Millisameindakraftar: suðumark, gufuþrýstingur og leysni

Aðdráttarkraftar milli sameinda, ekki tengi innan þeirra

Samgild tengi halda atómum sameindar saman. Millisameindakraftar (IMF) eru miklu veikara aðdráttarafl milli aðskilinna sameinda og það er þeim sem þarf að sigrast á þegar vökvi sýður eða fast efni bráðnar. Þegar vatn sýður er gasið sem myndast enn gert úr H₂O sameindum; engin O–H tengi rofna. Aðeins aðdráttaraflið milli nágrannasameinda er raskað.

Þar sem þessir kraftar ráða því hve fast sameindir loða hver við aðra stýra þeir saman röð eðliseiginleika. Sterkari IMF þýða almennt hærra suðumark, hærra uppgufunarvermi, lægri gufuþrýsting við tiltekið hitastig og oft meiri seigju og yfirborðsspennu. Ef þú getur raðað IMF geturðu yfirleitt raðað öllu þessu í einu.

London-dreifikraftar í sérhverju efni

Dreifikraftar verða til vegna þess að rafeindadreifing sveiflast. Á hverju augnabliki geta rafeindir í sameind verið örlítið ójafnt dreifðar, sem myndar tímabundið tvískaut sem framkallar samsvarandi tvískaut í nágrannanum. Þessi tvö dragast stuttlega hvort að öðru og mynstrið endurtekur sig um allan vökvann. Sérhvert atóm og sérhver sameind verður fyrir dreifikröftum, skautuð eða ekki.

Styrkur dreifikrafta fer eftir skautanleika, það er hversu auðvelt er að aflaga rafeindaskýið. Stærri sameindir með fleiri rafeindir eru skautanlegri, svo dreifikraftar aukast almennt með mólmassa innan fjölskyldu svipaðra efnasambanda. Lögun skiptir einnig máli: langar, útstrekktar sameindir hafa meira yfirborð í snertingu við nágranna sína en þéttar, greinóttar sameindir með sömu formúlu, svo þær draga hver aðra sterkar að sér.

Vanmettu ekki dreifingu. Í stórum sameindum er hún oft stærsta framlagið til heildaraðdráttaraflsins, jafnvel þegar sameindin er einnig skautuð.

Tvískauta-tvískautakraftar og vetnistengi

Skautaðar sameindir hafa varanleg tvískaut, svo í vökva hafa þær tilhneigingu til að snúa þannig að jákvæði hluti einnar sameindar sé nálægt neikvæða hluta annarrar. Þetta tvískauta-tvískauta aðdráttarafl bætist við dreifikraftana sem eru alltaf til staðar. Til að ákveða hvort sameind sé skautuð þarf bæði skautun tengja hennar og lögun.

Vetnistengi er sérstaklega sterkt tvískauta-tvískauta aðdráttarafl. Það krefst vetnisatóms sem er samgilt tengt köfnunarefni, súrefni eða flúor (gjafinn) og einstæðs pars á nálægu N-, O- eða F-atómi (þeginn). Mjög skautað N–H, O–H eða F–H tengi skilur litla vetnisatómið eftir með mikla jákvæða hlutahleðslu sem getur nálgast einstæða par þegans náið.

Sameind getur verið þegi án þess að vera gjafi. Asetón, (CH₃)₂CO, hefur einstætt par á súrefni en öll vetnisatóm þess eru tengd kolefni, svo asetónsameindir geta ekki myndað vetnistengi hver við aðra. Þær geta hins vegar tekið við vetnistengjum frá vatni, sem er ein ástæða þess að asetón blandast vatni í öllum hlutföllum.

Jóna-tvískautakraftar og upplausn jónískra fastra efna

Þegar jónískt fast efni leysist upp í vatni umkringjast jónirnar vatnssameindum sem snúa að þeim: hlutaneikvæðu súrefnisendarnir snúa að katjónum og hlutajákvæðu vetnisendarnir að anjónum. Þetta jóna-tvískauta aðdráttarafl losar næga orku til að vega upp stóran hluta þeirrar orku sem þarf til að aðskilja jónirnar frá kristalnum. Aðdráttaraflið er sterkara fyrir jónir með hærri hleðslu og minni stærð.

Jóna-tvískautakraftar útskýra hvers vegna kalíumbrómíð leysist auðveldlega upp í vatni en varla í hexani, sem hefur ekkert tvískaut til að draga að sér jónir. Almenna reglan „líkt leysir líkt“ dregur þetta saman: efni leysast best í leysum þar sem millisameindakraftar eru svipaðir þeirra eigin. Joð, óskautuð sameind, leysist vel upp í hexani, þar sem dreifikraftar milli uppleysts efnis og leysis eru sambærilegir þeim innan hvors hreins efnis.

