Միջմոլեկուլային ուժեր՝ եռման կետ, գոլորշու ճնշում և լուծելիություն

Ձգողություններ մոլեկուլների միջև, ոչ թե կապեր նրանց ներսում

Կովալենտային կապերը պահում են մոլեկուլի ատոմները միասին։ Միջմոլեկուլային ուժերը (ՄՄՈՒ) առանձին մոլեկուլների միջև շատ ավելի թույլ ձգողություններն են, և հենց դրանք պետք է հաղթահարվեն, երբ հեղուկը եռում է կամ պինդը հալվում։ Երբ ջուրը եռում է, առաջացող գազը դեռ կազմված է H₂O մոլեկուլներից. ոչ մի O–H կապ չի կտրվում։ Խախտվում են միայն հարևան մոլեկուլների միջև ձգողությունները։

Քանի որ այս ուժերը որոշում են, թե որքան ամուր են մոլեկուլները կառչում իրար, դրանք միասին վերահսկում են ֆիզիկական հատկությունների մի շարք։ Ավելի ուժեղ ՄՄՈՒ-ները սովորաբար նշանակում են ավելի բարձր եռման կետ, գոլորշիացման ավելի բարձր էնթալպիա, տվյալ ջերմաստիճանում ավելի ցածր գոլորշու ճնշում և հաճախ ավելի բարձր մածուցիկություն ու մակերևութային լարում։ Եթե կարող եք դասավորել ՄՄՈՒ-ները, սովորաբար կարող եք միանգամից դասավորել այս բոլորը։

Լոնդոնի դիսպերսիոն ուժերը ցանկացած նյութում

Դիսպերսիոն ուժերը առաջանում են, քանի որ էլեկտրոնային բաշխումները տատանվում են։ Ցանկացած պահի մոլեկուլի էլեկտրոնները կարող են լինել թեթևակի անհավասար, ստեղծելով ժամանակավոր դիպոլ, որը հարևանում ինդուկցում է համապատասխան դիպոլ։ Երկուսը կարճ ժամանակով ձգվում են, և օրինաչափությունը կրկնվում է ամբողջ հեղուկում։ Յուրաքանչյուր ատոմ և մոլեկուլ զգում է դիսպերսիոն ուժեր՝ բևեռային լինի թե ոչ։

Դիսպերսիոն ուժերի ուժգնությունը կախված է բևեռացվողությունից, այսինքն՝ թե որքան հեշտ է էլեկտրոնային ամպը դեֆորմացվում։ Ավելի շատ էլեկտրոններով ավելի մեծ մոլեկուլներն ավելի բևեռացվող են, ուստի դիսպերսիոն ուժերը սովորաբար աճում են մոլային զանգվածի հետ՝ նման միացությունների ընտանիքում։ Ձևն էլ կարևոր է. երկար, ձգված մոլեկուլներն ավելի շատ մակերես ունեն հարևանների հետ շփման մեջ, քան նույն բանաձևով կոմպակտ, ճյուղավորված մոլեկուլները, ուստի իրար ավելի ուժեղ են ձգում։

Մի թերագնահատեք դիսպերսիան։ Մեծ մոլեկուլներում այն հաճախ ընդհանուր ձգողության ամենամեծ մասնաբաժինն է, նույնիսկ երբ մոլեկուլը նաև բևեռային է։

Դիպոլ–դիպոլ ձգողություններ և ջրածնային կապ

Բևեռային մոլեկուլներն ունեն մշտական դիպոլներ, ուստի հեղուկում նրանք հակված են կողմնորոշվելու այնպես, որ մի մոլեկուլի մասնակի դրական ծայրը մոտ լինի մյուսի մասնակի բացասական ծայրին։ Այս դիպոլ–դիպոլ ձգողությունը ավելանում է միշտ առկա դիսպերսիոն ուժերին։ Որոշելու համար, թե մոլեկուլը բևեռային է, պետք են և կապերի բևեռայնությունները, և նրա ձևը։

Ջրածնային կապը հատկապես ուժեղ դիպոլ–դիպոլ ձգողություն է։ Այն պահանջում է ջրածնի ատոմ, որը կովալենտորեն կապված է ազոտի, թթվածնի կամ ֆտորի հետ (դոնոր), և մոտակա N, O կամ F ատոմի ազատ զույգ (ակցեպտոր)։ Շատ բևեռային N–H, O–H կամ F–H կապը փոքր ջրածնի ատոմին թողնում է մեծ մասնակի դրական լիցք, որը կարող է մոտիկից մոտենալ ակցեպտորի ազատ զույգին։

