Dlaczego grafit ma wysoką temperaturę topnienia, mimo że jego siły międzycząsteczkowe są słabe?

Grafit ma strukturę podobną do ułożonych książek jeden na drugim. Wiele warstw jedna na drugiej, a każda warstwa nosi nazwę grafen. Atomy w każdej pojedynczej warstwie są związane kowalencyjnie, co jest dość mocne. Pamiętaj, że wiązanie kowalencyjne łączy diament, który jest jedną z najtwardszych substancji. Atomy w poszczególnych warstwach grafitu są silnie utrzymywane, a tylko trzy z czterech potencjalnych miejsc wiązania są spełnione. Czwarty elektron może swobodnie migrować w płaszczyźnie, dzięki czemu grafit przewodzi prąd. Jednak różne warstwy są utrzymywane razem przez słabe siły van der Waala, co umożliwia im ślizganie się jedna na drugiej, dzięki czemu grafit jest dobrym środkiem smarnym. Teraz topienie jest zasadniczo zmianą wysoce uporządkowanego stanu cząsteczek w stan nieuporządkowany. Odbywa się to kosztem energii. W tym przypadku, ponieważ cząsteczki składowe grafitu są utrzymywane razem przez silną siłę kowalencyjną, do osłabienia tego wiązania potrzebna jest duża ilość energii. To wyjaśnia wysoką temperaturę topnienia grafitu.

Komentarze

• Wielkie dzięki. Może mój nauczyciel nauczył mnie źle, ale tak nie jest t topienie wiąże się z rozpadem sił międzycząsteczkowych? Czytałem, że kiedy coś prostego, jak woda, gotuje się, siły międzycząsteczkowe rozpadają się, a wiązania kowalencyjne nie. Czy to prawda?
• Ta odpowiedź zaczyna się dobrze, ale ' obawiam się, że dojdzie do prawidłowego wniosku za pomocą nieprawidłowego argumentu. Wiązania kowalencyjne w każdym arkuszu nie są tak naprawdę istotne dla temperatury topnienia. wiązania kowalencyjne pękły lub uległy zmianie, związek nie ' nie stopiłby się, rozpadłby się.
• @NicolauSakerNeto, ale grafit jest już w formie elementarnej. Do czego się rozłoży ?
• @ChristopherU ' Ren Tak. Topienie wiąże się z rozerwaniem sił międzycząsteczkowych. Wiemy, że cząsteczki wody w lodzie są trzymane razem przez wiązania wodorowe. Siła międzycząsteczkowa w tym przypadku. Jednak w graficie same cząsteczki są atomami węgla. Te ” cząsteczki ” są utrzymywane razem wiązaniami kowalencyjnymi, które pełni tutaj rolę wiązania międzycząsteczkowego. Topienie / sublimacja grafitu wymaga zerwania tych wiązań.
• @Gimelist Po chwili namysłu zdaję sobie sprawę, że topienie kowalencyjnych ciał stałych musi wiązać się z zerwaniem wiązań kowalencyjnych. Stoi to w wyraźnym kontraście z materiałami molekularnymi, w których zerwanie wiązań kowalencyjnych jest koniecznie pewną przemianą chemiczną. W pewnym sensie topienie kowalencyjnej sieci stałej jest rodzajem rozkładu, z wyjątkiem tego, że oryginalna struktura jest odzyskiwana podczas zamrażania.

Grafit nie jest zwykle traktowany jako materiał złożony z „cząsteczek” w typowym tego słowa znaczeniu, chociaż można go postrzegać jako rodzaj polimeru o dwuwymiarowym Niezależnie od tego, warto przeanalizować poszczególne arkusze grafitu jako granicę coraz większych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) . Sekwencja jest następująca: benzen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene („superbenzene”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Głównym rodzajem interakcji międzycząsteczkowej związanej z tą sekwencją związków jest pi-stacking . smalles Na przykład w sekwencji, benzen, wydaje się, że siła tej interakcji międzycząsteczkowej wynosi tylko około $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Stanowi to tylko skromną atrakcję; wiązanie wodorowe może z łatwością być dwa razy silniejsze , nawet jeśli obejmuje mniej atomów.W tym sensie, po „znormalizowaniu” przez liczbę uczestniczących atomów, pi-stacking jest rzeczywiście stosunkowo słabą interakcją międzycząsteczkową.

Ponadto $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ jest porównywalne ze średnią energią cieplną cząstek w warunkach otoczenia ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), więc rozerwanie cząsteczek benzenu nie wymaga zbytniego wysiłku. Rzeczywiście, benzen topi się przy $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ i wrze w $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ w jednej atmosferze.

Jednak następny związek w sekwencji, koronena, topi się już w $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ i wrze w $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Większe WWA prawie na pewno miałyby jeszcze większe wartości, ostatecznie osiągając granicę grafitu, który topi się wokół $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ pod presją. Typ interakcji międzycząsteczkowej nie zmienił się, więc dlaczego te cząsteczki nagle stają się tak trudne do rozdzielenia? Odpowiedź pochodzi od uświadomienia sobie, że chociaż poszczególne sekcje każdej cząsteczki oddziałują słabo, suma wielu słabych interakcji międzycząsteczkowych na cała cząsteczka prowadzi ogólnie do bardzo silnej interakcji międzycząsteczkowej .

Mówiąc prymitywnie, wyobraź sobie, że każdy pojedynczy pierścień aromatyczny ma swój udział $ \ mathrm {10 \ kJ \ przyciąganie międzycząsteczkowe o wartości mol ^ {- 1}} $ . Koronen zawiera 7 połączonych pierścieni aromatycznych, co doprowadziłoby do całkowitej interakcji $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ między dwiema cząsteczkami. Gdy cząsteczki stają się większe, wartość ta rośnie coraz bardziej. Ostatecznie całkowite oddziaływanie międzycząsteczkowe między dwiema bardzo dużymi cząsteczkami WWA staje się ogromne . Aby substancja uległa upłynnieniu, konieczne jest jedynie „rozbicie” ułamka tych intermolekularnych interakcji (rozbicie ich wszystkich zamienia materiał w gaz), ale nawet niewielka część ostatecznie stanowi ogromną ilość energii, więc topienie następuje tylko w bardzo wysokich temperaturach.

Warto zauważyć, jak często chemicy popełniają błąd zaniedbując słabe interakcje na duże odległości (np van der Waals), zwłaszcza w obecności silniejszych. Na przykład, oddziaływania van der Waalsa są fundamentalne dla stabilności podstawionych alkilem pochodnych heksafenyloetanu . W białkach słabe interakcje są często pomijane na korzyść wiązań wodorowych ( $ \ alpha $ -helices i $ \ beta $ -sheets), chociaż mogą być decydujące w określaniu prawidłowej konformacji enzymu lub interakcji białka ze związkami leczniczymi.

Na koniec chciałbym tylko zaznaczyć, że w chemii na poziomie licencjackim często można spotkać stwierdzenia, takie jak „temperatury wrzenia związków kowalencyjnych rosną wraz z ich masą cząsteczkową. Teraz powinno być oczywiste, że nie jest to do końca prawdą. Po prostu zdarza się, że związki o wyższej masie cząsteczkowej są zwykle większe i pozwalają na większą ilość oddziaływań międzycząsteczkowych na cząsteczkę, co prowadzi do wyższych temperatur wrzenia.