Przeczytaj

bg‑azure

Czym są kryształy molekularne?

$Kr$ yształy molekularne tworzą osobne zbiory cząsteczek. Co to właściwie oznacza? W kryształach molekularnych zbiory cząsteczek są połączone słabymi oddziaływaniami. Siłami „sklejającymi” cząsteczki w krysztale mogą być siły m.in.:

siły Van der Waalsasiły Van der Waalsasiły Van der Waalsa;
wiązania wodorowewiązania wodorowewiązania wodorowe.

Przykładem kryształu molekularnego może być siarka. Siarka w temperaturze pokojowej tworzy pierścienie, w których znajduje się osiem atomów siarki ( $S_{8}$ ). Pierścienie siarki oddziałują ze sobą dzięki siłom Van der Waalsa. Struktury siarki przedstawiono w galerii poniżej.

RKfbFCyNkhGPF

Ilustracja przedstawia siarkę rombową. Osiem atomów siarki ułożonych jest w przestrzenny pierścień. — Model struktury ośmioatomowej cząsteczki siarki
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1QUSvhljzEnM

Komórka elementarna kryształu siarki
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak widać, w komórce elementarnejkomórka elementarnakomórce elementarnej poszczególne pierścienie siarki nie są ze sobą połączone. Tworzą osobne cząsteczki, dlatego siarkę powinno się zapisywać jako cząsteczkę $S_{8}$ . Gdyby siarka tworzyła kryształy kowalencyjne, pierścienie te musiałyby być połączone wiązaniem – tak, jak ma to chociażby miejsce w krysztale diamentu, gdzie wszystkie atomy węgla są ze sobą połączone. Takie same połączenia, jak w krysztale siarki, występują m.in. w fosforze białym $P_{4}$ , w którym fosfor tworzy tetraedrycznetetraedrtetraedryczne cząsteczki $P_{4}$ .

R1Pw0aB9BY6jg

Ilustracja przedstawia prostopadłościan wypełniony czworościanami foremnymi. Na wierzchołkach czworościanów są fioletowe kulki. To atomy fosforu. Czworościany nie występują w niewielkim zagęszczeniu. — Komórka elementarna fosforu białego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykładem najprostszego kryształu molekularnego, w którym występują wiązania wodorowe, jest cząsteczka lodu, co możesz zobaczyć na poniższych modelach.

Rdt0WAKO3DWoy

Ilustracja przedstawia cząsteczki wody zbudowane z czerwonej kulki - atom tlenu i dwóch połączonych z nią szarych kulek - atomów wodoru. Cząsteczki są w pewnej odległości od siebie. Są połączone liniami przerywanymi. — Sieć wiązań wodorowych (przerywana linia) w lodzie
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RFFCazPLOQiZG

Komórka elementarna lodu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W strukturze krystalicznej cząsteczki wody tworzą sieć wiązań wodorowych. Cząsteczka wody jest donorem i akceptorem dwóch wiązań wodorowych. Można zauważyć, że struktura lodu nie jest gęsto upakowana, a odległości między cząsteczkami są dość duże. Dzięki temu woda, przechodząc w stan stały (lód), zwiększa swoją objętość, a podczas topnienia ją zmniejsza.

bg‑azure

Jakie oddziaływania występują w kryształach molekularnych?

Struktury krystaliczne związków organicznych są bardziej skomplikowane w interpretacji. W większości z nich występuje kilka oddziaływań międzycząsteczkowych. Oprócz oddziaływań dyspersyjnych, wiązań wodorowych, możemy wyróżnić takie oddziaływania, jak:

R1STV16SFIjGF

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

DNA jako kryształ molekularny

Jednym z ważniejszych osiągnięć nauki w $XX$ w. było rozwiązanie struktury krystalicznej DNADNADNA – kryształu molekularnego. Na niżej zamieszczonych zdjęciach zostali ukazani naukowcy, którzy przyczynili się do odkrycia struktury krystalicznej DNA, za co otrzymali Nagrodę Nobla w $1962$ r. Warto również wspomnieć o współudziale Rosalindy Franklin w tym odkryciu, autorki rentgenogramu sodowej soli DNA.

Rcps3PF19wYRd

Zdjęcie przedstawia starszego mężczyznę, stojącego z założonymi rękami. Mężczyzna delikatnie się uśmiecha. Ma wysokie czoło spowodowane łysieniem. Na twarzy widoczne są zmarszczki. Mężczyzna ma na sobie koszulę, krawat i sweter. W tle znajduje się model helisy. — James Watson
Źródło: dostępny w internecie: wikipedia.org, domena publiczna.

