Molekullararası qüvvələr: qaynama temperaturu, buxar təzyiqi və həllolma

Molekullar arasındakı cazibə, içindəki rabitələr deyil

Kovalent rabitələr molekulun atomlarını bir yerdə saxlayır. Molekullararası qüvvələr (MMQ) ayrı molekullar arasındakı daha zəif cazibədir və maye qaynayanda və ya bərk maddə əriyəndə aradan qaldırılmalı olan məhz bunlardır. Su qaynayanda əmələ gələn qaz hələ də H₂O molekullarından ibarətdir; heç bir O–H rabitəsi qırılmır. Yalnız qonşu molekullar arasındakı cazibə pozulur.

Bu qüvvələr molekulların bir-birinə nə qədər güclü yapışdığını idarə etdiyindən, bir sıra fiziki xassələri birlikdə müəyyən edirlər. Daha güclü MMQ ümumiyyətlə daha yüksək qaynama temperaturu, daha yüksək buxarlanma entalpiyası, verilmiş temperaturda daha aşağı buxar təzyiqi və çox vaxt daha yüksək özlülük və səth gərilməsi deməkdir. MMQ-ni sıralaya bilsəniz, adətən bunların hamısını eyni anda sıralaya bilərsiniz.

Hər maddədə London dispersiya qüvvələri

Dispersiya qüvvələri elektron paylanmalarının dalğalanması nəticəsində yaranır. İstənilən anda molekuldakı elektronlar bir qədər qeyri-bərabər ola bilər və qonşuda uyğun dipol induksiya edən müvəqqəti dipol yaradır. İkisi qısa müddət cəzb edir və naxış bütün mayedə təkrarlanır. Hər atom və molekul, polyar olsun-olmasın, dispersiya qüvvələrini yaşayır.

Dispersiya qüvvələrinin gücü polyarlaşma qabiliyyətindən, yəni elektron buludunun nə qədər asan deformasiya olunduğundan asılıdır. Daha çox elektronu olan böyük molekullar daha çox polyarlaşır, buna görə dispersiya qüvvələri oxşar birləşmələr ailəsində ümumiyyətlə molyar kütlə ilə artır. Forma da vacibdir: uzun, uzanmış molekulların eyni düsturlu yığcam, budaqlanmış molekullara nisbətən qonşuları ilə təmasda daha çox səthi var, buna görə bir-birini daha güclü cəzb edirlər.

Dispersiyanın əhəmiyyətini az qiymətləndirməyin. Böyük molekullarda molekul polyar olsa belə, çox vaxt ümumi cazibəyə ən böyük töhfədir.

Dipol–dipol cazibəsi və hidrogen rabitəsi

Polyar molekulların daimi dipolları var, buna görə mayedə bir molekulun qismən müsbət ucunun digərinin qismən mənfi ucuna yaxın olması üçün istiqamətlənməyə meyllidirlər. Bu dipol–dipol cazibəsi həmişə mövcud olan dispersiya qüvvələrinə əlavə olunur. Molekulun polyar olub-olmadığına qərar vermək həm rabitə polyarlıqlarını, həm də formanı tələb edir.

Hidrogen rabitəsi xüsusilə güclü dipol–dipol cazibəsidir. O, azot, oksigen və ya flüora kovalent bağlı hidrogen atomunu (donor) və yaxınlıqdakı N, O və ya F atomundakı paylaşılmamış cütü (akseptor) tələb edir. Çox polyar N–H, O–H və ya F–H rabitəsi kiçik hidrogen atomuna böyük qismən müsbət yük verir və bu, akseptorun paylaşılmamış cütünə yaxından yaxınlaşa bilir.

Molekul donor olmadan akseptor ola bilər. Asetonun, (CH₃)₂CO, oksigendə paylaşılmamış cütü var, lakin bütün hidrogenləri karbona bağlıdır, buna görə aseton molekulları bir-biri ilə hidrogen rabitəsi yarada bilməz. Lakin onlar sudan hidrogen rabitələrini qəbul edə bilər və bu, asetonun su ilə hər nisbətdə qarışmasının səbəblərindən biridir.

İon–dipol qüvvələri və ion bərk maddələrin həll olması

İon bərk maddə suda həll olduqda hər ion ona doğru yönəlmiş su molekulları ilə əhatə olunur: qismən mənfi oksigen uclarının kationlara, qismən müsbət hidrogen uclarının isə anionlara baxdığı halda. Bu ion–dipol cazibəsi ionları kristaldan ayırmaq üçün lazım olan enerjinin çox hissəsini kompensasiya edəcək qədər enerji ayırır. Cazibə yükü daha yüksək və ölçüsü daha kiçik olan ionlar üçün daha güclüdür.

İon–dipol qüvvələri kalium bromidin suda asanlıqla, ionları cəzb edəcək dipolu olmayan heksanda isə demək olar ki, heç həll olmadığını izah edir. “Bənzər bənzəri həll edir” ümumi qaydası bunu ümumiləşdirir: maddələr molekullararası qüvvələri öz qüvvələrinə oxşar olan həlledicilərdə ən yaxşı həll olur. Qeyri-polyar molekul olan iod heksanda yaxşı həll olur; orada həll olan maddə ilə həlledici arasındakı dispersiya qüvvələri hər təmiz maddənin daxilindəkilərlə müqayisə edilə biləndir.

