Por que o grafite tem um ponto de fusão alto, embora suas forças intermoleculares sejam fracas?

O grafite tem uma estrutura semelhante a livros empilhados um em cima do outro. Várias camadas umas sobre as outras e cada camada com o nome de grafeno. Os átomos em cada camada individual são ligados covalentemente, o que é bastante forte. Lembre-se de que a ligação covalente é aquela que mantém o diamante unido, que é uma das substâncias mais duras. Os átomos nas camadas individuais de grafite são fortemente mantidos com apenas três dos quatro locais de ligação potenciais satisfeitos. O quarto elétron está livre para migrar no plano, tornando o grafite eletricamente condutivo. No entanto, as diferentes camadas são mantidas juntas por forças fracas de van der Waal, o que permite que elas deslizem umas sobre as outras, tornando o grafite um bom lubrificante. Agora, derreter é essencialmente transformar um estado altamente ordenado de moléculas em um desordenado. Isso custa energia. Nesse caso, como as moléculas constituintes da grafite são mantidas juntas por uma forte força covalente, uma grande quantidade de energia é necessária para enfraquecer essa ligação. Isso explica o alto ponto de fusão do grafite.

Comentários

• Muito obrigado. Talvez meu professor tenha me ensinado errado, mas não ‘ O derretimento envolve a quebra de forças intermoleculares? Eu li que quando algo simples como a água ferve, as forças intermoleculares quebram e as ligações covalentes não. Isso está correto?
• Esta resposta começa bem, mas ‘ temo que chegue à conclusão correta com um argumento incorreto. As ligações covalentes dentro de cada folha não são realmente relevantes para o ponto de fusão. ligações covalentes quebradas ou alteradas, o composto não ‘ t derreter, ele iria se decompor.
• @NicolauSakerNeto, mas o grafite já está na forma elementar. Em que se decomporia ?
• @ChristopherU ‘ Ren Sim. O derretimento envolve a quebra de forças intermoleculares. Sabemos que as moléculas de água no gelo são mantidas juntas por ligações de hidrogênio, que é o e força intermolecular neste caso. No entanto, no grafite, as próprias moléculas são átomos de carbono. Essas ” moléculas ” são mantidas juntas por ligações covalentes, que desempenham o papel de ligação intermolecular aqui. A fusão / sublimação da grafite envolve a quebra dessas ligações.
• @Gimelist Após alguma reflexão, percebi que a fusão dos sólidos da rede covalente deve envolver a quebra das ligações covalentes. Isso está em total contraste com os materiais moleculares, onde quebrar ligações covalentes é necessariamente alguma transformação química. Em certo sentido, o derretimento de um sólido de rede covalente é um tipo de decomposição, exceto que a estrutura original é recuperada durante o congelamento.

Não é comum considerar o grafite como um material composto de “moléculas” no sentido típico, embora possa ser visto como um tipo de polímero com dimensões bidimensionais Apesar de tudo, é proveitoso analisar as folhas individuais de grafite como o limite de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) cada vez maiores . A sequência é: benzeno ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronene (“superbenzene”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

O principal tipo de interação intermolecular relevante para esta sequência de compostos é o empilhamento de pi . pequenos t exemplo na sequência, benzeno, parece que a força dessa interação intermolecular é apenas cerca de $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Isso representa apenas uma atração modesta; uma ligação de hidrogênio pode facilmente ser duas vezes mais forte , embora envolva menos átomos.Nesse sentido, quando “normalizado” pelo número de átomos participantes, o empilhamento de pi é de fato uma interação intermolecular comparativamente fraca.

Além disso, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ é comparável à energia térmica média de partículas em condições ambientais ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), então não é preciso muito esforço para separar as moléculas de benzeno. Na verdade, o benzeno derrete em $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ e ferve em $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ sob uma atmosfera.

No entanto, o próximo composto na sequência, coronene, já derrete em $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ e ferve em $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . PAHs maiores quase certamente teriam valores ainda maiores, eventualmente atingindo o limite de grafite, que derrete em torno $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ sob pressão. O tipo de interação intermolecular não mudou, então por que essas moléculas de repente são tão difíceis de separar? A resposta vem ao perceber que, embora seções individuais de cada molécula interajam fracamente, a soma de muitas interações intermoleculares fracas ao longo de um molécula inteira leva a uma interação intermolecular muito forte em geral .

Falando de maneira grosseira, imagine que cada anel aromático individual contribui com $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ de atração intermolecular. Coronene contém 7 anéis aromáticos fundidos, o que levaria a uma interação total de $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ entre duas moléculas. À medida que as moléculas ficam maiores, esse valor aumenta cada vez mais. Eventualmente, a interação intermolecular total entre duas moléculas de PAH muito grandes torna-se enorme . Para que a substância se liquefaça, é necessário apenas “quebrar” uma fração dessas interações intermoleculares. ons (quebrar todos eles é transformar o material em um gás), mas mesmo uma pequena fração eventualmente representa uma grande quantidade de energia, então o derretimento só acontece em temperaturas muito altas.

É interessante notar como muitas vezes os químicos cometem o erro de negligenciar as interações fracas de longa distância (por exemplo van der Waals), especialmente na presença de outros mais fortes. Por exemplo, as interações de van der Waals são fundamentais para a estabilidade de derivados hexafeniletano alquil-substituídos . Em proteínas, as interações fracas são freqüentemente negligenciadas em favor da ligação de hidrogênio ( $ \ alpha $ -helices e $ \ beta $ -sheets), embora possam ser decisivos para determinar a conformação correta de uma enzima ou como uma proteína interage com compostos medicinais.

Como última tangente, só quero salientar que, em química de graduação, muitas vezes encontramos afirmações como “os pontos de ebulição dos compostos covalentes aumentam com seu peso molecular. Agora, deve ficar evidente que isso não é estritamente verdadeiro. Simplesmente acontece que compostos com pesos moleculares mais altos tendem a ser maiores e permitir uma maior quantidade de interações intermoleculares por molécula, levando a pontos de ebulição mais altos.