Pourquoi le graphite a-t-il un point de fusion élevé même si ses forces intermoléculaires sont faibles?

Le graphite a une structure similaire à celle des livres empilés lun sur lautre. Plusieurs couches les unes sur les autres et chaque couche portant le nom de graphène. Les atomes de chaque couche individuelle sont liés de manière covalente, ce qui est assez fort. Noubliez pas que la liaison covalente est celle qui maintient le diamant ensemble, qui est lune des substances les plus dures. Les atomes dans les couches individuelles de graphite sont fortement retenus avec seulement trois des quatre sites de liaison potentiels satisfaits. Le quatrième électron est libre de migrer dans le plan, ce qui rend le graphite électriquement conducteur. Cependant, les différentes couches sont maintenues ensemble par de faibles forces de van der Waal, ce qui leur permet de glisser les unes sur les autres, faisant du graphite un bon lubrifiant. Maintenant, la fusion transforme essentiellement un état hautement ordonné de molécules en un état désordonné. Cela se fait au détriment de lénergie. Dans ce cas, comme les molécules constitutives du graphite sont maintenues ensemble par une forte force covalente, une grande quantité dénergie est nécessaire pour affaiblir cette liaison. Cela explique le point de fusion élevé du graphite.

Commentaires

• Merci beaucoup. Peut-être que mon professeur ma appris le contraire, mais ne ‘ La fusion implique la décomposition des forces intermoléculaires? Jai lu que lorsque quelque chose de simple comme leau bout, les forces intermoléculaires se décomposent et les liaisons covalentes ne le font pas. Est-ce correct?
• Cette réponse commence bien, mais jai ‘ peur quelle parvienne à la bonne conclusion par un argument incorrect. Les liaisons covalentes dans chaque feuille ne sont pas vraiment pertinentes pour le point de fusion. Si le les liaisons covalentes se sont brisées ou modifiées, le composé ne ‘ t fondre, il se décomposerait.
• @NicolauSakerNeto mais le graphite est déjà sous forme élémentaire. En quoi se décomposerait-il ?
• @ChristopherU ‘ Ren Oui. La fusion implique la rupture des forces intermoléculaires. Nous savons que les molécules deau dans la glace sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène, ce qui e force intermoléculaire dans ce cas. Cependant, dans le graphite, les molécules sont elles-mêmes des atomes de carbone. Ces  » molécules  » sont maintenues ensemble par des liaisons covalentes, qui jouent ici le rôle de liaison intermoléculaire. La fusion / sublimation du graphite implique la rupture de ces liaisons.
• @Gimelist Après réflexion, je me rends compte que la fusion des solides du réseau covalent doit entraîner la rupture des liaisons covalentes. Ceci est en contraste frappant avec les matériaux moléculaires, où la rupture des liaisons covalentes est nécessairement une transformation chimique. Dans un certain sens, la fusion dun solide de réseau covalent est une sorte de décomposition, sauf que la structure dorigine est récupérée lors de la congélation.

Il nest pas habituel de considérer le graphite comme un matériau composé de « molécules » au sens typique, bien quil puisse être considéré comme une sorte de polymère à deux dimensions Quoi quil en soit, il est utile danalyser les feuilles individuelles de graphite comme étant la limite des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) de plus en plus grands. La séquence est la suivante: benzène ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene (« superbenzene », $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Le principal type dinteraction intermoléculaire pertinent pour cette séquence de composés est pi-stacking . Pour le smalles t exemple dans la séquence, benzène, il semble que la force de cette interaction intermoléculaire ne soit que de $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Cela ne représente quune attraction modeste; une liaison hydrogène peut être facilement deux fois plus forte même si elle implique moins datomes.En ce sens, lorsquil est « normalisé » par le nombre datomes participant, lempilement pi est en effet une interaction intermoléculaire relativement faible.

De plus, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ est comparable à lénergie thermique moyenne des particules dans des conditions ambiantes ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), il ne faut donc pas trop d’efforts pour séparer les molécules de benzène. En effet, le benzène fond à $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ et bout à $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ sous une atmosphère.

Cependant, le composé suivant de la séquence, le coronène, fond déjà à $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ et bout à $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Les HAP plus grands auraient presque certainement des valeurs encore plus grandes, atteignant finalement la limite du graphite, qui fond autour $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ sous pression. Le type dinteraction intermoléculaire na pas changé, alors pourquoi ces molécules sont-elles soudainement si difficiles à séparer? La réponse vient du fait que, bien que des sections individuelles de chaque molécule interagissent faiblement, la somme de nombreuses interactions intermoléculaires faibles sur un la molécule entière conduit à une très forte interaction intermoléculaire globale .

En gros, imaginez que chaque anneau aromatique individuel contribue $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ dattraction intermoléculaire. Le coronène contient 7 anneaux aromatiques fusionnés, ce qui conduirait à une interaction totale de $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ entre deux molécules. Au fur et à mesure que les molécules grossissent, cette valeur augmente de plus en plus. Finalement, linteraction intermoléculaire totale entre deux très grosses molécules de HAP devient énorme . Pour que la substance se liquéfie, il suffit de «casser» une fraction de ces interactions intermoléculaires (les casser tous, cest transformer le matériau en gaz), mais même une petite fraction représente finalement une énorme quantité dénergie, donc la fusion ne se produit quà des températures très élevées.

Il est intéressant de noter comment les chimistes font souvent lerreur de négliger les interactions faibles à longue distance (par ex. van der Waals), surtout en présence de plus forts. Par exemple, les interactions de van der Waals sont fondamentales pour la stabilité des dérivés dhexaphényléthane à substitution alkyle . Dans les protéines, les interactions faibles sont souvent négligées en faveur des liaisons hydrogène ( $ \ alpha $ -helices et $ \ beta $ -sheets), bien quils puissent être décisifs pour déterminer la conformation correcte dune enzyme ou comment une protéine interagit avec des composés médicinaux.

En guise de dernière petite tangente, je tiens simplement à souligner quen chimie de premier cycle, on trouve souvent des affirmations telles que « les points débullition des composés covalents augmentent avec leur poids moléculaire. Maintenant, il devrait être évident que ce nest pas strictement vrai. Il arrive simplement que les composés avec des poids moléculaires plus élevés aient tendance à être plus gros et permettent une plus grande quantité dinteractions intermoléculaires par molécule, conduisant ainsi à des points débullition plus élevés.