Waarom heeft grafiet een hoog smeltpunt, ook al zijn de intermoleculaire krachten zwak?

Grafiet heeft een structuur die lijkt op gestapelde boeken boven op elkaar. Meerdere lagen op elkaar en elke laag wordt grafeen genoemd. Atomen in elke afzonderlijke laag zijn covalent gebonden, wat vrij sterk is. Onthoud dat covalente binding degene is die diamant bij elkaar houdt, wat een van de moeilijkste stoffen is. Atomen in de afzonderlijke grafietlagen worden sterk vastgehouden, waarbij slechts aan drie van de vier potentiële bindingsplaatsen is voldaan. Het vierde elektron is vrij om in het vlak te migreren, waardoor grafiet elektrisch geleidend wordt. De verschillende lagen worden echter bij elkaar gehouden door zwakke van der Waal-krachten, waardoor ze over elkaar kunnen glijden, waardoor grafiet een goed smeermiddel is. Het smelten verandert nu in wezen een zeer geordende toestand van moleculen in een wanordelijke toestand. Dat gaat ten koste van energie. In dit geval, aangezien de samenstellende moleculen van grafiet bij elkaar worden gehouden door een sterke covalente kracht, is er een grote hoeveelheid energie nodig om die binding te verzwakken. Dat verklaart het hoge smeltpunt van grafiet.

Opmerkingen

• Heel erg bedankt. Misschien heeft mijn leraar me het verkeerd geleerd, maar ‘ t smelten impliceert het afbreken van intermoleculaire krachten? Ik las dat wanneer iets eenvoudigs zoals water kookt, de intermoleculaire krachten afbreken en de covalente bindingen niet. Is dit correct?
• Dit antwoord begint goed, maar ik ‘ ben bang dat het tot de juiste conclusie komt door een onjuist argument. De covalente bindingen in elk vel zijn niet echt relevant voor het smeltpunt. covalente bindingen braken of veranderden, de verbinding zou niet ‘ niet smelten, het zou uiteenvallen.
• @NicolauSakerNeto maar grafiet is al in elementaire vorm. Waar zou het in ontbinden ?
• @ChristopherU ‘ Ren Ja. Smelten omvat het verbreken van intermoleculaire krachten. We weten dat watermoleculen in ijs bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen, wat de De intermoleculaire kracht in dit geval. In grafiet zijn de moleculen echter zelf koolstofatomen. Deze ” moleculen ” worden bij elkaar gehouden door covalente bindingen, die hier de rol van intermoleculaire binding spelen. Bij het smelten / sublimeren van grafiet worden deze bindingen verbroken.
• @Gimelist Na enige reflectie realiseer ik me dat het smelten van covalente netwerkvaste stoffen moet gepaard gaan met het verbreken van covalente bindingen. Dit staat in schril contrast met moleculaire materialen, waar het verbreken van covalente bindingen noodzakelijkerwijs een chemische transformatie is. In zekere zin is het smelten van een covalente netwerkvaste een soort ontbinding, behalve dat de oorspronkelijke structuur wordt hersteld tijdens het bevriezen.

Het is niet gebruikelijk om grafiet te beschouwen als een materiaal dat is samengesteld uit “moleculen” in de typische zin, hoewel het kan worden gezien als een soort polymeer met tweedimensionale macromoleculen. Hoe dan ook, het is vruchtbaar om de afzonderlijke bladen in grafiet te analyseren, aangezien de limiet van steeds grotere polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAKs) . De volgorde is: benzeen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene (“superbenzene”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

De belangrijkste soort intermoleculaire interactie die relevant is voor deze reeks verbindingen is pi-stacking . Voor de kleintjes Als voorbeeld in de reeks, benzeen, blijkt dat de sterkte van deze intermoleculaire interactie slechts ongeveer $ \ mathrm {10 \ kJ \ is mol ^ {- 1}} $ . Dit vertegenwoordigt slechts een bescheiden aantrekkingskracht; een waterstofbrug kan gemakkelijk twee keer zo sterk zijn , ook al zijn er minder atomen bij betrokken.In die zin is pi-stacking, wanneer “genormaliseerd” door het aantal deelnemende atomen, inderdaad een relatief zwakke intermoleculaire interactie.

Verder $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ is vergelijkbaar met de gemiddelde thermische energie van deeltjes in omgevingsomstandigheden ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2.5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), dus het kost niet al te veel moeite om benzeenmoleculen uit elkaar te halen. Benzeen smelt bij $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ en kookt bij $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ onder één atmosfeer.

De volgende verbinding in de reeks, coroneen, smelt echter al bij $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ en kookt bij $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Grotere PAKs zouden vrijwel zeker nog hogere waarden hebben en uiteindelijk de limiet van grafiet bereiken, dat rond smelt $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ onder druk. Het type intermoleculaire interactie is niet veranderd, dus waarom zijn deze moleculen plotseling zo moeilijk uit elkaar te halen? Het antwoord komt voort uit het besef dat, hoewel individuele secties van elk molecuul zwak reageren, de som van vele zwakke intermoleculaire interacties gedurende een hele molecuul leidt tot een zeer sterke intermoleculaire interactie in het algemeen .

Stel je grofweg voor dat elke individuele aromatische ring bijdraagt aan $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ waarde aan intermoleculaire aantrekkingskracht. Coroneen bevat 7 gefuseerde aromatische ringen, wat zou leiden tot een totale interactie van $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ tussen twee moleculen. Naarmate de moleculen groter worden, neemt deze waarde steeds verder toe. Uiteindelijk wordt de totale intermoleculaire interactie tussen twee zeer grote PAK-moleculen enorm . Om de stof vloeibaar te maken, is het alleen nodig om een fractie van deze intermoleculaire interacti te “breken” ons (ze allemaal breken is het materiaal in een gas veranderen), maar zelfs een kleine fractie vertegenwoordigt uiteindelijk een enorme hoeveelheid energie, dus smelten gebeurt alleen bij zeer hoge temperaturen.

Het is interessant om op te merken hoe vaak maken chemici de fout om zwakke langeafstandsinteracties (bijv van der Waals), vooral in de aanwezigheid van sterkere. Van der Waals-interacties zijn bijvoorbeeld fundamenteel voor de stabiliteit van met alkyl gesubstitueerde hexafenylethaanderivaten . Bij eiwitten worden zwakke interacties vaak over het hoofd gezien ten gunste van waterstofbruggen ( $ \ alpha $ -helices en $ \ beta $ -sheets), hoewel ze doorslaggevend kunnen zijn bij het bepalen van de juiste conformatie van een enzym of hoe een eiwit interageert met medicinale verbindingen.

Als laatste lichte raaklijn wil ik er alleen op wijzen dat men in de chemie op bachelor-niveau vaak uitspraken vindt als “kookpunten van covalente verbindingen nemen toe met hun molecuulgewicht. Nu zou het duidelijk moeten zijn dat dit niet helemaal waar is. Het komt alleen voor dat verbindingen met hogere molecuulgewichten de neiging hebben groter te zijn en een grotere hoeveelheid intermoleculaire interacties per molecuul mogelijk te maken, wat leidt tot hogere kookpunten.