¿Por qué el grafito tiene un alto punto de fusión a pesar de que sus fuerzas intermoleculares son débiles?

El grafito tiene una estructura similar a la de los libros apilados Encima del otro. Varias capas una encima de la otra y cada capa con el nombre de grafeno. Los átomos de cada capa individual están unidos covalentemente, lo que es bastante fuerte. Recuerde que el enlace covalente es el que mantiene unido al diamante, que es una de las sustancias más duras. Los átomos en las capas individuales de grafito se mantienen fuertemente con solo tres de los cuatro sitios de enlace potenciales satisfechos. El cuarto electrón puede migrar libremente en el plano, lo que hace que el grafito sea conductor de electricidad. Sin embargo, las diferentes capas se mantienen unidas por fuerzas débiles de van der Waal, lo que les permite deslizarse una encima de la otra, lo que hace que el grafito sea un buen lubricante. Ahora la fusión es esencialmente convertir un estado altamente ordenado de moléculas en uno desordenado. Eso tiene un costo de energía. En este caso, dado que las moléculas constituyentes del grafito se mantienen unidas por una fuerte fuerza covalente, se necesita una gran cantidad de energía para debilitar ese enlace. Eso explica el alto punto de fusión del grafito.

Comentarios

• Muchas gracias. Quizás mi profesor me ha enseñado mal, pero no ‘ ¿La fusión implica la ruptura de fuerzas intermoleculares? Leí que cuando algo simple como el agua hierve, las fuerzas intermoleculares se rompen y los enlaces covalentes no. ¿Es correcto?
• Esta respuesta comienza bien, pero ‘ me temo que llega a la conclusión correcta mediante un argumento incorrecto. Los enlaces covalentes dentro de cada hoja no son realmente relevantes para el punto de fusión. los enlaces covalentes se rompieron o cambiaron, el compuesto no ‘ t derretiría, se descompondría.
• @NicolauSakerNeto pero el grafito ya está en forma elemental. ?
• @ChristopherU ‘ Ren Sí. La fusión implica la ruptura de las fuerzas intermoleculares. Sabemos que las moléculas de agua en el hielo se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, que es el La fuerza intermolecular en este caso. Sin embargo, en el grafito, las moléculas son átomos de carbono. Estas » moléculas » se mantienen unidas por enlaces covalentes, que desempeñan el papel de enlace intermolecular aquí. La fusión / sublimación del grafito implica romper estos enlaces.
• @Gimelist Después de reflexionar un poco, me doy cuenta de que la fusión de los sólidos de la red covalente debe implicar la rotura de los enlaces covalentes. Esto está en marcado contraste con los materiales moleculares, donde romper enlaces covalentes es necesariamente una transformación química. En cierto sentido, la fusión de un sólido de red covalente es una especie de descomposición, excepto que la estructura original se recupera durante la congelación.

No es habitual considerar el grafito como un material compuesto de «moléculas» en el sentido típico, aunque podría verse como una especie de polímero con dos dimensiones macromoléculas. Independientemente, es útil analizar las láminas individuales de grafito como el límite de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) cada vez más grandes. La secuencia es: benceno ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene («superbenceno», $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

El tipo principal de interacción intermolecular relevante para esta secuencia de compuestos es pi-stacking . Para el pequeños En el ejemplo de la secuencia, benceno, parece que la fuerza de esta interacción intermolecular es solo de $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Esto representa solo una modesta atracción; un enlace de hidrógeno puede ser fácilmente el doble de fuerte aunque incluya menos átomos.En este sentido, cuando se «normaliza» por el número de átomos que participan, el apilamiento de pi es de hecho una interacción intermolecular comparativamente débil.

Además, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ es comparable a la energía térmica promedio de las partículas en condiciones ambientales ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2.5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), por lo que no se necesita demasiado esfuerzo para separar las moléculas de benceno. De hecho, el benceno se derrite en $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ y hierve en $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ bajo una atmósfera.

Sin embargo, el siguiente compuesto de la secuencia, la corona, ya se derrite en $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ y hierve a $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Es casi seguro que los PAH más grandes tengan valores aún mayores, alcanzando finalmente el límite del grafito, que se derrite $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ bajo presión. El tipo de interacción intermolecular no ha cambiado, entonces ¿por qué estas moléculas de repente son tan difíciles de separar? La respuesta proviene de darse cuenta de que, aunque las secciones individuales de cada molécula interactúan débilmente, la suma de muchas interacciones intermoleculares débiles durante la molécula entera conduce a una interacción intermolecular muy fuerte en general .

Hablando de manera cruda, imagina que cada anillo aromático individual contribuye $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ de atracción intermolecular. La corona contiene 7 anillos aromáticos fusionados, lo que daría lugar a una interacción total de $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ entre dos moléculas. A medida que las moléculas se hacen más grandes, este valor aumenta cada vez más. Con el tiempo, la interacción intermolecular total entre dos moléculas de PAH muy grandes se vuelve enorme . Para que la sustancia se licue, solo es necesario «romper» una fracción de estas interacciones intermoleculares. (romper todos ellos es convertir el material en un gas), pero incluso una pequeña fracción eventualmente representa una gran cantidad de energía, por lo que la fusión solo ocurre a temperaturas muy altas.

Es interesante notar cómo A menudo los químicos cometen el error de descuidar las interacciones débiles a larga distancia (p. ej. van der Waals), especialmente en presencia de otros más fuertes. Por ejemplo, las interacciones de van der Waals son fundamentales para la estabilidad de los derivados de hexofeniletano sustituidos con alquilo . En las proteínas, las interacciones débiles a menudo se pasan por alto a favor de los enlaces de hidrógeno ( $ \ alpha $ -helices y $ \ beta $ -sheets), aunque pueden ser decisivos para determinar la conformación correcta de una enzima o cómo interactúa una proteína con compuestos medicinales.

Como última ligera tangente, solo quiero señalar que en química de nivel universitario, a menudo uno encuentra afirmaciones como «los puntos de ebullición de los compuestos covalentes aumentan con su peso molecular. Ahora debería ser evidente que esto no es estrictamente cierto. Simplemente sucede que los compuestos con pesos moleculares más altos tienden a ser más grandes y permiten una mayor cantidad de interacciones intermoleculares por molécula, lo que conduce a puntos de ebullición más altos.