Proč má grafit vysokou teplotu tání, i když jsou jeho mezimolekulární síly slabé?

Grafit má strukturu podobnou skládaným knihám na sebe. Více vrstev na sebe a každá vrstva prochází názvem grafen. Atomy v každé jednotlivé vrstvě jsou kovalentně vázány, což je docela silné. Pamatujte, že kovalentní vazba je ta, která drží pohromadě diamant, který je jednou z nejtvrdších látek. Atomy v jednotlivých vrstvách grafitu jsou silně drženy, přičemž jsou uspokojeny pouze tři ze čtyř potenciálních vazebných míst. Čtvrtý elektron může volně migrovat v rovině, což činí grafit elektricky vodivým. Různé vrstvy jsou však drženy pohromadě slabými van der Waalovými silami, což jim umožňuje klouzat po sobě, což z grafitu dělá dobré mazivo. Tavení nyní v podstatě mění vysoce uspořádaný stav molekul na neuspořádaný. To je na úkor energie. V tomto případě, protože základní molekuly grafitu jsou drženy pohromadě silnou kovalentní silou, je zapotřebí velké množství energie k oslabení této vazby. To vysvětluje vysokou teplotu tání grafitu.

Komentáře

• Mnohokrát děkuji. Možná mě můj učitel špatně naučil, ale ‚ Tavení zahrnuje rozbití mezimolekulárních sil? Četl jsem, že když něco takového jako voda vře, mezimolekulární síly se rozpadnou a kovalentní vazby ne. Je to správné?
• Tato odpověď začíná dobře, ale ‚ se obávám, že dospěje ke správnému závěru nesprávným argumentem. Kovalentní vazby v každém listu nejsou ve skutečnosti relevantní pro bod tání. Pokud kovalentní vazby se rozbily nebo změnily, sloučenina by se ‚ neroztavila, rozložila by se.
• @NicolauSakerNeto, ale grafit je již v elementární formě. Na co by se rozložil ?
• @ChristopherU ‚ Ren Ano. Tání zahrnuje rozbíjení mezimolekulárních sil. Víme, že molekuly vody v ledu jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami, což je th V tomto případě mezimolekulární síla. V grafitu jsou však molekuly samotné atomy uhlíku. Tyto “ molekuly “ jsou drženy pohromadě kovalentními vazbami, které zde hrají roli mezimolekulární vazby. Tavení / sublimace grafitu zahrnuje rozbití těchto vazeb.
• @Gimelist Po nějaké reflexi si uvědomuji, že tání kovalentních pevných látek v síti musí zahrnovat rozbití kovalentních vazeb. To je v ostrém kontrastu s molekulárními materiály, kde rozbití kovalentních vazeb je nutně nějaká chemická transformace. V určitém smyslu je tavení kovalentní pevné látky v síti druh rozkladu, kromě toho, že se původní struktura obnoví během zmrazení.

Není obvyklé považovat grafit za materiál složený z „molekul“ v typickém smyslu, i když by se na něj dalo pohlížet jako na druh polymeru s dvourozměrným makromolekuly. Bez ohledu na to je plodné analyzovat jednotlivé listy v grafitu jako hranici stále větších polycyklických aromatických uhlovodíků (PAHs) . Sekvence zní: benzen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → koronen („superbenzen“, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Hlavní druh mezimolekulární interakce relevantní pro tuto sekvenci sloučenin je pi-stacking . malé děti Příklad v sekvenci, benzen, ukazuje, že síla této mezimolekulární interakce je pouze o $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . To představuje jen skromnou přitažlivost; vodíková vazba může být snadno dvakrát tak silná , i když zahrnuje méně atomů.V tomto smyslu, je-li „normalizováno“ počtem zúčastněných atomů, skládání pí je ve skutečnosti relativně slabá mezimolekulární interakce.

Dále $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ je srovnatelná s průměrnou tepelnou energií částic za podmínek okolí ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), takže oddělování molekul benzenu nevyžaduje příliš mnoho úsilí. Benzen taje při $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ a vaří při $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ pod jednou atmosférou.

Další sloučenina v pořadí, coronen, se však již taví při $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ a vaří na $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Větší PAH by téměř jistě měly ještě vyšší hodnoty, nakonec by dosáhly hranice grafitu, který se taví kolem $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ pod tlakem. Typ mezimolekulární interakce se nezměnil, tak proč jsou tyto molekuly najednou tak obtížné oddělit? Odpověď vychází z uvědomění si, že i když jednotlivé části každé molekuly interagují slabě, součet mnoha slabých mezimolekulárních interakcí přes celá molekula vede k velmi silné mezimolekulární interakci .

V hrubém smyslu si představte, že každý jednotlivý aromatický kruh přispívá $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ v hodnotě mezimolekulární přitažlivosti. Koronen obsahuje 7 kondenzovaných aromatických kruhů, což by vedlo k celkové interakci $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ mezi dvěma molekulami. Jak se molekuly zvětšují, tato hodnota se stále zvyšuje a dále. Nakonec se celková mezimolekulární interakce mezi dvěma velmi velkými molekulami PAH stane enormní . Pro zkapalnění látky je nutné pouze „zlomit“ zlomek těchto mezimolekulárních interakcí (rozbitím všech se materiál změní na plyn), ale i malá část nakonec představuje obrovské množství energie, takže k tavení dochází pouze při velmi vysokých teplotách.

Je zajímavé si povšimnout, jak chemici často dělají tu chybu, že zanedbávají slabé interakce na velké vzdálenosti (např van der Waals), zejména v přítomnosti silnějších. Například van der Waalsovy interakce jsou zásadní pro stabilitu alkylem substituovaných derivátů hexafenylethanu . U bílkovin jsou slabé interakce často přehlíženy ve prospěch vodíkových vazeb ( $ \ alpha $ -helices a $ \ beta $ -sheets), ačkoli mohou být rozhodující při určování správné konformace enzymu nebo při interakci proteinu s léčivými sloučeninami.

ako poslední tečnu chci jen poukázat na to, že v chemii na vysokoškolské úrovni se často vyskytují výroky jako „body varu kovalentních sloučenin se zvyšují s jejich molekulovou hmotností. Nyní by mělo být zřejmé, že to není úplně pravda. Pouze se stává, že sloučeniny s vyšší molekulovou hmotností mají tendenci být větší a umožňují větší množství intermolekulárních interakcí na molekulu, což vede k vyšším bodům varu.