When I was writing about PTFE on th

When I was writing about PTFE on the page about polymerisation of alkenes, I spent ages trying to find out why PTFE was non-stick - and failed completely.

Part of the information I found on the web I know to be untrue or illogical, but there is a mass of stuff which, to be frank, I simply don't understand. Quite a lot of what is out there is written by physicists or other non-chemists who speak a quite different language from me! It also seems to me that there is a reluctance to start right back at the level of the molecules and explain what is happening in terms of molecular interactions.

Following a number of discussions with various knowledgeable people over recent years, what follows is, I hope, logical. Whether it is also the best explanation that can be given is another matter.


The structure of PTFE molecules

PTFE, poly(tetrafluoroethene), is made by polymerising lots of tetrafluoroethene molecules.




This simple diagram for PTFE doesn't show the 3-dimensional structure of the molecule. In the simpler molecule poly(ethene) the carbon backbone of the molecule just has hydrogen atoms attached to it, and the chain is very flexible - it definitely isn't a straight molecule.

However, in PTFE, the fluorine atoms in one CF2 group are big enough to interfere with those on the neighbouring groups. You need to remember that each fluorine atom will have 3 lone pairs sticking out from it.

The effect of this is to inhibit rotation about the carbon-carbon single bonds. The fluorine atoms will tend to line up so that they are as far apart as possible from neighbouring fluorines. Rotation will tend to involve a clash of lone pairs between fluorines on adjacent carbon atoms - and this makes rotation energetically unfavourable.

The repulsions lock the molecules into a rod-like shape with the fluorines arranged into very gentle spirals - a helical arrangement of the fluorines around the carbon backbone. The rods will then tend to pack together a bit like long thin pencils in a box.

This closely touching arrangement has an important effect on the intermolecular forces as you will see.

Note: Actually, this is a simplification. You will get some kinking in the chains especially as temperature is increased.

Intermolecular forces and the melting point of PTFE

The melting point of PTFE is quoted as 327°C. That's quite high for a polymer of this sort - so there must be sizeable van der Waals forces between the molecules.

But . . . several web sites talk about PTFE having very weak van der Waals forces. If it had very weak van der Waals forces, it would be a gas - not a fairly high melting point solid. So we have a problem here!


Why do people claim the van der Waals forces in PTFE are weak?

van der Waals dispersion forces are caused by temporary fluctuating dipoles set up as electrons in the molecules move around. Since PTFE molecules are large, you would expect the dispersion forces to be large as well, because there are a lot of electrons which can move.

It is generally the case that the bigger the molecule, the greater the dispersion forces.

However, there is a problem with PTFE. Fluorine is so electronegative that it tends to hold the electrons in the carbon-fluorine bonds closely to itself - so closely that the electrons are prevented from moving as much as you would expect. We describe the carbon-fluorine bonds as not being very polarisable.

van der Waals forces also include dipole-dipole interactions. But in PTFE each molecule is sheathed in a layer of slightly negative fluorine atoms. The only interactions possible between molecules in this case are repulsions!

So the dispersion forces are weaker than you might expect, and dipole-dipole interactions are going to tend to cause repulsion. It is no wonder that people claim that van der Waals forces are weak in PTFE. You don't actually get repulsion because the effect of the dispersion forces outweighs that of the dipole-dipole interactions, but the net effect is that the van der Waals forces will tend to be weak.

And yet PTFE has a high melting point, and so the forces holding the molecules together must be strong.


How can PTFE have a high melting point?

PTFE is very crystalline in the sense that there are large areas where the molecules are lying in a very regular arrangement. Remember that PTFE molecules can be thought of as long thin rods. These rods will pack very closely together.

That means that although PTFE molecules can't generate really big temporary dipoles, the dipoles that are produced can be used extremely effectively.


So are the van der Waals forces in PTFE weak or strong?

I think you could argue it both ways! If you had PTFE chains arranged in such a way that the chains didn't have much close contact, then the forces between them would be weak, and the melting point would be low.

