo a la luz solar convierte el fósforo blanco en fósforo rojo, donde los tetraedros de P 4 ya no están aislados, sino conectados por enlaces covalentes en cadenas similares a polímeros. [ 33 ] Calentar el fósforo blanco bajo altas presiones (GPa) lo convierte en fósforo negro, que tiene una estructura laminar similar al grafito . [ 34 ] [ 35 ]

Las transiciones estructurales en el fósforo son reversibles: al liberar la alta presión, el fósforo negro se convierte gradualmente en fósforo rojo, y al vaporizar el fósforo rojo a 490  °C en una atmósfera inerte y condensar el vapor, el fósforo rojo covalente puede transformarse en el sólido molecular, fósforo blanco. [ 36 ]

De manera similar, el arsénico amarillo es un sólido molecular compuesto por unidades de As 4. [ 37 ] Algunas formas de azufre y selenio están compuestas por unidades de S 8 (o Se 8 ) y son sólidos moleculares en condiciones ambientales, pero se convierten en alótropos covalentes con cadenas atómicas que se extienden por todo el cristal. [ 38 ] [ 39 ]

Propiedades

Dado que los sólidos moleculares se mantienen unidos por fuerzas relativamente débiles, tienden a tener bajos puntos de fusión y ebullición, baja resistencia mecánica, baja conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Además, dependiendo de la estructura de la molécula, las fuerzas intermoleculares pueden tener direccionalidad, lo que conduce a la anisotropía de ciertas propiedades. [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]

Puntos de fusión y ebullición

El punto de fusión característico de los metales y los sólidos iónicos es de aproximadamente 1000  °C o más, mientras que los sólidos moleculares suelen fundirse cerca de los 300  °C (véase la tabla), por lo que muchas sustancias correspondientes son líquidas (hielo) o gaseosas (oxígeno) a temperatura ambiente. [ 4 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 40 ] Esto se debe a los elementos involucrados, las moléculas que forman y las débiles interacciones intermoleculares de las moléculas.

Los alótropos del fósforo son útiles para demostrar aún más esta relación estructura-propiedad. El fósforo blanco, un sólido molecular, tiene una densidad relativamente baja de 1,82 g/cm³ y un punto de fusión de 44,1  °C; es un material blando que se puede cortar con un cuchillo. Cuando se convierte en fósforo rojo covalente, la densidad pasa a 2,2–2,4 g/cm³ y el punto de fusión a 590  °C, y cuando el fósforo blanco se transforma en fósforo negro (también covalente), la densidad pasa a 2,69–3,8 g/cm³ y la temperatura de fusión a ~200  °C. Tanto el fósforo rojo como el negro son significativamente más duros que el fósforo blanco. [ 43 ]

Propiedades mecánicas

Los sólidos moleculares pueden ser dúctiles o frágiles , o una combinación de ambos, dependiendo de la cara cristalina sometida a tensión. [ 5 ] [ 11 ] Tanto los sólidos dúctiles como los frágiles experimentan deformación elástica hasta alcanzar el límite elástico. [ 8 ] [ 11 ] Una vez alcanzado el límite elástico, los sólidos dúctiles experimentan un período de deformación plástica y finalmente se fracturan. Los sólidos frágiles se fracturan rápidamente después de superar el límite elástico. [ 8 ] [ 11 ] Debido a la estructura asimétrica de la mayoría de las moléculas o a la presencia de grupos funcionales capaces de formar interacciones específicas (por ejemplo, enlaces de hidrógeno , enlaces de halógeno ), muchos sólidos moleculares tienen fuerzas intermoleculares direccionales. [ 11 ] Este fenómeno puede conducir a propiedades mecánicas anisotrópicas. Típicamente, un sólido molecular es dúctil cuando tiene interacciones intermoleculares isotrópicas. Esto permite la dislocación entre capas del cristal de forma similar a los metales. [ 5 ] [ 8 ] [ 11 ] Por ejemplo, los cristales plásticos son blandos, se parecen a las ceras y se deforman fácilmente.

Un ejemplo de un sólido molecular dúctil, que puede doblarse 180°, es el hexaclorobenceno (HCB). [ 11 ] [ 29 ] En este ejemplo, las interacciones π-π entre los núcleos de benceno son más fuertes que las interacciones de halógeno de los cloruros. Esta diferencia conduce a su flexibilidad . [ 11 ] [ 29 ] Esta flexibilidad es anisotrópica; para doblar el HCB a 180°, se debe ejercer presión sobre la cara [001] del cristal. [ 29 ] Otro ejemplo de un sólido molecular flexible es el ácido 2-(metiltio)nicotínico (MTN). [ 11 ] [ 29 ] El MTN es flexible debido a sus fuertes enlaces de hidrógeno e interacciones π-π que crean un conjunto rígido de dímeros que se dislocan a lo largo de la alineación de sus metilos terminales. [ 29 ] Cuando se ejerce presión sobre la cara [010], este cristal se doblará 180°. [ 29 ] Nótese que no todos los sólidos moleculares dúctiles se doblan 180°, y algunos pueden tener más de una cara de flexión. [ 29 ]

Propiedades eléctricas

Los sólidos moleculares son generalmente aislantes. [ 5 ] [ 18 ] Esta gran brecha de banda (en comparación con el germanio a 0,7 eV) [ 8 ] se debe a las débiles interacciones intermoleculares, que dan como resultado una baja movilidad de portadores de carga . Algunos sólidos moleculares exhiben conductividad eléctrica, como el TTF-TCNQ con ρ = 5 × 10 2 Ω −1 cm −1 pero en tales casos el solapamiento orbital es evidente en la estructura cristalina. Los fullerenos, que son aislantes, se vuelven conductores o incluso superconductores al ser dopados. [ 44 ]

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas de los sólidos moleculares (como, por ejemplo, la capacidad calorífica específica, la expansión térmica y la conductancia térmica, entre otras) están determinadas por las vibraciones intra e intermoleculares de los átomos y moléculas del sólido molecular. [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] En los sólidos moleculares, las transiciones de un electrón contribuyen de forma insignificante a las propiedades térmicas en comparación con la contribución vibracional. [ 5 ] [ 8 ]

Véase también

Referencias

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  • https://www.boundless.com/chemistry/liquids-and-solids/types-of-crystals/molecular-crystals/ Archivado el 3 de enero de 2014 en Wayback Machine