अंतरा-आणविक बल: क्वथनांक, वाष्प दाब और विलेयता

अणुओं के बीच आकर्षण, उनके भीतर के आबंध नहीं

सहसंयोजी आबंध अणु के परमाणुओं को साथ बाँधे रखते हैं। अंतरा-आणविक बल (IMF) अलग-अलग अणुओं के बीच के कहीं अधिक दुर्बल आकर्षण हैं, और द्रव के उबलने या ठोस के पिघलने पर इन्हीं को पार करना पड़ता है। जब जल उबलता है, तो बनने वाली गैस अब भी H₂O अणुओं से बनी होती है; कोई O–H आबंध नहीं टूटता। केवल पड़ोसी अणुओं के बीच के आकर्षण भंग होते हैं।

क्योंकि ये बल तय करते हैं कि अणु एक-दूसरे से कितनी प्रबलता से चिपके रहते हैं, वे मिलकर भौतिक गुणों के एक समूह को नियंत्रित करते हैं। प्रबल IMF का आमतौर पर अर्थ है ऊँचा क्वथनांक, ऊँची वाष्पन एन्थैल्पी, दिए गए ताप पर कम वाष्प दाब, और अक्सर अधिक श्यानता तथा पृष्ठ तनाव। यदि आप IMF का क्रम बना सकते हैं, तो आमतौर पर इन सबका क्रम एक साथ बना सकते हैं।

हर पदार्थ में लंडन परिक्षेपण बल

परिक्षेपण बल इसलिए उत्पन्न होते हैं कि इलेक्ट्रॉन वितरण में उतार-चढ़ाव होता है। किसी भी क्षण अणु के इलेक्ट्रॉन थोड़े असमान हो सकते हैं, जिससे अस्थायी द्विध्रुव बनता है जो पड़ोसी में संगत द्विध्रुव प्रेरित करता है। दोनों थोड़ी देर के लिए आकर्षित होते हैं, और यह पैटर्न पूरे द्रव में दोहराया जाता है। हर परमाणु और अणु परिक्षेपण बल अनुभव करता है, ध्रुवीय हो या न हो।

परिक्षेपण बलों की प्रबलता ध्रुवणीयता पर निर्भर करती है, यानी इलेक्ट्रॉन बादल को कितनी आसानी से विकृत किया जा सकता है। अधिक इलेक्ट्रॉनों वाले बड़े अणु अधिक ध्रुवणीय होते हैं, इसलिए समान यौगिकों के परिवार में परिक्षेपण बल आमतौर पर मोलर द्रव्यमान के साथ बढ़ते हैं। आकृति भी मायने रखती है: लंबे, फैले हुए अणुओं की उसी सूत्र वाले सघन, शाखित अणुओं की तुलना में पड़ोसियों से संपर्क में अधिक सतह होती है, इसलिए वे एक-दूसरे को अधिक प्रबलता से आकर्षित करते हैं।

परिक्षेपण को कम न आँकें। बड़े अणुओं में यह अक्सर कुल आकर्षण का सबसे बड़ा योगदान होता है, भले ही अणु ध्रुवीय भी हो।

द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण और हाइड्रोजन आबंधन

ध्रुवीय अणुओं में स्थायी द्विध्रुव होते हैं, इसलिए द्रव में वे इस तरह उन्मुख होने की प्रवृत्ति रखते हैं कि एक अणु का आंशिक धनात्मक सिरा दूसरे के आंशिक ऋणात्मक सिरे के पास हो। यह द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण हमेशा मौजूद परिक्षेपण बलों में जुड़ता है। यह तय करने के लिए कि अणु ध्रुवीय है या नहीं, उसकी आबंध ध्रुवणताएँ और आकृति दोनों चाहिए।

हाइड्रोजन आबंधन विशेष रूप से प्रबल द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण है। इसके लिए नाइट्रोजन, ऑक्सीजन या फ़्लुओरीन से सहसंयोजी रूप से जुड़ा हाइड्रोजन परमाणु (दाता) और पास के N, O या F परमाणु पर एकाकी युग्म (ग्राही) चाहिए। अत्यंत ध्रुवीय N–H, O–H या F–H आबंध छोटे हाइड्रोजन परमाणु पर बड़ा आंशिक धनात्मक आवेश छोड़ता है जो ग्राही के एकाकी युग्म के निकट पहुँच सकता है।

