Условие задачи
Что такое молекулярная кристаллическая решётка? Чем она отличается от ионной? Приведите примеры веществ с молекулярной кристаллической решёткой.
Решение
Данная задача относится к дисциплине химия, в частности к разделу физической химии и химии материалов. Ниже приводится подробное решение с использованием общепринятых понятий и формул, записанных с использованием символов Unicode вместо LaTeX.
1. Определение молекулярной кристаллической решётки
Молекулярная кристаллическая решётка – это регулярное (периодическое) расположение отдельных молекул в твёрдом теле. В такой решётке между молекулами действуют слабые межмолекулярные силы, такие как ван-дер-Ваальсовы силы, диполь-дипольное взаимодействие или водородные связи. Благодаря сравнительно слабой связи такие кристаллы зачастую имеют невысокие температуры плавления и низкую механическую прочность.
Например, элемент йод существует в виде молекулярного кристалла, где молекулы I₂ удерживаются вместе слабым взаимодействием ван-дер-Ваальса.
2. Отличие от ионной кристаллической решётки
Основные различия между молекулярной и ионной кристаллическими решётками заключаются в следующем:
а) Тип соединения и строение частиц:
• В молекулярном кристалле основными частицами являются нейтральные молекулы.
• В ионном кристалле основными частицами являются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы).
б) Вид межчастичных взаимодействий:
• В молекулярном кристалле держат частицы слабые межмолекулярные силы (например, ван-дер-Ваальсовы силы), которые характеризуются сравнительно низкой энергией связи.
• В ионном кристалле частицы удерживаются сильными электростатическими взаимодействиями между противоположно заряженными ионами. Эти силы описываются законом кулоновского взаимодействия, энергия которого обратно пропорциональна расстоянию между зарядами (E ∝ 1⁄r). Благодаря этому ионные кристаллы обладают высокой температурой плавления и большей твёрдостью.
в) Физико-химические свойства:
• Молекулярные кристаллы часто являются неметаллами с относительно низкими температурами плавления и могут быть легко деликатными или хрупкими.
• Ионные кристаллы, как правило, имеют высокую температуру плавления, большое значение твёрдости и, зачастую, при расплавлении или в распущенном в воде состоянии проводят электрический ток.
3. Примеры веществ с молекулярной кристаллической решёткой
Ниже приведены несколько примеров веществ, у которых в твёрдом состоянии формируется молекулярная кристаллическая решётка:
• Йод (I₂) – элемент, где молекулы I₂ расположены в кристаллической решётке, соединённые ван-дер-Ваальсовыми силами.
• Диоксид углерода (CO₂) в виде сухого льда – молекулы CO₂ также удерживаются между собой слабыми межмолекулярными силами.
• Сера (в виде S₈) – молекулы восьмичленного кольца формируют молекулярную решётку.
• Аммиак (NH₃) или фосфин (PH₃) в соответствующих условиях низкой температуры могут образовывать кристаллы с молекулярной решёткой.
• Некоторые органические соединения, например, бензол (C₆H₆), кристаллизующийся за низких температур.
Таким образом, основное отличие между молекулярной и ионной кристаллическими решётками заключается в природе взаимодействующих частиц (нейтральные молекулы против ионов) и характере сил, держащих их вместе (слабые межмолекулярные силы против сильных электростатических взаимодействий). Эти различия определяют их физико-химические свойства, такие как температура плавления, механическая прочность и проводимость.