Varför har grafit en hög smältpunkt trots att dess intermolekylära krafter är svaga?

Grafit har en struktur som liknar böcker staplade ovanpå varandra. Flera lager ovanpå varandra och varje lager går under namnet grafen. Atomer i varje enskilt lager är kovalent bundna, vilket är ganska starkt. Kom ihåg att kovalent bindning är den som håller diamanten ihop, vilket är en av de hårdaste ämnena. Atomer i de enskilda grafitskikten hålls starkt med endast tre av de fyra potentiella bindningsställena nöjda. Den fjärde elektronen är fri att migrera i planet, vilket gör grafit elektriskt ledande. De olika skikten hålls dock samman av svaga van der Waal-krafter, vilket gör att de kan glida ovanpå varandra, vilket gör grafit till ett bra smörjmedel. Nu är smältningen i huvudsak att förvandla ett högt ordnat tillstånd av molekyler till en oordning. Det kostar energi. Eftersom grafitens beståndsdelar hålls samman av en stark kovalent kraft behövs i detta fall en hög mängd energi för att försvaga bindningen. Det förklarar grafitens höga smältpunkt.

Kommentarer

• Tack så mycket. Kanske har min lärare lärt mig fel, men ’ smältning innebär nedbrytning av intermolekylära krafter? Jag läste att när något enkelt som vatten kokar, bryts de intermolekylära krafterna ner och de kovalenta bindningarna inte. Är detta korrekt?
• Detta svar börjar bra, men jag ’ är rädd att det når rätt slutsats av ett felaktigt argument. De kovalenta bindningarna i varje ark är inte riktigt relevanta för smältpunkten. kovalenta bindningar bröts eller förändrades, föreningen skulle ’ inte smälta, den skulle sönderdelas.
• @NicolauSakerNeto men grafit är redan i elementform. Vad skulle den sönderdelas till ?
• @ChristopherU ’ Ren Ja. Smältning innebär att intermolekylära krafter bryts. Vi vet att vattenmolekyler i is hålls samman av vätebindningar, vilket är intermolekylär kraft i detta fall. Men i grafit är molekylerna själva kolatomer. Dessa ” molekyler ” hålls samman av kovalenta bindningar, som spelar rollen som intermolekylär bindning här. Smältning / sublimering av grafit innebär att man bryter dessa bindningar.
• @Gimelist Efter en viss eftertanke inser jag att smältningen av kovalenta fasta nätverk måste innebära att kovalenta bindningar bryts. Detta står i skarp kontrast med molekylära material, där brytning av kovalenta bindningar nödvändigtvis är en viss kemisk transformation. På något sätt är smältningen av en kovalent nätverksfast en slags sönderdelning, förutom att den ursprungliga strukturen återvinns under frysning.

Det är inte vanligt att betrakta grafit som ett material som består av ”molekyler” i den typiska meningen, även om det kan ses som en slags polymer med tvådimensionell Makromolekyler. Oavsett är det fruktbart att analysera de enskilda arken i grafit som gränsen för allt större polycykliska aromatiska kolväten (PAH) . Sekvensen går: bensen ( $ \ ce {C6H6} $ ) → koron (”superbensen”, $ \ ce {C24H12} $ ) → $ \ ce {C54H18} $ → …

Den huvudsakliga typen av intermolekylär interaktion som är relevant för denna sekvens av föreningar är pi-stacking . smalles t exempel i sekvensen, bensen, verkar det som att styrkan för denna intermolekylära interaktion bara handlar om $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ . Detta representerar bara en blygsam attraktion; en vätebindning kan lätt vara dubbelt så stark även om det innebär mindre atomer.I denna mening, när ”normaliserad” av antalet atomer som deltar, är pi-stapling verkligen en relativt svag intermolekylär interaktion.

Dessutom är $ \ mathrm { 10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ är jämförbar med den genomsnittliga termiska energin för partiklar under omgivande förhållanden ( $ \ mathrm {k_BT_ {amb} = 2,5 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ ), så det tar inte alltför mycket ansträngning att dra isär bensenmolekyler. smälter vid $ \ mathrm {5.5 \ ^ oC} $ och kokar vid $ \ mathrm {80 \ ^ oC} $ under en atmosfär.

Nästa förening i sekvensen, koronen, smälter emellertid redan vid $ \ mathrm {437 \ ^ oC} $ och kokar vid $ \ mathrm {525 \ ^ oC} $ . Större PAH skulle nästan säkert ha ännu högre värden och så småningom nå gränsen för grafit, som smälter runt $ \ mathrm {4000 \ ^ oC} $ under tryck. Typen av intermolekylär interaktion har inte förändrats, så varför är dessa molekyler plötsligt så svåra att ta isär? Svaret kommer från att inse att, även om enskilda sektioner av varje molekyl interagerar svagt, summan av många svaga intermolekylära interaktioner över en hela molekylen leder till en mycket stark intermolekylär interaktion övergripande .

Grovt sett kan du föreställa dig att varje enskild aromatisk ring bidrar till $ \ mathrm {10 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ värde av intermolekylär attraktion. Coronen innehåller 7 smälta aromatiska ringar, vilket skulle leda till en total interaktion mellan $ \ mathrm {70 \ kJ \ mol ^ {- 1}} $ mellan två molekyler. När molekylerna blir större ökar detta värde ytterligare och så småningom blir den totala intermolekylära interaktionen mellan två mycket stora PAH-molekyler enorm . För att ämnet ska bli flytande är det bara nödvändigt att ”bryta” en bråkdel av dessa intermolekylära interaktioner ons (att bryta alla av dem förvandlar materialet till en gas), men även en liten del representerar så småningom en enorm mängd energi, så smältning sker bara vid mycket höga temperaturer.

Det är intressant att notera hur ofta gör kemister misstaget att försumma svaga långväga interaktioner (t.ex. van der Waals), särskilt i närvaro av starkare. Van der Waals-interaktioner är till exempel grundläggande för stabiliteten hos alkylsubstituerade hexafenyletanderivat . I proteiner förbises ofta svaga interaktioner till förmån för vätebindning ( $ \ alpha $ -helices och $ \ beta $ -ark), även om de kan vara avgörande för att bestämma den korrekta konformationen av ett enzym eller hur ett protein interagerar med medicinska föreningar.

Som en sista liten tangent vill jag bara påpeka att man i kemi på grundnivå ofta hittar påståenden som ”kokpunkter för kovalenta föreningar ökar med sin molekylvikt. Nu bör det vara uppenbart att detta inte är helt sant. Det händer bara att föreningar med högre molekylvikter tenderar att vara större och tillåter en större mängd intermolekylära interaktioner per molekyl, vilket leder till högre kokpunkter.