분자간 힘이 약한데 흑연이 높은 융점을 갖는 이유는 무엇입니까?

흑연은 책을 쌓아 놓은 것과 유사한 구조를 가지고 있습니다. 서로 위에. 서로 위에 여러 레이어가 있고 각 레이어는 그래 핀이라는 이름으로 진행됩니다. 각 개별 층의 원자는 공유 결합되어 매우 강합니다. 공유 결합은 가장 단단한 물질 중 하나 인 다이아몬드를 하나로 묶는 것임을 기억하십시오. 흑연의 개별 층에있는 원자는 4 개의 잠재적 인 결합 부위 중 3 개만 충족 된 상태에서 강하게 유지됩니다. 네 번째 전자는 평면에서 자유롭게 이동하여 흑연을 전기 전도성으로 만듭니다. 그러나 서로 다른 층은 약한 van der Waal 힘에 의해 결합되어 서로 겹칠 수 있으므로 흑연이 좋은 윤활유가됩니다. 이제 용융은 본질적으로 고도로 정렬 된 분자 상태를 무질서한 상태로 바꾸는 것입니다. 그것은 에너지를 희생합니다. 이 경우 흑연의 구성 분자가 강한 공유 력에 의해 결합되기 때문에 그 결합을 약화시키기 위해 많은 양의 에너지가 필요합니다. 그래파이트의 높은 융점을 설명합니다.

댓글

• 감사합니다. 선생님이 잘못 가르쳐 주셨을 수도 있지만 ' 용해는 분자간 힘의 분해를 포함하지 않습니까? 물과 같은 단순한 것이 끓으면 분자간 힘이 분해되고 공유 결합은 분해되지 않는다고 읽었습니다. 이것이 맞습니까?
• 이 답변은 잘 시작되지만 ' 잘못된 주장으로 올바른 결론에 도달 할 수 있습니다. 각 시트의 공유 결합은 녹는 점과 실제로 관련이 없습니다. 공유 결합이 끊어 지거나 변경되면 화합물이 ' 녹지 않고 분해됩니다.
• @NicolauSakerNeto 그러나 흑연은 이미 원소 형태입니다. 무엇으로 분해됩니까? ?
• @ChristopherU ' Ren 예. 녹는 것은 분자간 힘의 파괴를 포함합니다. 우리는 얼음 속의 물 분자가 수소 결합에 의해 결합되어 있다는 것을 알고 있습니다. e이 경우 분자간 힘. 그러나 흑연에서는 분자 자체가 탄소 원자입니다. 이러한 " 분자 "는 여기에서 분자간 결합의 역할을하는 공유 결합에 의해 함께 결합됩니다. 용융 / 승화 흑연은 이러한 결합을 끊는 것과 관련이 있습니다.
• @Gimelist 약간의 반사 후에 공유 네트워크 고체의 용융이 공유 결합의 파손을 반드시 포함한다는 것을 깨달았습니다. 이것은 공유 결합을 끊는 것이 필연적으로 화학적 변형 인 분자 물질과는 완전히 대조적입니다. 어떤 의미에서 공유 네트워크 고체의 녹는 것은 일종의 분해입니다. 단, 원래 구조는 동결 중에 복구됩니다.

흑연을 일반적인 의미에서 “분자”로 구성된 물질로 간주하는 것은 일반적이지 않지만, 2 차원을 가진 일종의 고분자로 볼 수 있습니다. 어쨌든 점점 커지는 다환 방향족 탄화수소 (PAH) 의 한계로 흑연의 개별 시트를 분석하는 것이 유익합니다. 순서는 다음과 같습니다. 벤젠 ( $ \ ce {C6H6} $ ) → 코로 넨 ( “superbenzene”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

이 화합물 시퀀스와 관련된 분자간 상호 작용의 주요 종류는 pi-stacking 입니다. 스몰 t 예를 들어, 벤젠, 분자간 상호 작용의 강도는 약 $ \ mathrm {10 \ kJ \입니다. mol ^ {-1}} $ . 이것은 겸손한 매력을 나타냅니다. 수소 결합은 더 적은 원자를 포함하더라도 쉽게 두 배 더 강할 수 있습니다 .이러한 의미에서 참여하는 원자의 수에 의해 “정규화”될 때 파이 스택은 실제로 비교적 약한 분자간 상호 작용입니다.

더욱, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {-1}} $ 은 주변 조건에서 입자의 평균 열 에너지와 비슷합니다 ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2.5 \ kJ \ mol ^ {-1}} $ ), 따라서 벤젠 분자를 분리하는 데 너무 많은 노력을 기울이지 않습니다. 실제로 벤젠 $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ 에서 녹고 $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ <에서 끓습니다. / span> 하나의 분위기에서.

하지만 시퀀스의 다음 화합물 인 coronene은 이미 $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ 및 $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ 에서 끓습니다. PAH가 클수록 거의 확실히 더 큰 값을 갖게되며 결국에는 녹아 내리는 흑연 한계에 도달합니다. $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ . 분자간 상호 작용의 유형은 변하지 않았습니다. 그렇다면 이러한 분자가 갑자기 분리되기 어려운 이유는 무엇입니까? 답은 각 분자의 개별 부분이 약하게 상호 작용하지만 다수의 약한 분자간 상호 작용의 합이 전체 분자는 전반적으로 매우 강력한 분자간 상호 작용을 유발합니다 .

신중하게 말해서 각 개별 방향족 고리가 $ \ mathrm {10 \ kJ \에 기여한다고 상상해보십시오. mol ^ {-1}} $ 상당의 분자간 인력입니다. Coronene에는 7 개의 융합 방향족 고리가 포함되어있어 $ \ mathrm {70 \ kJ \의 총 상호 작용이 발생합니다. 두 분자 사이의 mol ^ {-1}} $ . 분자가 커질수록이 값은 점점 더 증가합니다. 결국 두 개의 매우 큰 PAH 분자 간의 총 분자간 상호 작용은 거대 가됩니다. 물질이 액화되기 위해서는 이러한 분자간 상호 작용의 일부만 “파괴”하면됩니다. (모든 것을 깨는 것은 물질을 가스로 바꾸는 것입니다) 그러나 작은 부분조차도 결국 엄청난 양의 에너지를 나타내므로 용융은 매우 높은 온도에서만 발생합니다.

어떻게하는지 주목하는 것은 흥미 롭습니다. 종종 화학자들은 약한 장거리 상호 작용을 무시하는 실수를 범합니다 (예 : van der Waals), 특히 더 강한 사람들이있을 때. 예를 들어, van der Waals 상호 작용은 알킬 치환 된 헥사 페닐 에탄 유도체의 안정성에 대한 기본 입니다. 단백질에서 약한 상호 작용은 종종 수소 결합 ( $ \ alpha $ -helices 및 $ \ beta $ -sheets), 효소의 올바른 형태를 결정하거나 단백질이 의약 화합물과 상호 작용하는 방식을 결정하는 데 결정적 일 수 있습니다.