Miksi grafiitin sulamispiste on korkea, vaikka sen molekyylien väliset voimat ovat heikot?

Grafiitin rakenne on samanlainen kuin pinotuilla kirjoilla. päällekkäin. Useita kerroksia päällekkäin ja jokainen kerros kulkee nimellä grafeeni. Jokaisen kerroksen atomit ovat sitoutuneet kovalenttisesti, mikä on melko voimakasta. Muista, että kovalenttinen sidos pitää timantin yhdessä, mikä on yksi vaikeimmista aineista. Grafiitin yksittäisten kerrosten atomeja pidetään voimakkaasti ja vain kolme neljästä mahdollisesta sitoutumiskohdasta on tyytyväinen. Neljäs elektroni voi liikkua vapaasti tasossa, mikä tekee grafiitista sähköä johtavan. Eri kerroksia pidetään kuitenkin yhdessä heikoilla van der Waalin voimilla, mikä antaa heille mahdollisuuden liukua päällekkäin, mikä tekee grafiitista hyvän voiteluaineen. Nyt sulaminen muuttaa olennaisesti hyvin järjestetyn molekyylitilan häiriöttömäksi. Se tulee energian kustannuksella. Tässä tapauksessa, koska grafiitin muodostavia molekyylejä pidetään yhdessä voimakkaan kovalenttisen voiman avulla, tarvitaan suuri määrä energiaa tämän sidoksen heikentämiseksi. Tämä selittää grafiitin korkean sulamispisteen.

Kommentit

• Kiitos paljon. Ehkä opettajani on opettanut minulle väärin, mutta ei ’ t sulamiseen liittyy molekyylien välisten voimien hajoaminen? Luin, että kun jotain yksinkertaista, kuten vesi kiehuu, molekyylien väliset voimat hajoavat ja kovalenttiset sidokset eivät. Onko tämä oikein?
• Tämä vastaus alkaa hyvin, mutta pelkään ’ pelkään, että se pääsee oikeaan johtopäätökseen väärällä argumentilla. Kunkin arkin kovalenttisilla sidoksilla ei ole merkitystä sulamispisteen kannalta. Jos kovalenttiset sidokset rikkoutuivat tai muuttuivat, yhdiste ei ’ ei sula, se hajoaisi.
• @NicolauSakerNeto mutta grafiitti on jo alkuaineena. Mitä se hajoaisi ?
• @ChristopherU ’ Ren Kyllä. Sulattamiseen liittyy molekyylien välisten voimien rikkoutuminen. Tiedämme, että jään vesimolekyylejä pidetään yhdessä vetysidoksissa, mikä on Molekyylien välinen voima tässä tapauksessa. Grafiitissa molekyylit ovat kuitenkin itse hiiliatomeja. Näitä ” molekyylejä ” pidetään yhdessä kovalenttisilla sidoksilla, joilla on tässä molekyylien välisen sidoksen rooli. Grafiitin sulattamiseen / sublimoimiseen liittyy näiden sidosten rikkoutuminen.
• @Gimelist Pienen pohdinnan jälkeen ymmärrän, että kovalenttisen verkon kiinteiden aineiden sulattamiseen täytyy liittyä kovalenttisten sidosten rikkoutuminen. Tämä on jyrkässä ristiriidassa molekyylimateriaalien kanssa, joissa kovalenttisten sidosten rikkominen on välttämättä jonkinlainen kemiallinen muutos. Jossakin mielessä kovalenttisen kiinteän verkon sulaminen on eräänlainen hajoaminen, paitsi että alkuperäinen rakenne palautuu jäätymisen aikana.