Մոլեկուլը կարող է լինել ակցեպտոր՝ առանց դոնոր լինելու։ Ացետոնը՝ (CH₃)₂CO-ն, ունի ազատ զույգ թթվածնի վրա, բայց նրա բոլոր ջրածինները կապված են ածխածնի հետ, ուստի ացետոնի մոլեկուլները չեն կարող իրար հետ ջրածնային կապ առաջացնել։ Սակայն նրանք կարող են ջրից ջրածնային կապեր ընդունել, ինչը մեկ պատճառ է, թե ինչու է ացետոնը ջրի հետ խառնվում ցանկացած համամասնությամբ։

Իոն–դիպոլ ուժեր և իոնային պինդ նյութերի լուծումը

Երբ իոնային պինդ նյութը լուծվում է ջրում, յուրաքանչյուր իոն շրջապատվում է դեպի իրեն կողմնորոշված ջրի մոլեկուլներով. մասնակի բացասական թթվածնային ծայրերը դեմ են կատիոններին, իսկ մասնակի դրական ջրածնային ծայրերը՝ անիոններին։ Այս իոն–դիպոլ ձգողությունը անջատում է բավարար էներգիա՝ փոխհատուցելու իոնները բյուրեղից անջատելու համար անհրաժեշտ էներգիայի մեծ մասը։ Ձգողությունն ավելի ուժեղ է ավելի բարձր լիցքով և ավելի փոքր չափով իոնների համար։

Իոն–դիպոլ ուժերը բացատրում են, թե ինչու է կալիումի բրոմիդը հեշտությամբ լուծվում ջրում, բայց գրեթե չի լուծվում հեքսանում, որը իոնները ձգելու դիպոլ չունի։ «Նմանը լուծվում է նմանում» ընդհանուր կանոնը ամփոփում է սա. նյութերը լավագույնս լուծվում են այն լուծիչներում, որոնց միջմոլեկուլային ուժերը նման են իրենցին։ Յոդը՝ ոչ բևեռային մոլեկուլը, լավ է լուծվում հեքսանում, որտեղ լուծված նյութի և լուծիչի միջև դիսպերսիոն ուժերը համադրելի են յուրաքանչյուր մաքուր նյութի ներսի ուժերի հետ։

Լուծված օրինակ՝ երեք հեղուկ գրեթե նույն մոլային զանգվածով

Դասավորեք բութանը (CH₃CH₂CH₂CH₃), ացետոնը ((CH₃)₂CO) և 1-պրոպանոլը (CH₃CH₂CH₂OH) ըստ եռման կետի։ Նախ համեմատեք մոլային զանգվածները՝ օգտագործելով IUPAC-ի ստանդարտ ատոմային զանգվածները, կլորացված երկու տասնորդականի (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol)։ Բութան, C₄H₁₀՝ 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol։ Ացետոն, C₃H₆O՝ 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol։ 1-Պրոպանոլ, C₃H₈O՝ 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol։ Զանգվածները տարբերվում են 4%-ից պակաս, ուստի դիսպերսիոն ուժերը պետք է մոտավորապես նման լինեն, և տարբերությունները կգան բևեռայնությունից։

Հետո դասակարգեք ուժերը։ Բութանը պարունակում է միայն C–C և C–H կապեր և ըստ էության ոչ բևեռային է, ուստի ունի միայն դիսպերսիոն ուժեր։ Ացետոնն ունի բևեռային C=O կապ եռանկյուն հարթ դասավորությամբ, որը չի փոխհատուցվում, ուստի ավելացնում է դիպոլ–դիպոլ ուժեր, բայց O–H կապ չունի և ջրածնային կապեր չի կարող տալ։ 1-Պրոպանոլն ունի O–H խումբ, ուստի ավելացնում է ջրածնային կապ։ Կանխատեսումը՝ բութան < ացետոն < 1-պրոպանոլ։