Útreiknað dæmi: þrír vökvar með nánast sama mólmassa

Raðaðu bútani (CH₃CH₂CH₂CH₃), asetóni ((CH₃)₂CO) og 1-própanóli (CH₃CH₂CH₂OH) eftir suðumarki. Berðu fyrst saman mólmassa með stöðluðum atómmössum IUPAC námunduðum í tvo aukastafi (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Bútan, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Asetón, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-própanól, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Massarnir eru innan við 4% frá hver öðrum, svo dreifikraftar ættu að vera nokkurn veginn svipaðir og munurinn kemur af skautun.

Næst skaltu flokka kraftana. Bútan inniheldur aðeins C–C og C–H tengi og er í raun óskautað, svo það hefur eingöngu dreifikrafta. Asetón hefur skautað C=O tengi í þríhyrndri sléttri uppröðun sem jafnast ekki út, svo það bætir við tvískauta-tvískautakröftum, en það hefur ekkert O–H tengi og getur ekki gefið vetnistengi. 1-própanól hefur O–H hóp, svo það bætir við vetnistengi. Spáin er bútan < asetón < 1-própanól.

NIST Chemistry WebBook skráir eðlileg suðumörk um 273 K (0 °C) fyrir bútan, 329.3 K (56.2 °C) fyrir asetón og 370.3 K (97.2 °C) fyrir 1-própanól, umbreytt með T(°C) = T(K) − 273.15. Röðin passar við spána. Sömu rök raða gufuþrýstingi við stofuhita í öfuga röð: bútan er gas við 25 °C, asetón gufar hratt upp og 1-própanól gufar hægar upp.

Útreiknað dæmi: þegar stærð sameindar vegur þyngra en tvískaut

Berðu nú saman díetýleter ((C₂H₅)₂O), 1-bútanól (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) og hexan (C₆H₁₄). Díetýleter og 1-bútanól eru myndbrigði, bæði C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Hexan er þyngra: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Díetýleter er skautað en hefur ekkert O–H tengi, 1-bútanól getur myndað vetnistengi og hexan er óskautað.

Á milli myndbrigðanna tveggja ræður vetnistengið: 1-bútanól ætti að sjóða langt fyrir ofan díetýleter. Hexan er lærdómsríka tilvikið. Röksemd sem byggist á skautun einni saman myndi setja það síðast, en hexan er stærra, hefur fleiri rafeindir og er útstrekkt keðja, svo dreifikraftar þess eru stærri en dreifing eterins ásamt veiku tvískauta-tvískauta aðdráttarafli hans.

Gildi NIST staðfesta þetta: díetýleter 307.7 K (34.6 °C), hexan 341.9 K (68.8 °C) og 1-bútanól 390.6 K (um 117 °C). Lærdómurinn er sá að samanburður á skautun er öruggastur á milli sameinda af svipaðri stærð. Þegar stærðirnar eru verulega ólíkar skaltu líta fyrst á dreifingu og spyrja síðan hvort tvískaut eða vetnistengi sé nógu sterkt til að snúa niðurstöðunni við. Leysni fylgir einnig kröftunum: hexan er í raun óleysanlegt í vatni, en 1-bútanól, sem getur myndað vetnistengi við vatn, er að hluta leysanlegt.

Villur sem ber að forðast þegar millisameindakraftar eru bornir saman

Áður en þú raðar skaltu telja upp alla krafta sem hvert efni hefur frekar en bara þann sterkasta, og skrá mólmassa. Það kemur í veg fyrir algengustu mistökin, að bera aðeins saman merkimiða eins og „skautað“ og „óskautað“ meðan stærðinni er sleppt.

Villurnar hér að neðan koma upp aftur og aftur í skýringum á suðumarki og leysni.

• Að segja að suða rjúfi samgild tengi. Suða aðskilur sameindir; sameindirnar haldast heilar.
• Að halda fram vetnistengi fyrir hverja sameind sem inniheldur vetni. Vetnið verður að vera tengt við N, O eða F.
• Að líta á óskautuð efni sem svo að þau hafi enga millisameindakrafta. Öll efni hafa dreifikrafta.
• Að raða sameindum af mjög ólíkri stærð eftir skautun einni saman, eins og hexandæmið sýnir.
• Að snúa þróun gufuþrýstings við. Sterkari IMF þýða lægri gufuþrýsting og hærra suðumark.
• Að líta á „líkt leysir líkt“ sem lögmál frekar en nytsamlega þumalputtareglu. Leysni fer einnig eftir óreiðu og hitastigi.