Solución:
Solución 1:
No es habitual considerar al grafito como un material compuesto de “moléculas” en el sentido típico, aunque podría verse como una especie de polímero con macromoléculas bidimensionales. Independientemente, es provechoso analizar las láminas individuales de grafito como el límite de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) cada vez más grandes. La secuencia es: benceno ($ ce C6H6 $) → coroneno (“superbenceno”, $ ce C24H12 $) → $ ce C54H18 $ → …
El principal tipo de interacción intermolecular relevante para esta secuencia de compuestos es el apilamiento de pi. Para el ejemplo más pequeño de la secuencia, el benceno, parece que la fuerza de esta interacción intermolecular se trata solo de $ mathrm 10 kJ mol ^ – 1 $. Esto representa solo una modesta atracción; un enlace de hidrógeno puede ser fácilmente dos veces más fuerte aunque involucre 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.
Es más, $ mathrm 10 kJ mol ^ – 1 $ es comparable a la energía térmica media 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 a $ mathrm 5.5 ^ oC $ y hierve a $ mathrm 80 ^ oC $ bajo una atmósfera.
Sin embargo, el siguiente compuesto en la secuencia, el coroneno, 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 eventualmente el límite del grafito, que se derrite alrededor $ 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 en una molécula completa conduce a una interacción intermolecular muy fuerte en general..
Hablando crudamente, imagina que cada anillo aromático individual contribuye $ mathrm 10 kJ mol ^ – 1 $ valor de atracción intermolecular. Coronene contiene 7 anillos aromáticos fusionados, lo que conduciría 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. Finalmente, la interacción intermolecular total entre dos moléculas de PAH muy grandes se convierte en enorme. Para que la sustancia se licue, solo es necesario “romper” una fracción de estas interacciones intermoleculares (romper todas ellas es convertir el material en un gas), pero incluso una pequeña fracción eventualmente representa una gran cantidad de energía, por lo que solo se derrite ocurre a temperaturas muy altas.
Es interesante observar con qué frecuencia los químicos cometen el error de descuidar las interacciones débiles de larga distancia (por ejemplo, van der Waals), especialmente en presencia de interacciones 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 $-hojas), aunque pueden ser determinantes para determinar la correcta conformación de una enzima o cómo interactúa una proteína con compuestos medicinales.
Como última y 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 bien, 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.
Solucion 2:
El grafito tiene una estructura similar a la de los libros apilados uno encima del otro. Varias capas una encima de la otra y cada capa lleva 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 bien, 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.