Los sólidos moleculares son aquellas sustancias que están compuestas por moléculas covalentes que se mantienen unidas entre sí por medio de fuerzas débiles de van der Waals. Recordemos que una molécula es una unidad formada por un grupo fijo de átomos de uno o más elementos unidos entre sí por medio de enlaces covalentes, y que mantienen su forma, identidad y propiedades químicas aun cuando están aisladas unas de otras en el estado gaseoso o en solución.
La gran mayoría de los compuestos orgánicos están formados por moléculas, pero también existen muchos sólidos moleculares inorgánicos. Los sólidos moleculares poseen propiedades y características que los hacen muy diferentes de otros sólidos tales como los sólidos iónicos, los metales y los sólidos de red covalente. La mayoría de estas propiedades se pueden explicar en función de las características de las interacciones intermoleculares de van der Waals.
Propiedades de los sólidos covalentes
Poseen bajos puntos de fusión y ebullición
Los sólidos covalentes típicos tienen puntos de fusión casi siempre menores que 300 °C. Esto es bastante bajo, considerando que los puntos de fusión característicos de los metales y de los sólidos iónicos están por encima de los 1.000 °C.
Por otro lado, sus puntos de ebullición también son mucho menores que los de otras clases de sustancias. Por estas razones, muchas sustancias moleculares son líquidos o gases a temperatura ambiente, y se deben enfriar considerablemente para poder condensarlos o congelarlos.
Esto se explica debido a las interacciones intermoleculares. Para pasar del estado sólido al líquido, es decir, para fundirse, y del estado líquido al gaseoso, esto es, vaporizarse, es necesario romper las fuerzas que mantienen unidas a las partículas que conforman a una sustancia. En el caso de los sólidos moleculares, estas fuerzas intermoleculares son las fuerzas de van der Waals, las cuales son mucho más débiles que las fuerzas electrostáticas que mantienen unidos entre sí a los cationes y aniones presentes en los compuestos iónicos o a los átomos en los sólidos metálicos. Por esta razón, es mucho más fácil fundir o evaporar a un sólido covalente que a un metal o a una sal.
Suelen ser volátiles
Por las mismas razones explicadas anteriormente, los sólidos moleculares suelen tener presiones de vapor relativamente altas (i.e. son volátiles). Esto les confiere una característica importante a los sólidos moleculares que no tienen ni los metales, ni las sales, ni mucho menos los sólidos de red covalente: algunos tienen aromas característicos.
La única manera de que podamos oler alguna sustancia, es que parte de esta pueda ser transportada por el aire hasta nuestras narices para que allí estimule las células sensoriales del olfato. Solo los sólidos moleculares que poseen presiones de vapor lo suficientemente altas pueden producir suficientes moléculas gaseosas como para que las podamos percibir.
Tienen baja densidad
La mayoría de los sólidos moleculares están formados por elementos livianos como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno. Además, el hecho de que las fuerzas intermoleculares de van der Waals sean débiles hace que las moléculas se encuentren relativamente lejos unas de otras. Como consecuencia, los sólidos moleculares suelen tener densidades bajas.
Son sustancias suaves y muchas veces maleables
La dureza es una función de qué tan fuertemente están unidas entre sí las partículas que forman una sustancia, por lo que los sólidos moleculares, al estar sus moléculas unidas entre sí por medio de fuerzas débiles, son sustancias suaves.
Por otro lado, algunos sólidos moleculares, en especial aquellos formados por moléculas apolares tales como los hidrocarburos, son sustancias maleables, es decir, se pueden deformarse al aplicar una fuerza sin romperse. Esto sucede gracias al hecho de que las fuerzas de dispersión de London, que son una de las componentes de las fuerzas de van der Waals, no tienen direccionalidad, lo que permite que las moléculas se muevan, se deslicen unas encima de las otras y se tuerzan sin que desaparezca la fuerza que las mantiene unidas.
