Perché la grafite ha un punto di fusione elevato anche se le sue forze intermolecolari sono deboli?

La grafite ha una struttura simile ai libri impilati uno sopra laltro. Più strati uno sopra laltro e ogni strato con il nome grafene. Gli atomi in ogni singolo strato sono legati in modo covalente, il che è piuttosto forte. Ricorda che il legame covalente è quello che tiene insieme il diamante, che è una delle sostanze più dure. Gli atomi nei singoli strati di grafite sono fortemente trattenuti con solo tre dei quattro potenziali siti di legame soddisfatti. Il quarto elettrone è libero di migrare nel piano, rendendo la grafite elettricamente conduttiva. Tuttavia, i diversi strati sono tenuti insieme da deboli forze di van der Waal, che consente loro di scorrere luno sullaltro, rendendo la grafite un buon lubrificante. Ora la fusione sta essenzialmente trasformando uno stato di molecole altamente ordinato in uno stato disordinato. Ciò avviene a scapito dellenergia. In questo caso, poiché le molecole costituenti della grafite sono tenute insieme da una forte forza covalente, è necessaria unelevata quantità di energia per indebolire quel legame. Questo spiega lalto punto di fusione della grafite.

Commenti

• Grazie mille. Forse il mio insegnante mi ha insegnato che non va, ma ‘ Lo scioglimento implica la scomposizione di forze intermolecolari? Ho letto che quando qualcosa di semplice come lacqua bolle, le forze intermolecolari si rompono e i legami covalenti no. È corretto?
• Questa risposta inizia bene, ma ‘ temo che arrivi alla conclusione corretta con un argomento sbagliato. I legami covalenti allinterno di ciascun foglio non sono realmente rilevanti per il punto di fusione. Se il legami covalenti si rompono o cambiano, il composto non si ‘ t sciogliersi, si decomporrebbe.
• @NicolauSakerNeto ma la grafite è già in forma elementare. In cosa si decomporrebbe ?
• @ChristopherU ‘ Ren Sì. Lo scioglimento implica la rottura delle forze intermolecolari. Sappiamo che le molecole dacqua nel ghiaccio sono tenute insieme da legami idrogeno, che è th e forza intermolecolare in questo caso. Tuttavia, nella grafite, le molecole sono esse stesse atomi di carbonio. Queste ” molecole ” sono tenute insieme da legami covalenti, che qui svolgono il ruolo di legame intermolecolare. La fusione / sublimazione della grafite implica la rottura di questi legami.
• @Gimelist Dopo qualche riflessione, mi rendo conto che lo scioglimento dei solidi della rete covalente deve comportare la rottura dei legami covalenti. Ciò è in netto contrasto con i materiali molecolari, dove la rottura dei legami covalenti è necessariamente una trasformazione chimica. In un certo senso, lo scioglimento di un solido di rete covalente è una sorta di decomposizione, tranne per il fatto che la struttura originale viene recuperata durante il congelamento.

Non è usuale considerare la grafite come un materiale composto da “molecole” nel senso tipico del termine, anche se potrebbe essere visto come una specie di polimero con due dimensioni macromolecole. Indipendentemente da ciò, è utile analizzare i singoli fogli in grafite come il limite di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sempre più grandi. La sequenza è: benzene ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene (“superbenzene”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Il tipo principale di interazione intermolecolare rilevante per questa sequenza di composti è pi-stacking . Per il smalles l esempio nella sequenza, benzene, sembra che la forza di questa interazione intermolecolare sia solo di circa $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Questo rappresenta solo una modesta attrazione; un legame idrogeno può essere facilmente due volte più forte anche se coinvolge meno atomi.In questo senso, quando “normalizzato” dal numero di atomi che prendono parte, il pi-stacking è effettivamente uninterazione intermolecolare relativamente debole.

Inoltre, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ è paragonabile allenergia termica media delle particelle in condizioni ambientali ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2.5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), quindi non ci vuole troppo sforzo per separare le molecole di benzene. Infatti, il benzene si scioglie a $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ e bolle a $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ sotto unatmosfera.

Tuttavia, il prossimo composto nella sequenza, il coronene, si scioglie già a $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ e bolle a $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . I PAH più grandi avrebbero quasi certamente valori anche maggiori, raggiungendo alla fine il limite della grafite, che si scioglie intorno $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ sotto pressione. Il tipo di interazione intermolecolare non è cambiato, quindi perché queste molecole sono improvvisamente così difficili da separare? La risposta viene dal rendersi conto che, sebbene le singole sezioni di ciascuna molecola interagiscano debolmente, la somma di molte interazioni intermolecolari deboli su un lintera molecola porta a uninterazione intermolecolare molto forte nel complesso .

In parole povere, immagina che ogni singolo anello aromatico contribuisca a $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ di attrazione intermolecolare. Il coronene contiene 7 anelli aromatici fusi, che porterebbero a uninterazione totale di $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ tra due molecole. Man mano che le molecole diventano più grandi, questo valore aumenta sempre di più. Alla fine linterazione intermolecolare totale tra due molecole di PAH molto grandi diventa enorme . Affinché la sostanza si liquefa, è solo necessario “rompere” una frazione di questi interazioni intermolecolari ons (romperli tutti significa trasformare il materiale in un gas), ma anche una piccola frazione alla fine rappresenta unenorme quantità di energia, quindi la fusione avviene solo a temperature molto elevate.

È interessante notare come spesso i chimici commettono lerrore di trascurare deboli interazioni a lunga distanza (es van der Waals), soprattutto in presenza di più forti. Ad esempio, le interazioni di van der Waals sono fondamentali per la stabilità dei derivati di esafeniletano alchil sostituito . Nelle proteine, le interazioni deboli sono spesso trascurate a favore del legame a idrogeno ( $ \ alpha $ -helices e $ \ beta $ -sheets), sebbene possano essere decisivi per determinare la corretta conformazione di un enzima o il modo in cui una proteina interagisce con i composti medicinali.

Come ultima leggera tangente, voglio solo sottolineare che nella chimica di livello universitario, spesso si trovano affermazioni come “i punti di ebollizione per i composti covalenti aumentano con il loro peso molecolare. Ora dovrebbe essere evidente che questo non è strettamente vero. Succede semplicemente che i composti con pesi molecolari più elevati tendono ad essere più grandi e consentono una maggiore quantità di interazioni intermolecolari per molecola, portando così a punti di ebollizione più elevati.