Nach dem, was ich online gelesen habe, werden die intermolekularen Kräfte gebrochen, wenn eine Substanz einen Zustandswechsel erfährt. Die kovalenten Bindungen werden nicht gebrochen ( http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_ocr_pre_2011/chemicals/airmolecularrev2.shtml )
Mein Lehrbuch besagt, dass Graphitschichten leicht übereinander gleiten und abbrechen können einander, da sie schwache intermolekulare Kräfte haben.
Ich dachte, wenn ein Objekt schwache intermolekulare Kräfte hat, ist sein Schmelzpunkt niedriger. Warum hat Graphit einen so hohen Schmelzpunkt, wenn seine intermolekularen Kräfte schwach sind? / p>
In meinem Lehrbuch heißt es auch, dass die starken kovalenten Bindungen bei Zustandsänderungen aufgebrochen werden. Ist das nicht falsch?
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- Graphit besteht zunächst nicht aus Molekülen.
Antwort
Graphit hat eine ähnliche Struktur wie gestapelte Bücher übereinander. Mehrere Schichten übereinander und jede Schicht trägt den Namen Graphen. Atome in jeder einzelnen Schicht sind kovalent gebunden, was ziemlich stark ist. Denken Sie daran, dass die kovalente Bindung diejenige ist, die Diamant zusammenhält, eine der härtesten Substanzen. Atome in den einzelnen Graphitschichten werden stark gehalten, wobei nur drei der vier möglichen Bindungsstellen erfüllt sind. Das vierte Elektron kann frei in der Ebene wandern, wodurch Graphit elektrisch leitend wird. Die verschiedenen Schichten werden jedoch durch schwache Van-der-Waal-Kräfte zusammengehalten, wodurch sie übereinander gleiten können, was Graphit zu einem guten Schmiermittel macht. 
Jetzt verwandelt das Schmelzen im Wesentlichen einen hochgeordneten Zustand von Molekülen in einen ungeordneten. Das geht zu Lasten der Energie. In diesem Fall wird, da die Bestandteile des Graphits durch eine starke kovalente Kraft zusammengehalten werden, eine hohe Energiemenge benötigt, um diese Bindung zu schwächen. Das erklärt den hohen Schmelzpunkt von Graphit.
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- Vielen Dank. Vielleicht hat mein Lehrer mich falsch unterrichtet, aber nicht ‚ Schmelzen nicht zum Abbau intermolekularer Kräfte? Ich habe gelesen, dass wenn etwas Einfaches wie Wasser kocht, die intermolekularen Kräfte zusammenbrechen und die kovalenten Bindungen nicht. Ist das richtig?
- Diese Antwort fängt gut an, aber ich ‚ befürchte, dass sie durch ein falsches Argument zu der richtigen Schlussfolgerung gelangt. Die kovalenten Bindungen in jedem Blatt sind für den Schmelzpunkt nicht wirklich relevant kovalente Bindungen brachen oder veränderten sich, die Verbindung würde nicht ‚ schmelzen, sie würde sich zersetzen.
- @NicolauSakerNeto, aber Graphit liegt bereits in elementarer Form vor. Zu was würde sie sich zersetzen ?
- @ChristopherU ‚ Ren Ja. Beim Schmelzen werden intermolekulare Kräfte gebrochen. Wir wissen, dass Wassermoleküle im Eis durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden Die intermolekulare Kraft in diesem Fall. In Graphit sind die Moleküle jedoch selbst Kohlenstoffatome. Diese “ Moleküle “ werden durch kovalente Bindungen zusammengehalten, die hier die Rolle der intermolekularen Bindung spielen. Das Schmelzen / Sublimieren von Graphit beinhaltet das Aufbrechen dieser Bindungen.
- @Gimelist Nach einigen Überlegungen wird mir klar, dass das Schmelzen kovalenter Netzwerkfeststoffe das Aufbrechen kovalenter Bindungen beinhalten muss. Dies steht in starkem Gegensatz zu molekularen Materialien, bei denen das Aufbrechen kovalenter Bindungen notwendigerweise eine chemische Umwandlung ist. In gewissem Sinne ist das Schmelzen eines kovalenten Netzwerkfeststoffs eine Art Zersetzung, mit der Ausnahme, dass die ursprüngliche Struktur während des Einfrierens wiederhergestellt wird.
