Mga Intermolecular Force: Boiling Point, Vapor Pressure, at Solubility

Mga atraksyon sa pagitan ng mga molecule, hindi mga bond sa loob ng mga ito

Pinagsasama ng mga covalent bond ang mga atom ng isang molecule. Ang mga intermolecular force (IMF) ay ang mas mahihinang atraksyon sa pagitan ng magkakahiwalay na molecule, at ang mga ito ang dapat madaig kapag kumukulo ang likido o natutunaw ang solido. Kapag kumukulo ang tubig, ang gas na nabubuo ay binubuo pa rin ng mga molecule ng H₂O; walang mga bond ng O–H na nasira. Ang mga atraksyon lang sa pagitan ng magkakapitbahay na molecule ang nagagambala.

Dahil ang mga puwersang ito ang namamahala kung gaano kahigpit ang pagkapit ng mga molecule sa isa't isa, sabay nilang kinokontrol ang isang hanay ng mga pisikal na katangian. Ang mas malalakas na IMF ay karaniwang nangangahulugan ng mas mataas na boiling point, mas mataas na enthalpy of vaporization, mas mababang vapor pressure sa isang temperatura, at madalas ay mas mataas na viscosity at surface tension. Kung kaya mong i-rank ang mga IMF, karaniwang kaya mong i-rank ang lahat ng ito nang sabay.

Mga puwersa ng London dispersion sa bawat substansiya

Lumilitaw ang mga dispersion force dahil nagbabago-bago ang distribusyon ng electron. Sa anumang sandali, maaaring bahagyang hindi pantay ang mga electron sa isang molecule, na lumilikha ng pansamantalang dipole na nag-iinduce ng katugmang dipole sa kapitbahay. Sandaling nag-aakit ang dalawa, at umuulit ang pattern sa buong likido. Nararanasan ng bawat atom at molecule ang mga dispersion force, polar man o hindi.

Nakadepende ang lakas ng mga dispersion force sa polarizability, ibig sabihin kung gaano kadaling mabaluktot ang ulap ng electron. Ang mas malalaking molecule na mas maraming electron ay mas polarizable, kaya karaniwang tumataas ang mga dispersion force kasabay ng molar mass sa loob ng pamilya ng magkakatulad na compound. Mahalaga rin ang hugis: ang mahahaba at pinahabang molecule ay may mas maraming ibabaw na nakakadikit sa mga kapitbahay kaysa sa mga siksik at may sanga na may parehong formula, kaya mas malakas ang pag-akit nila sa isa't isa.

Huwag maliitin ang dispersion. Sa mga malalaking molecule, madalas ito ang pinakamalaking ambag sa kabuuang atraksyon, kahit polar din ang molecule.

Mga atraksyon ng dipole–dipole at hydrogen bonding

May permanenteng dipole ang mga polar na molecule, kaya sa likido ay may hilig silang mag-orient na ang bahagyang positibong dulo ng isang molecule ay malapit sa bahagyang negatibong dulo ng isa pa. Idinaragdag ang dipole–dipole na atraksyong ito sa mga dispersion force na laging naroroon. Ang pagpapasya kung polar ang molecule ay nangangailangan ng polarity ng mga bond at ng hugis nito.

Ang hydrogen bonding ay lalong malakas na dipole–dipole na atraksyon. Nangangailangan ito ng atom ng hydrogen na covalent na nakabond sa nitrogen, oxygen, o fluorine (ang donor) at lone pair sa kalapit na atom ng N, O, o F (ang acceptor). Ang napakapolar na bond ng N–H, O–H, o F–H ay nag-iiwan sa maliit na atom ng hydrogen ng malaking bahagyang positibong karga na maaaring lumapit nang malapit sa lone pair ng acceptor.

Maaaring maging acceptor ang isang molecule nang hindi donor. Ang acetone, (CH₃)₂CO, ay may lone pair sa oxygen ngunit lahat ng hydrogen nito ay nakabond sa carbon, kaya hindi makakapag-hydrogen bond ang mga molecule ng acetone sa isa't isa. Gayunman, maaari silang tumanggap ng mga hydrogen bond mula sa tubig, na isa sa mga dahilan kung bakit humahalo ang acetone sa tubig sa lahat ng proporsyon.

Mga puwersa ng ion–dipole at pagtunaw ng mga ionic na solido

Kapag natutunaw sa tubig ang ionic na solido, ang bawat ion ay napapaligiran ng mga molecule ng tubig na nakaharap dito: ang bahagyang negatibong dulo ng oxygen ay nakaharap sa mga cation, at ang bahagyang positibong dulo ng hydrogen ay nakaharap sa mga anion. Naglalabas ang ion–dipole na atraksyong ito ng sapat na enerhiya para mabawi ang malaking bahagi ng enerhiyang kailangan para ihiwalay ang mga ion mula sa kristal. Mas malakas ang atraksyon para sa mga ion na mas mataas ang karga at mas maliit ang laki.

Ipinapaliwanag ng mga ion–dipole force kung bakit madaling natutunaw ang potassium bromide sa tubig ngunit halos hindi sa hexane, na walang dipole na aakit sa mga ion. Binubuod ito ng pangkalahatang tuntuning "like dissolves like": pinakamahusay na natutunaw ang mga substansiya sa mga solvent na ang mga intermolecular force ay kahawig ng sa kanila. Ang iodine, isang nonpolar na molecule, ay mahusay na natutunaw sa hexane, kung saan maihahambing ang mga dispersion force sa pagitan ng solute at solvent sa mga nasa loob ng bawat purong substansiya.

