Molekularácsos anyagok

A szilárd kristályos anyagokat négyféle rácsszerkezet alkothatja, ezek egyike a molekularács.

Molekularács:

• rácspontokon molekulák vannak

• molekulákon belül az atomok között kovalens kötés, a rácsban a molekulák között másodrendű kötések alakulnak ki (hidrogénkötés, dipol-dipol kölcsönhatás, diszperziós kölcsönhatás)

• áramot nem vezetik

A molekularácsos kémiai anyagok többféleképpen csoportosíthatóak, jelentős különbségeket találunk az apoláris és poláris anyagok között. Az elektronegativitások különbsége 0, akkor nincs töltéseltolódás, tehát a kötés apoláris lesz. Ilyen esetekben maga a molekula is apoláris (pl.: N₂, H₂, S₈, Cl₂, stb.). Ha a kötés ugyan poláris, de a molekula szimmetrikus, akkor is apoláris lesz (pl.: CH₄, SO₃, CO₂)!

Az apoláris kötésük miatt apoláris molekulák között jellemzőek a gáz halmazállapotúak (nitrogén, oxigén, klór, hidrogén, stb.), melyek alacsony forrásponttal, olvadásponttal rendelkeznek általában.

Poláris a kötés, ha az elektronegativitás különbsége nem 0, ilyenkor az egyik atom jobban vonzza az elektront. Poláris molekula csak akkor alakulhat ki, ha a kötés poláris és a molekula dipólus (nem szimmetrikus). Például ilyen a víz, a HCl.

A molekularácsban a molekulákat kovalens kötés tartja össze, de közöttük csak másodrendű kötések alakulhatnak ki. A molekularács vizsgálatában a leghangsúlyosabb szerep a másodrendű kötések elemzésének jut, ugyanis rengeteg befolyásoló hatással bírhatnak.

Leggyengébb közülük az apoláris molekulák között is kialakuló diszperziós kölcsönhatás. Időleges töltéseltolódást (indukált dipólusosságot) jelent, a molekulák rezgéséből adódik. Ez a kölcsönhatás viszont elegendő ahhoz, hogy az apoláris molekulákból álló jód szilárd maradjon, akárcsak a nagy szénatomszámú paraffinok.

Minél nagyobbak a molekulák, annál erősebb ez a kölcsönhatás. Ezért lesz szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú a klór, folyékony a bróm és szilárd a jód, ugyanis méretük és tömegük ilyen sorrendben növekszik. Például a fluor- és brómmolekulák között csak diszperziós kölcsönhatás lép fel, de a molekulák tömege jelentősen különbözik, ezért a forráspontjuk között nagy az eltérés (-188 °C illetve 58 °C).

A szénhidrogén alkánok között is ez biztosítja az összetartó erőt. Szimmetrikus (tetraéderes) szerkezetük miatt apolárisak, a homológ sor első négy tagja gáz halmazállapotú, a 18. tagtól pedig már szilárdak. Ez is bizonyítja, hogyha növeljük a molekulák méretét, akkor növekszik a diszperziós kölcsönhatás biztosította összetartás.

A gyenge kölcsönhatás miatt viszont forráspontjuk alacsonyabb hasonló moláris tömegű szerves vegyületekhez képest, de a molekulák méretével ez is nő (köszönhetően az erősödő másodrendű diszperziós kölcsönhatásnak). Viszont azt is érdemes megfigyelni, hogy ugyan növekszik a forráspont, olvadáspont a kölcsönhatás miatt, minél nagyobb a molekula, a plusz egy hozzá kapcsolódó metiléncsoport egyre kisebb hatást tud arányaiban kifejteni, így minél nagyobb a molekula, a következő homológ forráspontkülönbsége egyre csökkenő mértékben emelkedik.

Ha a szénlánc elágazó, akkor forrás- és olvadáspontja eltérhet az azonos összegképletű normális láncúétól. Minél nagyobb mértékű a láncelágazás, annál kisebb a forráspont és annál nagyobb az olvadáspont. Az ok a molekula alakjában keresendő, az elágazó szénláncú tagok molekulái kevésbé érintkeznek, ill. sokkal könnyebben rendeződnek szabályosan.

A telítetlen szénhidrogének forrás- és olvadáspontja a telítettekéhez hasonlóan változik.

Gyakorlatilag minden apoláris szervetlen molekulára ez a kötés jellemző, így a kisebb méretűek között a gyenge kölcsönhatás miatt nagyon sok gáz halmazállapotú, alacsony forrápontú anyagot találunk (pl.: N₂, O₂, H₂, CO₂, SO₃, stb.)

Dipol-dipol kölcsönhatás dipólusmolekulák között alakul ki. Ez a vonzóerő erősebb a diszperziós kölcsönhatásnál, megjelenik többek között a poláris kötésű, dipólusmolekulákból álló vízmolekulák között is.

Ez a kölcsönhatás kialakulhat például az éterek esetében, melyek gyengén dipólusosak, de nagyobb szénatomszámú éterek gyakorlatilag apolárisnak tekinthetőek, ezért náluk a kölcsönhatás igen gyenge. Forráspontjuk alacsony, sok tulajdonságban a szénhidrogénekre hasonlítanak. Hidrogénkötés nem tud kialakulni, mivel az oxigénhez hidrogén helyett szén kapcsolódik. Az észterekre szintén a gyenge dipol-dipol kölcsönhatás jellemző, alacsonyabb forrásponttal.

Az aldehidek erősebben dipólusosak, így náluk jelentősebb a kölcsönhatás erőssége, ezért forráspontjuk is magasabb.

A hidrogénkötés a legerősebb másodrendű kötés, így a forrás- és olvadáspontok a hidrogénkötést létesítő vegyületeknél magasabbak lesznek. Feltétele, hogy legyen nagy elektronegativitású atomhoz kapcsolódó hidrogén, erre az oxigén, nitrogén és fluor alkalmas. Emellett a molekulában nemkötő elektronpárnak is kell lennie.

A vízmolekula oxigénje nemkötő elektronpárjaival hidrogénkötés létrehozására képes a vele szomszédos hidrogénekkel, így a víz klasszikus példa a szervetlen anyagok közül a hidrogénkötésre. A vízben található hidrogénkötés miatt például a kénhidrogénnél is magasabb a forrás- és olvadáspontja, mivel utóbbinál csak dipol-dipol kölcsönhatás érvényesül.

Szerves vegyületek közül az alkoholokra nagyon jellemző a hidrogénkötés, emiatt a hasonló szénatomszámú vegyületekhez képest jelentősen magasabb forrás- és olvadáspontjuk. Természetesen az összetartó erők a molekula szénatomszámának, moláris tömegének növekedésével együtt növekednek, így a legkisebb alkoholok még illékony folyadéknak számítanak, azonban hosszabb láncúak között már szilárd anyagok is kialakulnak. E kisebb alkoholmolekulák hidrogénkötést-létrehozó képességüknek hála könnyen beilleszkednek a vízmolekulák közé, korlátlanul képesek vele elegyedni, a kontrakció jelenségét is ez magyarázza.

Az alkoholoknál magasabb forrás- és olvadáspontú szerves vegyületek már csak az amidok és a karbonsavak. A karbonsavak hidrogénkötései nagyon erősek, és rájuk is igaz hogy a szénláncot növelve növekszik a forráspont is.