En el caso de los sólidos iónicos y los sólidos de red covalente como el diamante y el grafito, para deformarlos se necesita romper los enlaces entre sus partículas y, una vez rotos, no se pueden volver a formar a menos que estén todos en el mismo sitio que antes con la misma orientación, etc.
Pueden ser tanto sólidos cristalinos como amorfos
Algunos sólidos moleculares tales como el hielo, el yodo, muchas sustancias orgánicas y el dióxido de carbono sólido (hielo seco), entre otros, forman sólidos cristalinos con una estructura altamente ordenada que se propaga en las tres dimensiones. Otros, tales como la mayoría de los polímeros, forman sólidos amorfos en los que las moléculas tienen orientaciones y conformaciones aleatorias. Nuevamente, esto se debe a la falta de direccionalidad de las fuerzas de van der Waals.
Suelen ser materiales aislantes
En los sólidos moleculares, los electrones de valencia suelen estar comprometidos en la formación de los enlaces covalentes que mantienen a los átomos unidos entre sí. Por esta razón, no están disponibles para conducir la electricidad, lo que hace que estos materiales sean aislantes eléctricos.
Clases de sólidos moleculares
Según el tipo de moléculas que los conforman, los sólidos moleculares se pueden clasificar en:
- Sólidos moleculares orgánicos. Estos incluyen a todos los alcanos, alquenos, alquinos, alcoholes y demás tipos de sustancias derivadas del carbono.
- Sólidos moleculares inorgánicos. Aquí se incluyen tanto a los alótropos moleculares de los distintos elementos no metálicos, tales como el oxígeno molecular (O2), el fósforo blanco (S4) el azufre elemental (S8), y otros, como aquellos compuestos moleculares formados por la unión de dos o más no metales.
Según la polaridad de sus moléculas, se pueden clasificar en:
- Sólidos moleculares polares. Ejemplos incluyen el agua, el monóxido de carbono, el cloruro de hidrógeno, así como los compuestos orgánicos polares tales como los alcoholes y los ácidos carboxílicos. Entre los sólidos moleculares, estos poseen los puntos de fusión y ebullición más altos.
- Sólidos moleculares apolares. Estos incluyen todas las moléculas apolares tales como las especies homoatómicas (O2, O3, Br2, etc.). Estos solo presentan fuerzas de dispersión de London, que son las interacciones más débiles entre las fuerzas de van der Waals, por lo que suelen tener puntos de fusión y ebullición más bajos que los polares.
Ejemplos adicionales de sólidos moleculares
Además de los ejemplos que ya se han mencionado en las secciones anteriores, otros ejemplos específicos de sólidos moleculares son:
Fulerenos
Los fulerenos son una clase de moléculas formadas únicamente por átomos de carbono y que tienen forma aproximadamente esférica. Se trata de diferentes alótropos del carbono. El más popular de todos es el Buckminsterfulereno cuya fórmula es C60 y que recibe su nombre en honor al arquitecto estadounidense Buckminster Fuller quien era conocido por diseñar cúpulas geodésicas que dieron la pista para la deducción de la estructura de estos compuestos.
Ozono
Se trata de otro alótropo molecular del oxígeno con fórmula O3. Cuando el ozono se condensa y luego congela a -192,2 °C, forma un sólido molecular.
Naftaleno
Regresando a los compuestos orgánicos, el naftaleno es un sólido molecular de fórmula C10H8 que tiene un punto de fusión de 80,26 °C por lo que es sólido a temperatura ambiente.
Los gases nobles
A pesar de no ser realmente moléculas sino especies monoatómicas estables, los gases nobles se suelen incluir como parte de los sólidos moleculares ya que comparten su principal característica: las únicas interacciones entre las partículas que forman a estas sustancias, es decir, entre los átomos individuales, son fuerzas de dispersión de London. Esta es la razón por la que todos son gases a temperatura ambiente.
Referencias
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