Halimbawang may solusyon: tatlong likidong halos magkapareho ang molar mass

I-rank ang butane (CH₃CH₂CH₂CH₃), acetone ((CH₃)₂CO), at 1-propanol (CH₃CH₂CH₂OH) ayon sa boiling point. Ihambing muna ang mga molar mass, gamit ang mga standard atomic weight ng IUPAC na naka-round sa dalawang decimal place (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Butane, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Acetone, 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. Wala pang 4% ang pagkakaiba ng mga masa, kaya halos magkapareho ang dapat na mga dispersion force at manggagaling sa polarity ang mga pagkakaiba.

Susunod, uriin ang mga puwersa. Ang butane ay naglalaman lang ng mga bond ng C–C at C–H at halos nonpolar, kaya mga dispersion force lang ang mayroon ito. Ang acetone ay may polar na bond ng C=O sa trigonal planar na ayos na hindi nagkakansela, kaya nagdaragdag ito ng mga dipole–dipole force, ngunit wala itong bond ng O–H at hindi makapagbibigay ng mga hydrogen bond. Ang 1-propanol ay may grupong O–H, kaya nagdaragdag ito ng hydrogen bonding. Ang hula ay butane < acetone < 1-propanol.

Inililista ng NIST Chemistry WebBook ang mga normal na boiling point na mga 273 K (0 °C) para sa butane, 329.3 K (56.2 °C) para sa acetone, at 370.3 K (97.2 °C) para sa 1-propanol, na kino-convert gamit ang T(°C) = T(K) − 273.15. Tugma sa hula ang pagkakasunod-sunod. Ang parehong pangangatwiran ay nagra-rank ng vapor pressure sa temperatura ng silid sa kabaligtarang pagkakasunod: gas ang butane sa 25 °C, mabilis sumingaw ang acetone, at mas mabagal sumingaw ang 1-propanol.

Halimbawang may solusyon: kapag mas matimbang ang laki ng molecule kaysa sa dipole

Ngayon ay ihambing ang diethyl ether ((C₂H₅)₂O), 1-butanol (CH₃CH₂CH₂CH₂OH), at hexane (C₆H₁₄). Ang diethyl ether at 1-butanol ay mga isomer, parehong C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Mas mabigat ang hexane: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Polar ang diethyl ether ngunit walang bond ng O–H, ang 1-butanol ay makakapag-hydrogen bond, at nonpolar ang hexane.

Sa pagitan ng dalawang isomer, hydrogen bonding ang nagpapasya: dapat kumulo ang 1-butanol nang mas mataas nang malayo kaysa sa diethyl ether. Ang hexane ang nakapagtuturong kaso. Ilalagay ito sa huli ng argumentong polarity lang, ngunit mas malaki ang hexane, mas maraming electron, at isang pinahabang kadena, kaya mas malaki ang mga dispersion force nito kaysa sa dispersion ng ether kasama ang mahina nitong dipole–dipole na atraksyon.

Pinagtitibay ito ng mga halaga ng NIST: diethyl ether 307.7 K (34.6 °C), hexane 341.9 K (68.8 °C), at 1-butanol 390.6 K (mga 117 °C). Ang aral: pinakaligtas ang mga paghahambing ng polarity sa pagitan ng mga molecule na magkahawig ang laki. Kapag malaki ang pagkakaiba ng laki, isaalang-alang muna ang dispersion at saka itanong kung sapat ba ang lakas ng dipole o hydrogen bonding para baligtarin ito. Sumusunod din ang solubility sa mga puwersa: halos hindi natutunaw ang hexane sa tubig, habang ang 1-butanol, na makakapag-hydrogen bond sa tubig, ay bahagyang natutunaw.

Mga error na dapat iwasan sa paghahambing ng mga intermolecular force

Bago mag-rank, ilista ang bawat puwersang mayroon ang bawat substansiya sa halip na ang pinakamalakas lang, at itala ang mga molar mass. Pinipigilan nito ang pinakakaraniwang pagkakamali, ang paghahambing lang ng mga label tulad ng "polar" at "nonpolar" habang hindi pinapansin ang laki.

Paulit-ulit na lumilitaw ang mga error sa ibaba sa mga paliwanag tungkol sa boiling point at solubility.

• Pagsasabing sinisira ng pagkulo ang mga covalent bond. Naghihiwalay ang mga molecule sa pagkulo; nananatiling buo ang mga molecule.
• Pag-aangking may hydrogen bonding ang anumang molecule na may hydrogen. Dapat nakabond ang hydrogen sa N, O, o F.
• Pagturing sa mga nonpolar na substansiya na walang intermolecular force. May mga dispersion force ang lahat ng substansiya.
• Pag-rank ng mga molecule na malayong magkaiba ang laki batay lang sa polarity, tulad ng ipinapakita ng halimbawa ng hexane.
• Pagbabaligtad ng trend ng vapor pressure. Ang mas malalakas na IMF ay nangangahulugang mas mababang vapor pressure at mas mataas na boiling point.
• Pagturing sa "like dissolves like" na batas sa halip na gabay lang. Nakadepende rin ang solubility sa entropy at temperatura.