Həll olunmuş nümunə: molyar kütləsi demək olar ki, eyni olan üç maye

Butanı (CH₃CH₂CH₂CH₃), asetonu ((CH₃)₂CO) və 1-propanolu (CH₃CH₂CH₂OH) qaynama temperaturuna görə sıralayın. Əvvəlcə İKYTB-nin (IUPAC) iki onluq mərtəbəyə yuvarlaqlaşdırılmış standart atom kütlələrindən (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) istifadə edərək molyar kütlələri müqayisə edin. Butan, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Aseton, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-Propanol, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Kütlələr 4%-dən az fərqlənir, buna görə dispersiya qüvvələri təxminən oxşar olmalıdır və fərqlər polyarlıqdan gələcək.

Sonra qüvvələri təsnif edin. Butanda yalnız C–C və C–H rabitələri var və mahiyyətcə qeyri-polyardır, buna görə yalnız dispersiya qüvvələri var. Asetonda trigonal müstəvi düzülüşdə polyar C=O rabitəsi var və o, ləğv olunmur, buna görə dipol–dipol qüvvələri əlavə edir, lakin O–H rabitəsi yoxdur və hidrogen rabitəsi verə bilməz. 1-Propanolda O–H qrupu var, buna görə hidrogen rabitəsi əlavə edir. Proqnoz butan < aseton < 1-propanoldur.

NIST Chemistry WebBook normal qaynama temperaturlarını butan üçün təxminən 273 K (0 °C), aseton üçün 329.3 K (56.2 °C), 1-propanol üçün isə 370.3 K (97.2 °C) verir, T(°C) = T(K) − 273.15 ilə çevrilir. Sıra proqnoza uyğundur. Eyni əsaslandırma otaq temperaturunda buxar təzyiqini əks sırada düzür: butan 25 °C-də qazdır, aseton tez buxarlanır, 1-propanol isə daha yavaş buxarlanır.

Həll olunmuş nümunə: molekul ölçüsü dipoldan üstün gəldikdə

İndi dietil efiri ((C₂H₅)₂O), 1-butanolu (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) və heksanı (C₆H₁₄) müqayisə edin. Dietil efir və 1-butanol izomerlərdir, hər ikisi C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Heksan daha ağırdır: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Dietil efir polyardır, lakin O–H rabitəsi yoxdur, 1-butanol hidrogen rabitəsi yarada bilər, heksan isə qeyri-polyardır.

İki izomer arasında hidrogen rabitəsi həll edir: 1-butanol dietil efirdən xeyli yüksəkdə qaynamalıdır. Heksan öyrədici haldır. Yalnız polyarlığa əsaslanan arqument onu sonuncu qoyardı, lakin heksan daha böyükdür, daha çox elektronu var və uzanmış zəncirdir, buna görə onun dispersiya qüvvələri efirin dispersiya qüvvələri ilə zəif dipol–dipol cazibəsinin cəmindən böyükdür.

NIST qiymətləri bunu təsdiqləyir: dietil efir 307.7 K (34.6 °C), heksan 341.9 K (68.8 °C) və 1-butanol 390.6 K (təxminən 117 °C). Dərs budur ki, polyarlıq müqayisələri oxşar ölçülü molekullar arasında ən etibarlıdır. Ölçülər xeyli fərqləndikdə əvvəlcə dispersiyanı nəzərdən keçirin, sonra dipolun və ya hidrogen rabitəsinin onu üstələyəcək qədər güclü olub-olmadığını soruşun. Həllolma da qüvvələrə tabedir: heksan suda mahiyyətcə həll olmur, su ilə hidrogen rabitəsi yarada bilən 1-butanol isə qismən həll olur.

Molekullararası qüvvələri müqayisə edərkən qaçınılmalı səhvlər

Sıralamadan əvvəl yalnız ən güclü qüvvəni deyil, hər maddənin malik olduğu bütün qüvvələri sadalayın və molyar kütlələri qeyd edin. Bu, ən ümumi səhvin, yəni ölçünü nəzərə almadan yalnız “polyar” və “qeyri-polyar” kimi etiketləri müqayisə etməyin qarşısını alır.

Aşağıdakı səhvlər qaynama temperaturu və həllolma izahlarında dəfələrlə təkrarlanır.

• Qaynamanın kovalent rabitələri qırdığını demək. Qaynama molekulları ayırır; molekullar bütöv qalır.
• Hidrogen tərkibli hər molekulda hidrogen rabitəsi olduğunu iddia etmək. Hidrogen N, O və ya F-a bağlı olmalıdır.
• Qeyri-polyar maddələrə molekullararası qüvvələri olmayan kimi yanaşmaq. Bütün maddələrdə dispersiya qüvvələri var.
• Ölçüsü çox fərqli molekulları yalnız polyarlığa görə sıralamaq, heksan nümunəsinin göstərdiyi kimi.
• Buxar təzyiqi tendensiyasını tərsinə çevirmək. Daha güclü MMQ daha aşağı buxar təzyiqi və daha yüksək qaynama temperaturu deməkdir.
• “Bənzər bənzəri həll edir” prinsipinə qanun kimi, əsl əməli qayda əvəzinə, yanaşmaq. Həllolma entropiyadan və temperaturdan da asılıdır.