Hvorfor er nitrogen en fast gas og fosfor ved stuetemperatur?

Den primære faktor, der bestemmer, om et grundstof eksisterer som en gas, væske eller fast stof ved stuetemperatur, er dets intermolekylære kræfter. Intermolekylære kræfter er de tiltrækkende eller frastødende kræfter, der virker mellem molekyler eller atomer. Styrken og typen af ​​disse kræfter påvirker et elements fysiske tilstand.

I tilfælde af nitrogen og fosfor kan forskellen i deres fysiske tilstande ved stuetemperatur tilskrives de forskellige styrker af deres intermolekylære kræfter.

Nitrogen:

Nitrogen eksisterer som en gas ved stuetemperatur på grund af dets svage intermolekylære kræfter. Nitrogenmolekyler er sammensat af to nitrogenatomer, der er kovalent bundet sammen. Disse molekyler er upolære, hvilket betyder, at de ikke har en væsentlig elektrisk ladningsubalance. Som et resultat er de intermolekylære kræfter mellem nitrogenmolekyler svage van der Waals-kræfter, som inkluderer London-spredningskræfter. Disse kræfter er relativt svage og overvindes let ved stuetemperatur, hvilket tillader nitrogenmolekyler at bevæge sig frit forbi hinanden og forblive i en gasformig tilstand.

Fosfor:

Fosfor eksisterer på den anden side som et fast stof ved stuetemperatur på grund af dets stærkere intermolekylære kræfter. Fosforatomer kan danne kovalente bindinger med hinanden for at skabe forskellige allotroper, herunder hvidt fosfor og rødt fosfor. Disse allotroper har forskellige strukturer og egenskaber, men de udviser alle stærkere intermolekylære kræfter sammenlignet med nitrogen.

I tilfælde af hvidt fosfor består molekylerne af fire fosforatomer arrangeret i en tetraedrisk form. Den tetraedriske struktur skaber polaritet i molekylet, hvilket resulterer i dipol-dipol-interaktioner. Dipol-dipol-kræfter er stærkere end van der Waals-kræfter, hvilket kræver mere energi at overvinde. Derudover udviser hvidt fosfor også en vis grad af hydrogenbinding, hvilket yderligere styrker de intermolekylære kræfter i det faste stof.

Rødt fosfor, en anden allotrop af fosfor, har en polymerstruktur med rynkede ringe af fosforatomer. De kovalente bindinger i disse ringe skaber en stiv og stabil struktur, hvilket fører til endnu stærkere intermolekylære kræfter. Den øgede styrke af disse kræfter kræver en højere temperatur for at overvinde dem, hvorfor rødt fosfor forbliver fast ved stuetemperatur.

Sammenfattende resulterer forskellen i intermolekylære kræfter mellem nitrogen og fosfor i deres forskellige fysiske tilstande ved stuetemperatur. Nitrogens svage van der Waals-kræfter tillader det at forblive i en gasform, mens fosfors stærkere dipol-dipol-interaktioner og hydrogenbinding i hvidt fosfor og den polymere struktur i rødt fosfor får det til at eksistere som et fast stof.