अणु दाता हुए बिना ग्राही हो सकता है। ऐसीटोन, (CH₃)₂CO, में ऑक्सीजन पर एकाकी युग्म है पर उसके सभी हाइड्रोजन कार्बन से जुड़े हैं, इसलिए ऐसीटोन के अणु आपस में हाइड्रोजन आबंध नहीं बना सकते। फिर भी वे जल से हाइड्रोजन आबंध ग्रहण कर सकते हैं, जो एक कारण है कि ऐसीटोन जल के साथ हर अनुपात में मिल जाता है।

आयन–द्विध्रुव बल और आयनिक ठोसों का घुलना

जब आयनिक ठोस जल में घुलता है, तो हर आयन जल के अणुओं से घिर जाता है जो उसकी ओर उन्मुख होते हैं: आंशिक ऋणात्मक ऑक्सीजन सिरे धनायनों की ओर और आंशिक धनात्मक हाइड्रोजन सिरे ऋणायनों की ओर होते हैं। यह आयन–द्विध्रुव आकर्षण इतनी ऊर्जा मुक्त करता है कि क्रिस्टल से आयनों को अलग करने के लिए चाहिए ऊर्जा का बड़ा भाग संतुलित हो जाता है। यह आकर्षण अधिक आवेश और छोटे आकार के आयनों के लिए प्रबल होता है।

आयन–द्विध्रुव बल समझाते हैं कि पोटैशियम ब्रोमाइड जल में आसानी से क्यों घुलता है पर हेक्सेन में लगभग बिल्कुल नहीं, जिसमें आयनों को आकर्षित करने वाला कोई द्विध्रुव नहीं है। सामान्य नियम "समान समान को घोलता है" इसका सार है: पदार्थ उन विलायकों में सबसे अच्छी तरह घुलते हैं जिनके अंतरा-आणविक बल उनके अपने बलों जैसे हों। आयोडीन, एक अध्रुवीय अणु, हेक्सेन में अच्छी तरह घुलता है, जहाँ विलेय और विलायक के बीच परिक्षेपण बल हर शुद्ध पदार्थ के भीतर के बलों के तुलनीय होते हैं।

हल किया गया उदाहरण: लगभग समान मोलर द्रव्यमान वाले तीन द्रव

ब्यूटेन (CH₃CH₂CH₂CH₃), ऐसीटोन ((CH₃)₂CO) और 1-प्रोपेनॉल (CH₃CH₂CH₂OH) को क्वथनांक के क्रम में रखें। पहले मोलर द्रव्यमानों की तुलना करें, दो दशमलव स्थानों तक पूर्णांकित IUPAC मानक परमाणु भार (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) का उपयोग करते हुए। ब्यूटेन, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol। ऐसीटोन, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol। 1-प्रोपेनॉल, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol। द्रव्यमानों में 4% से कम अंतर है, इसलिए परिक्षेपण बल लगभग समान होने चाहिए और अंतर ध्रुवणता से आएँगे।

इसके बाद बलों को वर्गीकृत करें। ब्यूटेन में केवल C–C और C–H आबंध हैं और वह मूलतः अध्रुवीय है, इसलिए उसमें केवल परिक्षेपण बल हैं। ऐसीटोन में त्रिकोणीय समतलीय व्यवस्था में ध्रुवीय C=O आबंध है जो निरस्त नहीं होता, इसलिए वह द्विध्रुव–द्विध्रुव बल जोड़ता है, पर उसमें कोई O–H आबंध नहीं है और वह हाइड्रोजन आबंध दे नहीं सकता। 1-प्रोपेनॉल में O–H समूह है, इसलिए वह हाइड्रोजन आबंधन जोड़ता है। पूर्वानुमान है ब्यूटेन < ऐसीटोन < 1-प्रोपेनॉल।