NIST Chemistry WebBook-ը նշում է նորմալ եռման կետեր՝ մոտ 273 K (0 °C) բութանի համար, 329.3 K (56.2 °C) ացետոնի համար և 370.3 K (97.2 °C) 1-պրոպանոլի համար՝ փոխարկելով T(°C) = T(K) − 273.15-ով։ Կարգը համապատասխանում է կանխատեսմանը։ Նույն դատողությունը սենյակային ջերմաստիճանում գոլորշու ճնշումը դասավորում է հակառակ կարգով. բութանը 25 °C-ում գազ է, ացետոնը արագ գոլորշիանում է, իսկ 1-պրոպանոլը՝ ավելի դանդաղ։

Լուծված օրինակ՝ երբ մոլեկուլի չափը գերազանցում է դիպոլին

Այժմ համեմատեք դիէթիլ եթերը ((C₂H₅)₂O), 1-բութանոլը (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) և հեքսանը (C₆H₁₄)։ Դիէթիլ եթերը և 1-բութանոլը իզոմերներ են, երկուսն էլ C₄H₁₀O՝ 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol։ Հեքսանն ավելի ծանր է՝ 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol։ Դիէթիլ եթերը բևեռային է, բայց O–H կապ չունի, 1-բութանոլը կարող է ջրածնային կապ առաջացնել, իսկ հեքսանը ոչ բևեռային է։

Երկու իզոմերների միջև ջրածնային կապը որոշում է. 1-բութանոլը պետք է եռա դիէթիլ եթերից շատ բարձր։ Հեքսանը ուսուցողական դեպք է։ Միայն բևեռայնության փաստարկը այն կդներ վերջինը, բայց հեքսանն ավելի մեծ է, ունի ավելի շատ էլեկտրոններ և ձգված շղթա է, ուստի նրա դիսպերսիոն ուժերն ավելի մեծ են, քան եթերի դիսպերսիան գումարած նրա թույլ դիպոլ–դիպոլ ձգողությունը։

NIST-ի արժեքները հաստատում են սա. դիէթիլ եթեր 307.7 K (34.6 °C), հեքսան 341.9 K (68.8 °C) և 1-բութանոլ 390.6 K (մոտ 117 °C)։ Դասն այն է, որ բևեռայնության համեմատությունները ամենաապահովն են նման չափի մոլեկուլների միջև։ Երբ չափերը էապես տարբերվում են, նախ դիտարկեք դիսպերսիան, ապա հարցրեք՝ դիպոլը կամ ջրածնային կապը բավական ուժեղ են դա շրջելու համար։ Լուծելիությունը նույնպես հետևում է ուժերին. հեքսանը ջրում ըստ էության չի լուծվում, մինչդեռ 1-բութանոլը, որը կարող է ջրի հետ ջրածնային կապ առաջացնել, մասամբ լուծվում է։

Միջմոլեկուլային ուժերը համեմատելիս խուսափելու սխալներ

Դասավորելուց առաջ թվարկեք յուրաքանչյուր նյութի բոլոր ուժերը, այլ ոչ միայն ամենաուժեղը, և նշեք մոլային զանգվածները։ Սա կանխում է ամենահաճախակի սխալը՝ համեմատել միայն «բևեռային» և «ոչ բևեռային» նման պիտակները՝ անտեսելով չափը։

Ստորև բերված սխալները բազմիցս հայտնվում են եռման կետի և լուծելիության բացատրություններում։

• Ասել, որ եռումը կտրում է կովալենտային կապերը։ Եռումը բաժանում է մոլեկուլները. մոլեկուլները մնում են անփոփոխ։
• Ջրածնային կապ պնդել ջրածին պարունակող ցանկացած մոլեկուլի համար։ Ջրածինը պետք է կապված լինի N-ի, O-ի կամ F-ի հետ։
• Ոչ բևեռային նյութերը համարել առանց միջմոլեկուլային ուժերի։ Բոլոր նյութերն ունեն դիսպերսիոն ուժեր։
• Շատ տարբեր չափի մոլեկուլները դասավորել միայն բևեռայնությամբ, ինչպես ցույց է տալիս հեքսանի օրինակը։
• Գոլորշու ճնշման օրինաչափությունը շրջել։ Ավելի ուժեղ ՄՄՈՒ-ները նշանակում են ավելի ցածր գոլորշու ճնշում և ավելի բարձր եռման կետ։
• «Նմանը լուծվում է նմանում» կանոնը օրենք համարել, այլ ոչ թե կոպիտ կանոն։ Լուծելիությունը կախված է նաև էնտրոպիայից և ջերմաստիճանից։