But in the real world, the molecules are closely touching. The van der Waals forces may not be as strong as they could be, but the structure of the

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เมื่อผมได้เขียนเกี่ยวกับไฟเบอร์หน้าเกี่ยวกับ polymerisation ของ alkenes ผมใช้อายุที่พยายามหาเหตุ PTFE ถูก ติด - และล้มเหลวอย่างสมบูรณ์ส่วนของข้อมูลที่พบบนเว็บผมรู้ว่าเป็นจริง หรือไม่สมเหตุผล แต่มีมวลของสิ่งซึ่ง จะเป็นแฟรงค์ ฉันก็ไม่เข้าใจ ค่อนข้างมากว่ามีอะไรบ้างเขียนขึ้น โดยนักฟิสิกส์หรืออื่น ๆ ไม่ใช่นักเคมีที่พูดภาษาแตกต่างจากฉัน ยังเหมือนกับผมว่ามีเลี้ยงเริ่มขวากลับในระดับโมเลกุล และอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นในแง่ของปฏิสัมพันธ์โมเลกุลต่อหมายเลขสนทนากับคนที่มีความรู้หลายคนผ่านปี อยู่ หวัง ตรรกะ ว่า มันคือคำอธิบายที่ดีที่จะได้รับคือ เรื่องอื่นโครงสร้างของโมเลกุล PTFEPTFE, poly(tetrafluoroethene) จะทำ โดย polymerising tetrafluoroethene โมเลกุลมากมายไดอะแกรมนี้ง่ายสำหรับไฟเบอร์ไม่แสดงโครงสร้างของโมเลกุลใน 3 มิติ ใน poly(ethene) โมเลกุลง่าย กระดูกสันหลังคาร์บอนของโมเลกุลเพียงมีอะตอมไฮโดรเจนที่แนบมา และโซ่มีความยืดหยุ่นมาก - ไม่โมเลกุลตรงแน่นอนอย่างไรก็ตาม ใน PTFE อะตอมฟลูออรีนในกลุ่ม CF2 หนึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะรบกวนผู้ที่อยู่ในกลุ่มใกล้เคียง คุณต้องจำไว้ว่า แต่ละอะตอมฟลูออรีนจะมี 3 คู่โลนแลบจากมันผลของการนี้คือการ ขัดขวางการหมุนเกี่ยวกับพันธะเดี่ยวของคาร์บอนคาร์บอน อะตอมฟลูออรีนจะมีแนวโน้มการ จัดขึ้นเพื่อให้ห่างไกลไปจาก fluorines ใกล้เคียง การหมุนจะมักจะ เกี่ยวข้องกับการปะทะของโลนคู่ระหว่าง fluorines บนอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกัน - และทำให้หมุนไม่น่ามีRepulsions การล็อกโมเลกุลเข้ารูปคันเหมือนกับ fluorines ที่จัดเป็นอ่อนโยนมาก spirals - จัดลานของ fluorines รอบแกนหลักของคาร์บอน กระบอกจะแล้วจะ แพ็คกันบิตเช่นดินสอยาวบาง ๆ ในกล่องด้วยนี้อย่างใกล้ชิดสัมผัสจัดมีผลกระทบสำคัญในกองกำลัง intermolecular คุณจะเห็นหมายเหตุ: จริง นี้เป็นที่เข้าใจง่าย คุณจะได้รับบาง kinking ในโซ่เป็นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรง intermolecular และจุดหลอมเหลวของไฟเบอร์จุดหลอมเหลวของไฟเบอร์ที่ยกมาเป็น 327 องศาเซลเซียส ที่มีค่อนข้างสูงสำหรับพอลิเมอร์ประเภทนี้ - จึงต้องมีผับ van der Waals แรงระหว่างโมเลกุลแต่...