Din ceea ce am citit online, când o substanță suferă o schimbare de stare, forțele intermoleculare sunt rupte. Legăturile covalente nu sunt rupte ( http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_ocr_pre_2011/chemicals/airmolecularrev2.shtml )
Manualul meu afirmă că straturile de grafit pot aluneca unul peste altul cu ușurință și se pot rupe de unul pe altul, deoarece au forțe intermoleculare slabe.
Am crezut că dacă un obiect are forțe intermoleculare slabe, punctul său de topire este mai mic. De ce are grafitul un punct de topire atât de mare dacă forțele sale intermoleculare sunt slabe?
Manualul meu precizează, de asemenea, că legăturile covalente puternice sunt rupte în timpul modificărilor de stare, nu este corect?
Comentarii
- Grafitul nu constă din molecule pentru început.
Răspuns
Grafitul are o structură similară cărților stivuite unul peste altul. Mai multe straturi una peste alta și fiecare strat se numește grafen. Atomii din fiecare strat individual sunt legați covalent, ceea ce este destul de puternic. Amintiți-vă că legătura covalentă este cea care ține diamantul împreună, care este una dintre cele mai dure substanțe. Atomii din straturile individuale de grafit sunt puternic reținuți, doar trei dintre cele patru situri potențiale de legătură satisfăcute. Al patrulea electron este liber să migreze în plan, transformând grafitul în conductor electric. Cu toate acestea, diferitele straturi sunt ținute împreună de forțe van der Waal slabe, ceea ce le permite să alunece unul peste altul, făcând din grafit un bun lubrifiant. „> introduceți descrierea imaginii aici
Acum topirea transformă în esență o stare foarte ordonată a moleculelor într-una dezordonată. Asta vine în detrimentul energiei. În acest caz, deoarece moleculele constitutive ale grafitului sunt ținute împreună de o forță covalentă puternică, este necesară o cantitate mare de energie pentru a slăbi această legătură. Asta explică punctul de topire ridicat al grafitului.
Comentarii
- Mulțumesc mult. Poate că profesorul meu m-a învățat greșit, dar nu ‘ topirea implică descompunerea forțelor intermoleculare? Am citit că atunci când fierbe ceva simplu ca apa, forțele intermoleculare se descompun și legăturile covalente nu. Este corect?
- Acest răspuns începe bine, dar mă ‘ mă tem că ajunge la concluzia corectă printr-un argument incorect. Legăturile covalente din fiecare foaie nu sunt cu adevărat relevante pentru punctul de topire. Dacă legăturile covalente s-au rupt sau s-au schimbat, compusul nu s-ar topi, s-ar descompune.
- @NicolauSakerNeto dar grafitul este deja în formă elementară. Ce s-ar descompune ?
- @ChristopherU ‘ Ren Da. Topirea implică ruperea forțelor intermoleculare. Știm că moleculele de apă din gheață sunt ținute împreună de legături de hidrogen, care este th Forța intermoleculară în acest caz. Cu toate acestea, în grafit, moleculele sunt atomi de carbon înșiși. Aceste ” molecule ” sunt ținute împreună de legături covalente, care joacă rolul de legătură intermoleculară aici. Topirea / sublimarea grafitului implică ruperea acestor legături.
- @Gimelist După o anumită reflecție, realizez că topirea solidelor de rețea covalente trebuie implică ruperea legăturilor covalente. Acest lucru este în contrast puternic cu materialele moleculare, unde ruperea legăturilor covalente este în mod necesar o transformare chimică. Într-un anumit sens, topirea unui solid de rețea covalent este un fel de descompunere, cu excepția faptului că structura originală este recuperată în timpul înghețului.
Răspuns
Nu este obișnuit să considerăm grafitul ca un material compus din „molecule” în sensul tipic, deși ar putea fi privit ca un fel de polimer cu două dimensiuni Macromolecule. Indiferent, este fructuos să analizăm foile individuale în grafit ca limită de hidrocarburi policiclice aromatice (HAP) tot mai mari. = „2737a962f6”>
benzen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → coronen („superbenzen”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …
Principalul tip de interacțiune intermoleculară relevantă pentru această secvență de compuși este pi-stacking . Pentru mici Exemplul din secvență, benzen, se pare că puterea acestei interacțiuni intermoleculare este doar de aproximativ $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Aceasta reprezintă doar o atracție modestă; o legătură de hidrogen poate fi ușor de două ori mai puternică , chiar dacă implică mai puțini atomi.În acest sens, atunci când este „normalizată” de numărul de atomi care participă, stivuirea pi este într-adevăr o interacțiune intermoleculară relativ slabă.
Mai mult, $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ este comparabil cu energia termică medie a particulelor în condiții ambientale ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), deci nu depune prea mult efort pentru a îndepărta moleculele de benzen. Într-adevăr, benzenul se topește la $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ și fierbe la $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ sub o atmosferă.
Cu toate acestea, următorul compus din secvență, coronene, se topește deja la $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ și fierbe la $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . PAH-urile mai mari ar avea aproape sigur valori chiar mai mari, ajungând în cele din urmă la limita de grafit, care se topește în jurul valorii de $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ sub presiune. Tipul de interacțiune intermoleculară nu s-a schimbat, așa că de ce aceste molecule sunt dintr-o dată atât de greu de îndepărtat? Răspunsul vine din realizarea faptului că, deși secțiuni individuale ale fiecărei molecule interacționează slab, suma multor interacțiuni intermoleculare slabe pe o întreaga moleculă duce la o interacțiune intermoleculară foarte puternică în ansamblu .
Apropo, imaginați-vă că fiecare inel aromatic individual contribuie $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ în valoare de atracție intermoleculară. Coronene conține 7 inele aromatice condensate, ceea ce ar duce la o interacțiune totală de $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ între două molecule. Pe măsură ce moleculele cresc, această valoare crește din ce în ce mai mult. În cele din urmă, interacțiunea intermoleculară totală între două molecule PAH foarte mari devine enormă . Pentru ca substanța să se lichefieze, este necesară doar „spargerea” unei fracțiuni din aceste interacțiuni intermoleculare ons (ruperea tuturor înseamnă transformarea materialului într-un gaz), dar chiar și o mică fracțiune reprezintă în cele din urmă o cantitate uriașă de energie, astfel încât topirea are loc doar la temperaturi foarte ridicate.
Este interesant de observat cum adesea chimiștii fac greșeala de a neglija interacțiunile slabe la distanță lungă (de ex van der Waals), mai ales în prezența celor mai puternice. De exemplu, interacțiunile van der Waals sunt fundamentale pentru stabilitatea derivaților hexafeniletanului substituiți cu alchil . În proteine, interacțiunile slabe sunt adesea trecute cu vederea în favoarea legăturii de hidrogen ( $ \ alpha $ -helices și $ \ beta $ -sheets), deși pot fi decisive în determinarea conformării corecte a unei enzime sau a modului în care o proteină interacționează cu compușii medicinali.
Ca ultimă ușoară tangență, vreau doar să subliniez că în chimia la nivel universitar, adesea se găsesc afirmații precum „punctele de fierbere pentru compușii covalenți cresc cu greutatea lor moleculară. Acum ar trebui să fie evident că acest lucru nu este strict adevărat. Se întâmplă doar că compușii cu greutăți moleculare mai mari tind să fie mai mari și să permită o cantitate mai mare de interacțiuni intermoleculare pe moleculă, ducând astfel la puncte de fierbere mai mari.