Hvorfor har grafit et højt smeltepunkt, selvom dets intermolekylære kræfter er svage?

Grafit har en struktur svarende til bunker stablet oven på hinanden. Flere lag oven på hinanden, og hvert lag går under navnet grafen. Atomer i hvert enkelt lag er kovalent bundet, hvilket er ret stærkt. Husk, at kovalent binding er den, der holder diamant sammen, hvilket er et af de hårdeste stoffer. Atomer i de enkelte lag af grafit holdes stærkt, hvor kun tre af de fire potentielle bindingssteder er tilfredse. Den fjerde elektron er fri til at migrere i planet, hvilket gør grafit elektrisk ledende. Imidlertid holdes de forskellige lag sammen af svage van der Waal-kræfter, hvilket gør dem i stand til at glide oven på hinanden, hvilket gør grafit til et godt smøremiddel. Nu er smeltning i det væsentlige at omdanne en stærkt ordnet tilstand af molekyler til en uordnet tilstand. Det kommer på bekostning af energi. I dette tilfælde er det nødvendigt med en høj mængde energi for at svække denne binding, da grafits bestanddele holdes sammen af en stærk kovalent kraft. Det forklarer grafits “høje smeltepunkt.

Kommentarer

• Mange tak. Måske har min lærer lært mig forkert, men ‘ T-smeltning indebærer nedbrydning af intermolekylære kræfter? Jeg læste, at når noget simpelt som vand koger, bryder de intermolekylære kræfter ned, og de kovalente bindinger ikke. Er dette korrekt?
• Dette svar starter godt, men jeg ‘ er bange for, at det når den korrekte konklusion med et forkert argument. De kovalente bindinger i hvert ark er ikke rigtig relevante for smeltepunktet. kovalente bindinger brød eller ændrede, forbindelsen ville ‘ ikke smelte, den ville nedbrydes.
• @NicolauSakerNeto men grafit er allerede i elementær form. Hvad ville det nedbrydes til ?
• @ChristopherU ‘ Ren Ja. Smeltning indebærer nedbrydning af intermolekylære kræfter. Vi ved, at vandmolekyler i is holdes sammen af hydrogenbindinger, hvilket er den intermolekylære kraft i dette tilfælde. Men i grafit er molekylerne selve kulstofatomer. Disse ” molekyler ” holdes sammen af kovalente bindinger, som spiller rollen som intermolekylær binding herinde. Smeltning / sublimering af grafit involverer at bryde disse bindinger.
• @Gimelist Efter en vis overvejelse er jeg klar over, at smeltningen af kovalente netværksfaststoffer skal involvere brud på kovalente bindinger. Dette er i skarp kontrast til molekylære materialer, hvor det at bryde kovalente bindinger nødvendigvis er en kemisk transformation. På en eller anden måde er smeltningen af et kovalent netværksfast en slags nedbrydning, bortset fra at den oprindelige struktur genvindes under frysning.

Det er ikke almindeligt at betragte grafit som et materiale sammensat af “molekyler” i den typiske forstand, selvom det kunne betragtes som en slags polymer med todimensionalt makromolekyler. Uanset hvad er det frugtbart at analysere de enkelte ark i grafit som grænsen for stadig større polycykliske aromatiske kulbrinter (PAHer) . Sekvensen går: benzen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene (“superbenzen”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Den vigtigste form for intermolekylær interaktion, der er relevant for denne sekvens af forbindelser, er pi-stacking . smalles eksempel i sekvensen, benzen, ser det ud til, at styrken af denne intermolekylære interaktion kun handler om $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Dette repræsenterer kun en beskeden attraktion; en hydrogenbinding kan let være dobbelt så stærk , selvom den involverer færre atomer.I denne forstand, når “normaliseret” af antallet af atomer, der deltager, er pi-stacking faktisk en forholdsvis svag intermolekylær interaktion.

Desuden er $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ kan sammenlignes med den gennemsnitlige termiske energi af partikler under omgivende forhold ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), så det tager ikke for meget arbejde at trække benzenmolekyler fra hinanden. Faktisk benzen smelter ved $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ og koger ved $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ under en atmosfære.

Den næste forbindelse i sekvensen, coronen, smelter imidlertid allerede ved $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ og koger ved $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Større PAHer ville næsten helt sikkert have endnu større værdier og til sidst nåede grænsen for grafit, som smelter omkring $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ under pres. Typen af intermolekylær interaktion har ikke ændret sig, så hvorfor er disse molekyler pludselig så vanskelige at trække fra hinanden? Svaret kommer fra at indse, at selvom individuelle sektioner af hvert molekyle interagerer svagt, summen af mange svage intermolekylære interaktioner over en hele molekylet fører til en meget stærk intermolekylær interaktion generelt .

Helt talt forestil dig, at hver enkelt aromatisk ring bidrager med $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ af intermolekylær tiltrækningskraft. Coronene indeholder 7 smeltede aromatiske ringe, hvilket ville føre til en samlet interaktion mellem $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ mellem to molekyler. Efterhånden som molekylerne bliver større, stiger denne værdi længere og længere. Til sidst bliver den samlede intermolekylære interaktion mellem to meget store PAH-molekyler enorm . For at stoffet flydende, er det kun nødvendigt at “bryde” en brøkdel af disse intermolekylære interaktioner ons (at bryde dem alle sammen omdanner materialet til en gas), men selv en lille brøkdel repræsenterer til sidst en enorm mængde energi, så smeltning sker kun ved meget høje temperaturer.

Det er interessant at bemærke, hvordan kemikere begår ofte fejlen ved at forsømme svage interaktioner over lange afstande (f.eks van der Waals), især i nærværelse af stærkere. Van der Waals-interaktioner er for eksempel grundlæggende for stabiliteten af alkylsubstituerede hexaphenylethanderivater . I proteiner overses ofte svage interaktioner til fordel for hydrogenbinding ( $ \ alpha $ -helices og $ \ beta $ -ark), selvom de kan være afgørende for at bestemme den korrekte konformation af et enzym eller hvordan et protein interagerer med medicinske forbindelser.

Som en sidste lille tangent vil jeg bare påpege, at man i kemi på bachelor-niveau ofte finder udsagn som “kogepunkter for kovalente forbindelser stiger med deres molekylvægt. Nu skal det være tydeligt, at dette ikke er strengt sandt. Det sker kun, at forbindelser med højere molekylvægte har tendens til at være større og tillader en større mængde intermolekylære interaktioner pr. Molekyle, hvilket fører til højere kogepunkter.