Antwort
Es ist nicht üblich, Graphit als ein Material zu betrachten, das im typischen Sinne aus „Molekülen“ besteht, obwohl es als eine Art zweidimensionales Polymer angesehen werden könnte Makromoleküle. Unabhängig davon ist es fruchtbar, die einzelnen Blätter in Graphit als Grenze für immer größere
polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) zu analysieren. Die Sequenz lautet: Benzol ( $ \ ce {C6H6} $ ) → Coronen („Superbenzol“, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …
Die Hauptart der intermolekularen Wechselwirkung, die für diese Sequenz von Verbindungen relevant ist, ist pi-Stacking kleine Als Beispiel in der Sequenz Benzol scheint die Stärke dieser intermolekularen Wechselwirkung nur etwa $ \ mathrm {10 \ kJ \ zu sein mol ^ {- 1}} $ . Dies ist nur eine bescheidene Attraktion. Eine Wasserstoffbrücke kann leicht doppelt so stark sein , obwohl sie weniger Atome umfasst.In diesem Sinne ist das Pi-Stapeln, wenn es durch die Anzahl der beteiligten Atome „normalisiert“ wird, tatsächlich eine vergleichsweise schwache intermolekulare Wechselwirkung.
Außerdem ist $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ist vergleichbar mit der durchschnittlichen Wärmeenergie von Partikeln unter Umgebungsbedingungen ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), so dass es nicht zu aufwendig ist, Benzolmoleküle auseinander zu ziehen. In der Tat Benzol schmilzt bei $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ und kocht bei $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ unter einer Atmosphäre.
Die nächste Verbindung in der Sequenz, Coronen, schmilzt jedoch bereits bei $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ und kocht bei $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Größere PAK würden mit ziemlicher Sicherheit noch größere Werte haben und schließlich die Grenze des Graphits erreichen, der herumschmilzt $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ unter Druck. Die Art der intermolekularen Wechselwirkung hat sich nicht geändert. Warum sind diese Moleküle plötzlich so schwer auseinander zu ziehen? Die Antwort ergibt sich aus der Erkenntnis, dass, obwohl einzelne Abschnitte jedes Moleküls schwach interagieren, die Summe vieler schwacher intermolekularer Wechselwirkungen über eine Das gesamte Molekül führt insgesamt zu einer sehr starken intermolekularen Wechselwirkung .
Stellen Sie sich grob gesagt vor, dass jeder einzelne aromatische Ring $ \ mathrm {10 \ kJ \ beiträgt intermolekulare Anziehung im Wert von mol ^ {- 1}} $ . Coronen enthält 7 kondensierte aromatische Ringe, die zu einer vollständigen Wechselwirkung von $ \ mathrm {70 \ kJ \ führen würden mol ^ {- 1}} $ zwischen zwei Molekülen. Wenn die Moleküle größer werden, steigt dieser Wert immer weiter an. Schließlich wird die gesamte intermolekulare Wechselwirkung zwischen zwei sehr großen PAK-Molekülen enorm . Damit sich die Substanz verflüssigt, muss nur ein Bruchteil dieser intermolekularen Wechselwirkungen „gebrochen“ werden ons (alle zu brechen bedeutet, das Material in ein Gas umzuwandeln), aber selbst ein kleiner Teil stellt schließlich eine große Energiemenge dar, sodass das Schmelzen nur bei sehr hohen Temperaturen stattfindet.
Es ist interessant festzustellen, wie Oft machen Chemiker den Fehler, schwache Fernwechselwirkungen zu vernachlässigen (z van der Waals), insbesondere in Gegenwart stärkerer. Beispielsweise sind Van-der-Waals-Wechselwirkungen grundlegend für die Stabilität von alkylsubstituierten Hexaphenylethanderivaten . In Proteinen werden schwache Wechselwirkungen häufig zugunsten der Wasserstoffbindung übersehen ( $ \ alpha $ -Helices und $ \ beta $ -sheets), , obwohl sie für die Bestimmung der korrekten Konformation eines Enzyms oder der Wechselwirkung eines Proteins mit medizinischen Verbindungen entscheidend sein können.
Als letzte kleine Tangente möchte ich nur darauf hinweisen, dass man in der Chemie auf Bachelor-Niveau häufig Aussagen wie „Siedepunkte für kovalente Verbindungen nehmen mit ihrem Molekulargewicht zu. Nun sollte klar sein, dass dies nicht unbedingt der Fall ist. Es kommt lediglich vor, dass Verbindungen mit höheren Molekulargewichten tendenziell größer sind und eine größere Menge intermolekularer Wechselwirkungen pro Molekül zulassen, was zu höheren Siedepunkten führt.