Grafiittia ei ole tavallista pitää materiaalina, joka koostuu ”molekyyleistä” tyypillisessä mielessä, vaikka sitä voidaankin pitää eräänlaisena polymeerinä, jolla on kaksiulotteinen Makromolekyylit. Siitä huolimatta on hedelmällistä analysoida yksittäisiä arkkia grafiittina yhä suurempien polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen (PAH) rajana. Järjestys on seuraava: bentseeni ( $ \ ce {C6H6} $ ) → koroneeni (”superbenseeni”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Tämän yhdistesekvenssin kannalta olennainen molekyylienvälisen vuorovaikutuksen tyyppi on pi-pinonta . pienet Esimerkiksi sekvenssissä bentseeni näyttää siltä, että tämän molekyylien välisen vuorovaikutuksen vahvuus on vain noin $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Tämä on vain vaatimaton vetovoima; vetysidos voi olla helposti kaksinkertainen vahvempi , vaikka siihen liittyy vähemmän atomeja.Tässä mielessä, kun ”normalisoidaan” osallistuvien atomien lukumäärällä, pi-pinoaminen on todellakin verrattain heikkoa molekyylien välistä vuorovaikutusta.

Lisäksi $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ on verrattavissa hiukkasten keskimääräiseen lämpöenergiaan ympäristöolosuhteissa ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), joten se ei vie liikaa vaivaa bentseenimolekyylien erottamiseksi. Todellakin, bentseeni sulaa $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ ja kiehuu $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ yhden ilmakehän alla.

Sarjan seuraava yhdiste, koroneeni, kuitenkin sulaa jo kohdassa $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ ja kiehuu $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Suuremmilla PAH-yhdisteillä olisi melkein varmasti vieläkin suuremmat arvot, jotka lopulta saavuttavat grafiitin rajan, joka sulaa $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ paineen alla. Molekyylien välisen vuorovaikutuksen tyyppi ei ole muuttunut, joten miksi näitä molekyylejä on yhtäkkiä niin vaikea erottaa toisistaan? Vastaus saadaan ymmärtämällä, että vaikka kunkin molekyylin yksittäiset osiot ovat vuorovaikutuksessa heikosti, monien heikkojen molekyylien välisten vuorovaikutusten summa koko molekyyli johtaa erittäin vahvaan molekyylienväliseen vuorovaikutukseen .

Kuvitellessasi karkeasti kuvitellaan, että kukin yksittäinen aromaattinen rengas vaikuttaa $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ arvoinen molekyylien välinen vetovoima. Coronene sisältää 7 fuusioitunutta aromaattista rengasta, mikä johtaisi $ \ mathrm {70 \ kJ \: n yhteisvaikutukseen. mol ^ {- 1}} $ kahden molekyylin välillä. Kun molekyylit kasvavat, tämä arvo kasvaa entisestään. Lopulta kahden erittäin suuren PAH-molekyylin välinen molekyylien välinen vuorovaikutus muuttuu valtavaksi . Aineen nesteytyminen edellyttää vain murto-osaa näistä molekyylien välisistä interakteista (kaikkien rikkominen muuttaa materiaalin kaasuksi), mutta jopa pieni osa edustaa lopulta valtavaa määrää energiaa, joten sulaminen tapahtuu vain hyvin korkeissa lämpötiloissa.

On mielenkiintoista huomata, kuinka usein kemistit tekevät virheen laiminlyöessään heikot pitkän matkan vuorovaikutukset (esim van der Waals), erityisesti vahvempien läsnä ollessa. Esimerkiksi van der Waalsin vuorovaikutukset ovat perustavanlaatuisia alkyylisubstituoitujen heksafenyylietaanijohdannaisten stabiilisuudelle . Proteiineissa heikot vuorovaikutukset jätetään usein huomiotta vetysidoksen hyväksi ( $ \ alpha $ -helices ja $ \ beta $ -sivut), , vaikka ne voivat olla ratkaisevia määritettäessä entsyymin oikeaa konformaatiota tai kuinka proteiini on vuorovaikutuksessa lääkeyhdisteiden kanssa.

Viimeisenä pienenä tangenttina haluan vain huomauttaa, että perustutkintotason kemiasta löytyy usein lausuntoja, kuten ”kovalenttisten yhdisteiden kiehumispisteet kasvavat niiden molekyylipainon kanssa. Nyt pitäisi olla selvää, että tämä ei ole ehdottomasti totta. Sattuu vain, että yhdisteet, joilla on suurempi molekyylipaino, ovat yleensä suurempia ja mahdollistavat suuremman määrän molekyylien välisiä vuorovaikutuksia molekyyliä kohti, mikä johtaa korkeampiin kiehumispisteisiin.