Miért magas a grafit olvadáspontja, annak ellenére, hogy molekulák közötti erői gyengék?

A grafit szerkezete hasonló a halmozott könyvekhez egymásra. Több réteg egymásra, és minden réteg a grafén néven halad. Az egyes rétegek atomjai kovalensen kötődnek, ami elég erős. Ne feledje, hogy a kovalens kötés tartja össze a gyémántot, amely az egyik legnehezebb anyag. Az egyes grafitrétegekben lévő atomok erősen meg vannak tartva, és a négy potenciális kötési hely közül csak három elégedett. A negyedik elektron szabadon vándorolhat a síkban, így a grafit elektromosan vezetővé válik. A különböző rétegeket azonban gyenge van der Waal-erők tartják össze, ami lehetővé teszi számukra, hogy egymásra csúszjanak, így a grafit jó kenőanyag. Az olvadás lényegében a rendezett molekulák állapotát rendezetlenné teszi. Ez az energia rovására megy. Ebben az esetben, mivel a grafit alkotó molekuláit erős kovalens erő tartja össze, nagy mennyiségű energiára van szükség a kötés gyengítéséhez. Ez megmagyarázza a grafit magas olvadáspontját.

Megjegyzések

• Nagyon köszönöm. Lehet, hogy a tanárom rosszul tanított, de nem ‘ olvadás az intermolekuláris erők lebontásával jár? Olvastam, hogy amikor valami egyszerű dolog, mint a víz forr, az intermolekuláris erők lebomlanak, a kovalens kötések pedig nem. Ez helyes?
• Ez a válasz jól indul, de félek, hogy ‘ attól tartok, hogy helytelen érveléssel jut el a helyes következtetéshez. Az egyes lapokon belüli kovalens kötések nem igazán relevánsak az olvadáspont szempontjából. Ha a a kovalens kötések megszakadtak vagy megváltoztak, a vegyület ‘ nem olvad meg, lebomlik.
• @NicolauSakerNeto, de a grafit már elemi formában van. ?
• @ChristopherU ‘ Ren Igen. Az olvadás az intermolekuláris erők megszakadásával jár. Tudjuk, hogy a jégben lévő vízmolekulákat hidrogénkötések tartják össze, ami e intermolekuláris erő ebben az esetben. A grafitban azonban a molekulák maguk is szénatomok. Ezeket az ” molekulákat ” kovalens kötések tartják össze, amelyek itt az intermolekuláris kötés szerepét töltik be. A grafit megolvadása / szublimálása magában foglalja ezeknek a kötéseknek a megszakítását.
• @Gimelist Némi elmélkedés után rájövök, hogy a kovalens hálózati szilárd anyagok olvadásának a kovalens kötések megszakadásával kell járnia. Ez szöges ellentétben áll a molekuláris anyagokkal, ahol a kovalens kötések megszakítása szükségszerűen kémiai átalakulás. Bizonyos értelemben a kovalens hálózati szilárd anyag megolvadása egyfajta bomlás, azzal a különbséggel, hogy az eredeti szerkezet fagyás közben helyreáll.

A grafitot nem szokás úgy tekinteni, mint a tipikus értelemben vett “molekulákból” álló anyagot, bár egyfajta kétdimenziós polimerként tekinthetünk rá. makromolekulák. Ettől függetlenül gyümölcsöző az egyes lapokat grafitban elemezni, mint az egyre nagyobb policiklusos aromás szénhidrogének (PAH) határát. A szekvencia a következő: benzol ( $ \ ce {C6H6} $ ) → koronén (“szuperbenzol”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

A vegyületek ezen szekvenciája szempontjából lényeges intermolekuláris interakció a pi-stacking . kicsik Egy példa a benzol sorrendben úgy tűnik, hogy ennek az intermolekuláris interakciónak az ereje csak kb. $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Ez csak szerény vonzerőt jelent; a hidrogénkötés könnyen kétszer olyan erős lehet , annak ellenére, hogy kevesebb atomot tartalmaz.Ebben az értelemben, amikor a részt vevő atomok száma “normalizálja”, a pi-stackelés valóban viszonylag gyenge intermolekuláris interakció.

Ezenkívül a $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ összehasonlítható a részecskék átlagos hőenergiájával környezeti körülmények között ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), ezért nem kell túl sok erőfeszítés a benzolmolekulák szétválasztására. Valóban, a benzol olvad a $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ és a $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ egy atmoszféra alatt.

A szekvencia következő vegyülete, a coronene azonban már olvad a $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ és forráspontja $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . A nagyobb PAH-k szinte biztosan nagyobb értékekkel bírnak, és végül elérik a grafit határát, amely megolvad $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ nyomás alatt. Az intermolekuláris interakció típusa nem változott, akkor miért hirtelen olyan nehezen szétválaszthatóak ezek a molekulák? A válasz abból adódik, hogy rájöttünk, hogy bár az egyes molekulák egyes szakaszai gyengén hatnak egymásra, egy gyenge intermolekuláris interakció összege egy a teljes molekula nagyon erős intermolekuláris interakcióhoz vezet .

Nyersen gondolva képzelje el, hogy minden egyes aromás gyűrű hozzájárul $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ értékű intermolekuláris vonzerő. A Coronene 7 egyesített aromás gyűrűt tartalmaz, ami $ \ mathrm {70 \ kJ \ teljes interakciójához vezetne. mol ^ {- 1}} $ két molekula között. Amint a molekulák nagyobbak lesznek, ez az érték egyre tovább növekszik. Végül a két nagyon nagy PAH molekula közötti teljes intermolekuláris interakció óriási vá válik. Az anyag cseppfolyósításához csak ezeknek az intermolekuláris interakcióknak a töredékét kell “megtörni”. (mindegyikük feltörésével az anyag gázzá válik), de még egy kis töredék is óriási energiát jelent, így az olvadás csak nagyon magas hőmérsékleten történik.

Érdekes megjegyezni, hogyan a vegyészek gyakran elkövetik azt a hibát, hogy elhanyagolják a gyenge távolsági interakciókat (pl van der Waals), különösen erősebbek jelenlétében. Például van der Waals kölcsönhatásai alapvetőek az alkil-szubsztituált hexafenil-etán-származékok stabilitása szempontjából . A fehérjékben a gyenge kölcsönhatásokat gyakran figyelmen kívül hagyják a hidrogénkötés mellett ( $ \ alpha $ -helices és $ \ beta $ -sheets), , bár meghatározóak lehetnek az enzim helyes konformációjának meghatározásában , vagy abban, hogy egy fehérje hogyan lép kölcsönhatásba a gyógyászati vegyületekkel.

Utolsó enyhe érintőként csak azt szeretném kiemelni, hogy az egyetemi szintű kémia esetében gyakran találni olyan állításokat, mint például: “a kovalens vegyületek forráspontja növekszik a molekulatömegükkel. Most nyilvánvalónak kell lennie, hogy ez nem szigorúan igaz. Csak előfordul, hogy a nagyobb molekulatömegű vegyületek általában nagyobbak, és molekulánként nagyobb mennyiségű intermolekuláris kölcsönhatást tesznek lehetővé, ami magasabb forráspontokhoz vezet.