หลายเว็บไซต์พูดคุยเกี่ยวกับไฟเบอร์มีอ่อนมาก van der Waals กอง ถ้ามันอ่อนมาก van der Waals กอง มันจะไม่สูงจุดหลอมเหลวเป็นของแข็ง - ก๊าซ ดังนั้นเรามีปัญหาที่นี่ทำไมทำคนเคลมการบังคับ van der Waals ใน PTFE จะอ่อนแอแรง van der Waals กระจายมีสาเหตุ dipoles คงชั่วคราวที่ตั้งเป็นย้ายอิเล็กตรอนในโมเลกุล เนื่องจาก PTFE โมเลกุลมีขนาดใหญ่ คุณคาดหวังกระจายการบังคับจะมีขนาดใหญ่เช่นกัน เนื่องจากมีจำนวนมากของอิเล็กตรอนซึ่งสามารถเคลื่อนย้ายโดยทั่วไปในกรณีที่โมเลกุลที่ใหญ่กว่า ยิ่งกระจายตัวบังคับอย่างไรก็ตาม มีปัญหากับไฟเบอร์ ฟลูออรีนเป็น electronegative ดังนั้นที่มีแนวโน้มไปอิเล็กตรอนในพันธะคาร์บอนฟลูออรีนอย่างใกล้ชิดกับตัวเอง - อย่างใกล้ชิดว่า อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนไหวมากที่สุดเท่าที่คุณคาดหวัง เราอธิบายพันธะคาร์บอนฟลูออรีนเป็นไม่มาก polarisableแรง van der Waals รวม dipole dipole โต้ตอบด้วย แต่ใน PTFE ห่อแต่ละโมเลกุลในชั้นของอะตอมฟลูออรีนลบเล็กน้อย โต้ตอบเท่านั้นเป็นไปได้ระหว่างโมเลกุลในกรณีนี้จะ repulsionsดังนั้นกองการกระจายจะอ่อนกว่าคุณอาจคาดหวัง และโต้ตอบ dipole dipole จะมีแนวโน้มให้ เกิด repulsion จึงไม่น่าแปลกใจที่คนอ้างว่า แรง van der Waals จะอ่อนในไฟเบอร์ คุณไม่ได้รับ repulsion จริงเนื่องจากผลของการบังคับการกระจายเมื่อเทียบที่การโต้ตอบที่ dipole dipole แต่ผลสุทธิคือ ที่โรงแรง van der Waals จะมีแนวโน้มจะอ่อนแอและยัง PTFE มีจุดหลอมเหลวสูง และดังนั้น การบังคับจับโมเลกุลเข้าด้วยกันต้องแข็งแรงไฟเบอร์ได้จุดหลอมเหลวสูงอย่างไรไฟเบอร์เป็นผลึกมากในแง่ที่ว่า มีพื้นที่ขนาดใหญ่ที่การโกหกโมเลกุลในการจัดเรียงปกติมาก อย่าลืมว่า โมเลกุล PTFE สามารถคิดเป็นแท่งยาวบาง แท่งเหล่านี้จะบรรจุกันอย่างใกล้ชิดนั่นหมายความ ว่า ถึงแม้ว่าโมเลกุล PTFE ไม่สร้าง dipoles ชั่วใหญ่จริง ๆ dipoles ที่ผลิตสามารถใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากดังนั้นกองกำลัง van der Waals ใน PTFE อ่อนแอ หรือแข็งแรงผมคิดว่า คุณอาจทะเลาะกันได้ทั้งสองวิธี ถ้าคุณมีโซ่ PTFE ที่จัดในลักษณะว่า โซ่ไม่ได้มีมากติดต่อ แล้วการบังคับระหว่างพวกเขาจะอ่อนแอ และจุดหลอมเหลวจะต่ำแต่ในโลกจริง โมเลกุลจะใกล้ชิดสัมผัส โรงแรง van der Waals อาจไม่แข็งแรงพวกเขาอาจจะเป็น แต่โครงสร้างของการ