NIST Chemistry WebBook सामान्य क्वथनांक ब्यूटेन के लगभग 273 K (0 °C), ऐसीटोन के 329.3 K (56.2 °C) और 1-प्रोपेनॉल के 370.3 K (97.2 °C) सूचीबद्ध करती है, T(°C) = T(K) − 273.15 से बदलने पर। क्रम पूर्वानुमान से मेल खाता है। वही तर्क कमरे के ताप पर वाष्प दाब का क्रम उलटी दिशा में बनाता है: ब्यूटेन 25 °C पर गैस है, ऐसीटोन तेज़ी से वाष्पित होता है, और 1-प्रोपेनॉल अधिक धीरे वाष्पित होता है।

हल किया गया उदाहरण: जब आणविक आकार द्विध्रुव पर भारी पड़ता है

अब डाइएथिल ईथर ((C₂H₅)₂O), 1-ब्यूटेनॉल (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) और हेक्सेन (C₆H₁₄) की तुलना करें। डाइएथिल ईथर और 1-ब्यूटेनॉल समावयवी हैं, दोनों C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol। हेक्सेन भारी है: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol। डाइएथिल ईथर ध्रुवीय है पर उसमें O–H आबंध नहीं है, 1-ब्यूटेनॉल हाइड्रोजन आबंध बना सकता है, और हेक्सेन अध्रुवीय है।

दोनों समावयवियों के बीच हाइड्रोजन आबंधन निर्णय करता है: 1-ब्यूटेनॉल का क्वथनांक डाइएथिल ईथर से कहीं ऊपर होना चाहिए। हेक्सेन शिक्षाप्रद मामला है। केवल ध्रुवणता का तर्क उसे अंतिम स्थान पर रखता, पर हेक्सेन बड़ा है, उसमें अधिक इलेक्ट्रॉन हैं और वह फैली हुई शृंखला है, इसलिए उसके परिक्षेपण बल ईथर के परिक्षेपण और उसके दुर्बल द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण के योग से बड़े हैं।

NIST के मान इसकी पुष्टि करते हैं: डाइएथिल ईथर 307.7 K (34.6 °C), हेक्सेन 341.9 K (68.8 °C) और 1-ब्यूटेनॉल 390.6 K (लगभग 117 °C)। सीख यह है कि ध्रुवणता की तुलनाएँ समान आकार के अणुओं के बीच सबसे सुरक्षित हैं। जब आकार काफ़ी भिन्न हों, तो पहले परिक्षेपण पर विचार करें और फिर पूछें कि क्या द्विध्रुव या हाइड्रोजन आबंधन उसे पलटने के लिए पर्याप्त प्रबल है। विलेयता भी बलों का पालन करती है: हेक्सेन जल में मूलतः अविलेय है, जबकि 1-ब्यूटेनॉल, जो जल के साथ हाइड्रोजन आबंध बना सकता है, आंशिक रूप से विलेय है।

अंतरा-आणविक बलों की तुलना करते समय बचने योग्य त्रुटियाँ

क्रम बनाने से पहले, केवल सबसे प्रबल बल की जगह हर पदार्थ के हर बल की सूची बनाएँ, और मोलर द्रव्यमान नोट करें। यह सबसे आम गलती से बचाता है, जो आकार की उपेक्षा करते हुए केवल "ध्रुवीय" और "अध्रुवीय" जैसे लेबलों की तुलना करना है।

नीचे की त्रुटियाँ क्वथनांक और विलेयता के स्पष्टीकरणों में बार-बार आती हैं।

• यह कहना कि उबलने से सहसंयोजी आबंध टूटते हैं। उबलना अणुओं को अलग करता है; अणु अक्षुण्ण रहते हैं।
• हाइड्रोजन वाले हर अणु के लिए हाइड्रोजन आबंधन का दावा करना। हाइड्रोजन का N, O या F से जुड़ा होना ज़रूरी है।
• अध्रुवीय पदार्थों में अंतरा-आणविक बल न मानना। सभी पदार्थों में परिक्षेपण बल होते हैं।
• बहुत भिन्न आकार के अणुओं का क्रम केवल ध्रुवणता से बनाना, जैसा हेक्सेन का उदाहरण दिखाता है।
• वाष्प दाब की प्रवृत्ति उलट देना। प्रबल IMF का अर्थ कम वाष्प दाब और ऊँचा क्वथनांक है।
• "समान समान को घोलता है" को अंगूठे के नियम के बजाय नियम (law) मानना। विलेयता एन्ट्रॉपी और ताप पर भी निर्भर करती है।