Hvorfor har grafitt et høyt smeltepunkt selv om de intermolekylære kreftene er svake?

Grafitt har en struktur som ligner på bøker som er stablet oppå hverandre. Flere lag oppå hverandre og hvert lag går under navnet grafen. Atomer i hvert enkelt lag er kovalent bundet, noe som er ganske sterkt. Husk at kovalent binding er den som holder diamant sammen, som er en av de vanskeligste stoffene. Atomer i de enkelte lagene av grafitt holdes sterkt med bare tre av de fire potensielle bindingsstedene fornøyd. Det fjerde elektronet er fritt til å migrere i planet, noe som gjør grafitt elektrisk ledende. Imidlertid holdes de forskjellige lagene sammen av svake van der Waal-krefter, som gjør dem i stand til å gli oppå hverandre, noe som gjør grafitt til et godt smøremiddel. Nå smelter det i det vesentlige å gjøre en høyt ordnet tilstand av molekyler til en uordnet tilstand. Det koster energi. I dette tilfellet, siden komponentene av grafitt holdes sammen av en sterk kovalent kraft, er det nødvendig med en høy mengde energi for å svekke båndet. Det forklarer grafittets høye smeltepunkt.

Kommentarer

• Tusen takk. Kanskje læreren min har lært meg feil, men ikke ‘ t smelting innebærer nedbrytning av intermolekylære krefter? Jeg leste at når noe enkelt som vann koker, brytes de intermolekylære kreftene ned, og de kovalente bindingene ikke. Er dette riktig?
• Dette svaret starter bra, men jeg ‘ er redd det kommer til riktig konklusjon med et feil argument. De kovalente bindinger i hvert ark er egentlig ikke relevante for smeltepunktet. kovalente bindinger brøt eller endret seg, forbindelsen ville ikke ‘ ikke smelte, den ville spaltes.
• @NicolauSakerNeto men grafitt er allerede i elementær form. Hva ville det spaltes til ?
• @ChristopherU ‘ Ren Ja. Smelting innebærer å bryte intermolekylære krefter. Vi vet at vannmolekyler i is holdes sammen av hydrogenbindinger, som er intermolekylær kraft i dette tilfellet. Imidlertid i grafitt er molekylene karbonatomer i seg selv. Disse » molekylene » holdes sammen av kovalente bindinger, som spiller rollen som intermolekylær binding her. Smelting / sublimering av grafitt innebærer å bryte disse bindingene.
• @Gimelist Etter litt refleksjon skjønner jeg at smeltingen av kovalente nettverksfaststoffer må innebære brudd på kovalente bindinger. Dette er i sterk kontrast til molekylære materialer, der det å bryte kovalente bindinger nødvendigvis er noen kjemisk transformasjon. På en eller annen måte er smeltingen av et kovalent nettverksfast en slags nedbrytning, bortsett fra at den opprinnelige strukturen gjenvinnes under frysing.

Det er ikke vanlig å betrakte grafitt som et materiale sammensatt av «molekyler» i typisk forstand, selv om det kan sees på som en slags polymer med todimensjonal makromolekyler. Uansett er det fruktbart å analysere de enkelte arkene i grafitt som grensen for stadig større polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAHer) . Sekvensen går: benzen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → koronene («superbenzen», $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Den viktigste typen intermolekylær interaksjon som er relevant for denne sekvensen av forbindelser er pi-stabling . For smalles t eksempel i sekvensen, benzen, ser det ut til at styrken til denne intermolekylære interaksjonen bare handler om $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Dette representerer bare en beskjeden attraksjon; en hydrogenbinding kan lett være dobbelt så sterk selv om den innebærer færre atomer.I denne forstand, når «normalisert» av antall atomer som deltar, er pi-stabling faktisk en relativt svak intermolekylær interaksjon.

Videre er $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ kan sammenlignes med den gjennomsnittlige termiske energien til partikler under omgivelsesforhold ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2.5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), så det tar ikke for mye arbeid å trekke fra hverandre benzenmolekyler. Faktisk benzen smelter ved $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ og koker ved $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ under en atmosfære.

Den neste forbindelsen i sekvensen, koronen, smelter imidlertid allerede ved $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ og koker ved $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Større PAH vil nesten helt sikkert ha enda større verdier, og til slutt når grensen for grafitt, som smelter rundt $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ under press. Type intermolekylær interaksjon har ikke endret seg, så hvorfor er disse molekylene plutselig så vanskelige å trekke fra hverandre? Svaret kommer fra å innse at, selv om individuelle seksjoner av hvert molekyl samhandler svakt, hele molekylet fører til en veldig sterk intermolekylær interaksjon generelt .

Tenk deg grovt sett at hver enkelt aromatiske ring bidrar til $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ til en intermolekylær tiltrekning. Coronene inneholder 7 smeltede aromatiske ringer, noe som vil føre til en total interaksjon mellom $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ mellom to molekyler. Når molekylene blir større, øker denne verdien lenger og lenger. Etter hvert blir den totale intermolekylære interaksjonen mellom to veldig store PAH-molekyler enorm . For at stoffet skal flyte, er det bare nødvendig å «bryte» en brøkdel av disse intermolekylære interaksjonene ons (å bryte alle sammen gjør materialet til en gass), men til og med en liten brøkdel representerer til slutt en enorm mengde energi, så smelting skjer bare ved veldig høye temperaturer.

Det er interessant å merke seg hvordan ofte gjør kjemikere feilen ved å forsømme svake interaksjoner over lang avstand (f.eks van der Waals), spesielt i nærvær av sterkere. Van der Waals-interaksjoner er for eksempel grunnleggende for stabiliteten til alkylsubstituerte heksafenyletanderivater . I proteiner blir ofte svake interaksjoner oversett til fordel for hydrogenbinding ( $ \ alpha $ -helices og $ \ beta $ -ark), selv om de kan være avgjørende for å bestemme den korrekte konformasjonen av et enzym eller hvordan et protein samhandler med medisinske forbindelser.

Som en siste liten tangens, vil jeg bare påpeke at man i kjemi på lavere nivå ofte finner utsagn som «kokepunkter for kovalente forbindelser øker med sin molekylvekt. Nå bør det være tydelig at dette ikke er strengt sant. Det hender bare at forbindelser med høyere molekylvekt har en tendens til å være større og tillater større mengde intermolekylære interaksjoner per molekyl, og dermed fører til høyere kokepunkter.