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เมื่อผมเขียนเกี่ยวกับ PTFE บนหน้าเกี่ยวกับโพลิเมอร์ของแอลคีนที่ผมใช้เวลาทุกเพศทุกวัยพยายามที่จะหาเหตุผลว่าทำไม PTFE ก็ไม่ติด - และล้มเหลวอย่างสิ้นเชิง. เป็นส่วนหนึ่งของข้อมูลที่ผมพบในเว็บฉันรู้ว่าจะเป็นเรื่องจริงหรือไร้เหตุผล แต่ มีมวลของสิ่งที่จะตรงไปตรงผมก็ไม่เข้าใจ ค่อนข้างมากของสิ่งที่ออกมีที่เขียนโดยนักฟิสิกส์นักเคมีหรืออื่น ๆ ที่ไม่ใช่ที่พูดภาษาแตกต่างกันมากจากฉัน! นอกจากนี้ยังดูเหมือนกับผมว่ามีความลังเลที่จะเริ่มต้นได้กลับมาที่ระดับโมเลกุลและอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นในแง่ของการมีปฏิสัมพันธ์ในระดับโมเลกุล. ตามจำนวนของการอภิปรายกับผู้คนที่มีความรู้ต่าง ๆ ในช่วงปีที่ผ่านมาสิ่งที่ตามมาคือผมหวังว่า ตรรกะ ไม่ว่าจะเป็นยังคำอธิบายที่ดีที่สุดที่จะได้รับเป็นเรื่องอื่น. โครงสร้างของโมเลกุล PTFE PTFE โพลี (tetrafluoroethene) จะทำโดย polymerising จำนวนมากของโมเลกุล tetrafluoroethene. นี้แผนภาพที่ง่ายสำหรับ PTFE ไม่แสดงโครงสร้าง 3 มิติ ของโมเลกุล ในโพลีโมเลกุลง่าย (ethene) กระดูกสันหลังของโมเลกุลคาร์บอนเพียงแค่มีอะตอมไฮโดรเจนที่แนบมากับมันและห่วงโซ่มีความยืดหยุ่นมาก -. แน่นอนมันไม่ได้เป็นโมเลกุลตรงอย่างไรก็ตามใน PTFE, อะตอมฟลูออรีนในกลุ่ม CF2 หนึ่ง มีขนาดใหญ่พอที่จะยุ่งเกี่ยวกับผู้ที่อยู่ในกลุ่มที่อยู่ใกล้เคียง คุณต้องจำไว้ว่าแต่ละฟลูออรีนอะตอมจะมี 3 คู่เดียวที่ยื่นออกมาจากมัน. ผลของการนี้คือการยับยั้งการหมุนเกี่ยวกับพันธะเดี่ยวคาร์บอนคาร์บอน อะตอมฟลูออรีนจะมีแนวโน้มที่จะสายขึ้นเพื่อให้พวกเขาห่างที่สุดเท่าที่เป็นไปได้จาก fluorines ใกล้เคียง การหมุนจะมีแนวโน้มที่จะเกี่ยวข้องกับการปะทะกันของคู่เดียวระหว่าง fluorines ในอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกัน - และสิ่งนี้ทำให้การหมุนที่ไม่เอื้ออำนวยขะมักเขม้น. repulsions ล็อคโมเลกุลเป็นรูปคันเช่นเดียวกับ fluorines จัดลงไปในเกลียวอ่อนโยนมาก - การจัดลานของ fluorines รอบกระดูกสันหลังคาร์บอน . แท่งแล้วจะมีแนวโน้มที่จะแพ็คร่วมกันบิตเช่นดินสอยาวบางในกล่องนี้จัดสัมผัสอย่างใกล้ชิดมีผลกระทบที่สำคัญเกี่ยวกับแรงระหว่างโมเลกุลเป็นคุณจะเห็น. หมายเหตุ: ที่จริงนี่คือความเรียบง่าย คุณจะได้รับ kinking บางอย่างในโซ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น. แรงระหว่างโมเลกุลและจุดหลอมเหลวของ PTFE จุดหลอมละลายของ PTFE จะยกมาเป็น 327 ° C ที่ค่อนข้างสูงสำหรับลิเมอร์ของการจัดเรียงนี้ -. จึงต้องมีขนาดใหญ่แวนเดอร์ Waals