Ronzg0FfNr4qY

Zdjęcie przedstawia starszego mężczyznę. Prawą dłonią podpiera podbródek. Ma wysokie czoło spowodowane łysieniem, siwe włosy, krzaczaste siwe brwi, wydatny nos. Za mężczyzną stoi regał z książkami. — Francis Crick
Źródło: Marc Lieberman, licencja: CC BY-SA 2.5.

RUcZxwsc9Mpzx

Zdjęcie przedstawia młodego mężczyznę w okularach pracującego przy urządzeniu. Mężczyzna ma ciemne włosy, zaczesane na prawą stronę. Ma na sobie garnitur, koszulę i krawat. Prawą dłoń trzyma na pokrętle urządzenia zbudowanego między innymi z licznych przewodów. — Maurice Wilkins
Źródło: dostępny w internecie: wikipedia.org, domena publiczna.

DNA – kwas deoksyrybonukleinowy – jest wielkocząsteczkowym związkiem organicznym i pełni rolę nośnika informacji genetycznej. W strukturze DNA możemy m.in. wyróżnić oddziaływania wodorowe – między zasadami azotowymi – czy oddziaływania stakingoweoddziaływanie stakingoweoddziaływania stakingowe między sąsiednimi nukleotydaminukleotydnukleotydami DNA, które dodatkowo stabilizują strukturę.

R18A3BdzB2Hh21

Ilustracja przedstawia nić DNA. Jest zbudowane z dwóch łańcuchów, biegnących antyrównolegle w stosunku do siebie. Łańcuchy skręcają się wokół wspólnej osi, tworząc podwójną, dwuniciową helisę. Pomiędzy nićmi znajdują się zasady azotowe. Są skierowane do wnętrza helisy i ustawione pod kątem prostym w stosunku do jej osi. Zasady położone naprzeciwko siebie tworzą pary komplementarne – adenina łączy się z tyminą dwoma wiązaniami, guanina łączy się z cytozyną trzema wiązaniami. Tymina i cytozyna to zasady pirymidynowe. Adenina i guanina – zasady purynowe. Zasady azotowe są zbudowane z następujących atomów: wodoru, tlenu, azotu, węgla i fosforu. — Helisa DNA jest zbudowana z dwóch nici DNA. Na rysunku zostały ukazane elementy, które są częścią budowy DNA.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. (na podstawie wikipedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Inne przykłady

Innymi przykładami substancji, które tworzą kryształy molekularne, są gazy szlachetnegazy szlachetnegazy szlachetne: $Ne$ (neon), $Ar$ (argon), cząsteczki dwuatomowe, takie jak $H_{2}$ (wodór), $CO$ (tlenek węgla( $II$ )), $N_{2}$ (azot). Jednak najliczniejszą grupą związków, tworzącą kryształy molekularne, są związki organiczne.

RCqyiGxDPr0pH1

Mapa myśli. Lista elementów: Nazwa kategorii: Kryształy molekularneElementy należące do kategorii Kryształy molekularneNazwa kategorii: Gazy szlachetne - czątki jednoatomoweElementy należące do kategorii Gazy szlachetne - czątki jednoatomoweNazwa kategorii: neonNazwa kategorii: argonNazwa kategorii: kryptonNazwa kategorii: ksenonElementy należące do kategorii ksenonNazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: siły van der WaalsaKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii ksenonKoniec elementów należących do kategorii Gazy szlachetne - czątki jednoatomoweNazwa kategorii: Cząstki wieloatomowe - nieorganiczneElementy należące do kategorii Cząstki wieloatomowe - nieorganiczneNazwa kategorii: tlenek węgla(II)Nazwa kategorii: tlenek azotu(I)Nazwa kategorii: tlenNazwa kategorii: azotElementy należące do kategorii azotNazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: siły van der WaalsaKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii azotNazwa kategorii: tlenek wodoruElementy należące do kategorii tlenek wodoruNazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: wiązania wodoroweKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii tlenek wodoruKoniec elementów należących do kategorii Cząstki wieloatomowe - nieorganiczneNazwa kategorii: Związki organiczneElementy należące do kategorii Związki organiczneNazwa kategorii: benzenElementy należące do kategorii benzenNazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: stakingKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii benzenNazwa kategorii: acetonElementy należące do kategorii acetonNazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: oddziaływania dipoloweKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii acetonNazwa kategorii: DNAElementy należące do kategorii DNANazwa kategorii: siły stabilizujące w krysztaleElementy należące do kategorii siły stabilizujące w krysztaleNazwa kategorii: wiązania wodorowe, stakingKoniec elementów należących do kategorii siły stabilizujące w krysztaleKoniec elementów należących do kategorii DNAKoniec elementów należących do kategorii Związki organiczneKoniec elementów należących do kategorii Kryształy molekularne