กองกำลังระหว่างโมเลกุลแต่ . . เว็บไซต์หลายพูดคุยเกี่ยวกับ PTFE มีอ่อนแอมากแวนเดอร์ Waals กองกำลัง ถ้ามันอ่อนแอมากแวนเดอร์ Waals กองกำลังก็จะเป็นก๊าซ - ไม่ได้เป็นจุดหลอมละลายที่ค่อนข้างสูงที่เป็นของแข็ง ดังนั้นเราจึงมีปัญหาที่นี่แล้ว! ทำไมคนเรียกร้องแวนเดอร์ Waals กองกำลังใน PTFE อ่อนแอ? แวนเดอร์ Waals กองกำลังกระจายตัวที่เกิดจากความผันผวนไดโพลชั่วคราวตั้งค่าเป็นอิเล็กตรอนในโมเลกุลย้ายไปรอบ ๆ เนื่องจากโมเลกุล PTFE ที่มีขนาดใหญ่ที่คุณคาดหวังกองกำลังกระจายตัวจะมีขนาดใหญ่เป็นอย่างดีเพราะมีจำนวนมากของอิเล็กตรอนซึ่งสามารถย้าย. มันเป็นเรื่องปกติกรณีที่โมเลกุลขนาดใหญ่มากขึ้นกองกำลังกระจาย. แต่มี ปัญหากับ PTFE ฟลูออรีนจึงเป็นขั้วลบว่ามันมีแนวโน้มที่จะถืออิเล็กตรอนในพันธบัตรคาร์บอนฟลูออรีนอย่างใกล้ชิดกับตัวเอง - อย่างใกล้ชิดว่าอิเล็กตรอนจะมีการป้องกันจากการย้ายมากที่สุดเท่าที่คุณจะคาดหวัง เราอธิบายพันธบัตรคาร์บอนฟลูออรีนที่จะไม่เป็น polarisable มาก. แวนเดอร์ Waals กองกำลัง ได้แก่ ปฏิสัมพันธ์ขั้วไดโพล แต่ในแต่ละโมเลกุล PTFE ห่อหุ้มในชั้นของอะตอมฟลูออรีนเชิงลบเล็กน้อย ปฏิสัมพันธ์เพียงเป็นไปได้ระหว่างโมเลกุลในกรณีนี้มี repulsions! ดังนั้นกองกำลังกระจายอ่อนแอกว่าที่คุณอาจคาดหวังและการมีปฏิสัมพันธ์ขั้วไดโพลจะมีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดการขับไล่ มันไม่น่าแปลกใจว่าคนที่อ้างว่าฟานเดอร์ Waals กองกำลังมีความอ่อนแอใน PTFE คุณไม่ได้รับจริงเขม่นเพราะผลของกองกำลังกระจายตัวเมื่อเทียบกับที่ของปฏิสัมพันธ์ขั้วไดโพล แต่ผลกำไรเป็นที่ฟานเดอร์ Waals กองกำลังจะมีแนวโน้มที่จะอ่อนแอ. และยัง PTFE มีจุดหลอมเหลวสูงและ เพื่อให้กองกำลังถือโมเลกุลด้วยกันต้องมีความแข็งแรง. วิธี PTFE สามารถมีจุดหลอมเหลวสูง? PTFE เป็นผลึกมากในความรู้สึกที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ที่โมเลกุลจะนอนอยู่ในการจัดปกติมาก โปรดจำไว้ว่าโมเลกุล PTFE อาจจะคิดว่าเป็นแท่งยาวบาง แท่งเหล่านี้จะแพ็คอย่างใกล้ชิดร่วมกัน. นั่นหมายความว่าถึงแม้จะโมเลกุล PTFE ไม่สามารถสร้างสนามชั่วคราวใหญ่จริงๆไดโพลที่มีการผลิตสามารถนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด. เพื่อให้มีแวนเดอร์ Waals กองกำลังใน PTFE อ่อนแอหรือแข็งแรง? ผมคิดว่าคุณ ก็อาจจะแย้งมันทั้งสอง! ถ้าคุณได้โซ่ PTFE จัดในลักษณะที่โซ่ไม่ได้มีการติดต่อใกล้ชิดมากแล้วกองกำลังระหว่างพวกเขาจะอ่อนแอและจุดหลอมเหลวจะต่ำ. แต่ในโลกแห่งความจริงโมเลกุลที่มีการสัมผัสอย่างใกล้ชิด รถตู้ der Waals แรงอาจจะไม่แข็งแรงเท่าที่พวกเขาอาจจะ แต่โครงสร้างของ