Mapa pojęć pt. „Kryształy molekularne”.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Z racji tego, że kryształy molekularne są zbudowane z odrębnych cząsteczek, struktury krystaliczne związków stabilizowane są przez słabsze oddziaływania międzycząsteczkowe. Kryształy molekularne charakteryzuje niska temperatura topnienia. Są to kryształy kruche, które nie przewodzą prądu elektrycznego.

Słownik

siły Van der Waalsa

słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, związane z kwantową naturą powłok elektronowych, elektrycznie obojętnych atomów lub cząsteczek oraz z ruchem elektronów w cząsteczce

wiązania wodorowe

rodzaj oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy atomem wodoru a atomem pierwiastka elektroujemnego o wolnych parach elektronowych; to oddziaływanie może być międzycząsteczkowe lub wewnątrzcząsteczkowe

DNA

kwas deoksyrybonukleinowy; wielkocząsteczkowy biopolimer obecny we wszystkich komórkach organizmów, w których jest nośnikiem informacji genetycznej

oddziaływanie dipolowe

(gr. di- „dwa razy”, gr. pólos „biegun”) ten typ oddziaływania występuje między dwoma cząsteczkami, które w jednym fragmencie cząsteczki posiadają nadmiar elektronów, dlatego występuje na nich częściowy ładunek ujemny, a w drugim fragmencie występuje deficyt elektronów, co prowadzi do powstania w tym miejscu częściowego ładunku dodatniego

gazy szlachetne

helowce; pierwiastki chemiczne, które tworzą $18$ grupę układu okresowego: hel ( $He$ ), neon ( $Ne$ ), argon ( $Ar$ ), krypton ( $Kr$ ), ksenon ( $Xe$ ) i radon ( $Rn$ )

komórka elementarna

równoległościan, który stanowi podstawowy, powtarzający się okresowo w przestrzeni element sieci przestrzennej; kształt i rozmiary komórki elementarnej określają stałe sieciowe: długości krawędzi: $a$ , $b$ , $c$ , i kąty: $α$ , $β$ , $γ$ między nimi

tetraedr

(gr. tetrakys „czterokrotnie”) czworościan foremny

RR0Vdd9IQTxHh

Ilustracja przedstawia czworościan foremny. Trójkąty tworzą jego ściany. — Źródło: Kjell André, dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

oddziaływanie stakingowe

oddziaływanie $π - π$ , słabe oddziaływanie chmury elektronowej między pierścieniami aromatycznymi

aromatyczność

(łac. arōma, -ătis „przyprawa”) związki wykazują aromatyczność, kiedy są płaskie – powstają w wyniku sprzężenia się wiązań podwójnych; najprostszym związkiem organicznym jest benzen

nukleotyd

estry nukleozydów i kwasu ortofosforowego(V); w nukleozydach reszta hydroksylowa ( $— OH$ ) części cukrowej jest połączona z cząsteczką kwasu ortofosforowego( $V$ ) wiązaniem estrowym; stanowią składniki kwasów nukleinowych (DNA i RNA), niezbędne są też w metabolizmie i przekazywaniu sygnałów w komórce

Bibliografia

Bernal J. D., Fowler R. H., A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions, „The Journal of Chemical Physics” 1933, 1, p. 515.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Borchardt‑Ott W., Crystallography an intoduction, Third Edition, $Ne$ w York 2011.

Encyklopedia PWN

Rettig S. J., Trotter J., Refinement of the structure of orthorhombic sulfur, alfa‑S8, „Acta Crystallographica” 1987, pp. 2260‑2262.

Simon A., Borrmann H., Craubner H., Phosphorus and Sulfur and the Related Elements, Crystal structure of ordered white phosphorus (beta‑P)1987, 30, p. 507‑510.

Wyckoff R. W., Crystal G., Structures 1, Second Edition, New York 1963, 1, p. 7‑83.

Van Meerssche M., Feneau‑Dupont J., Krystalografia i chemia strukturalna Warszawa 1984.

Wprowadzenie

Animacja 3D