მოლეკულათშორისი ძალები: დუღილის ტემპერატურა, ორთქლის წნევა და ხსნადობა

მიზიდულობა მოლეკულებს შორის და არა ბმები მათ შიგნით

კოვალენტური ბმები მოლეკულის ატომებს ერთად ინახავს. მოლეკულათშორისი ძალები (IMF) გაცილებით სუსტი მიზიდულობაა ცალკეულ მოლეკულებს შორის და სწორედ მათი დაძლევაა საჭირო, როცა სითხე დუღს ან მყარი ნივთიერება დნება. როცა წყალი დუღს, წარმოქმნილი აირი კვლავ H₂O მოლეკულებისგან შედგება; O–H ბმები არ წყდება. ირღვევა მხოლოდ მეზობელ მოლეკულებს შორის მიზიდულობა.

რადგან ეს ძალები განსაზღვრავს, რამდენად მტკიცედ ებღაუჭება მოლეკულები ერთმანეთს, ისინი ფიზიკური თვისებების ნაკრებს ერთად აკონტროლებს. უფრო ძლიერი IMF ზოგადად ნიშნავს უფრო მაღალ დუღილის ტემპერატურას, აორთქლების უფრო მაღალ ენთალპიას, მოცემულ ტემპერატურაზე უფრო დაბალ ორთქლის წნევას და ხშირად უფრო მაღალ სიბლანტესა და ზედაპირულ დაჭიმულობას. თუ IMF-ების დალაგება შეგიძლიათ, ჩვეულებრივ ყველა ამის დალაგებაც ერთდროულად შეგიძლიათ.

ლონდონის დისპერსიული ძალები ყველა ნივთიერებაში

დისპერსიული ძალები ჩნდება იმის გამო, რომ ელექტრონების განაწილება ირყევა. ნებისმიერ მომენტში მოლეკულაში ელექტრონები შეიძლება ოდნავ არათანაბრად იყოს განაწილებული და დროებით დიპოლს ქმნიდეს, რომელიც მეზობელში შესაბამის დიპოლს ინდუცირებს. ისინი ხანმოკლედ მიიზიდება და სურათი მთელ სითხეში მეორდება. ყველა ატომი და მოლეკულა განიცდის დისპერსიულ ძალებს, პოლარული იქნება თუ არა.

დისპერსიული ძალების სიძლიერე პოლარიზებადობაზეა დამოკიდებული, ანუ იმაზე, რამდენად ადვილად შეიძლება ელექტრონული ღრუბლის დეფორმაცია. უფრო დიდი მოლეკულები მეტი ელექტრონით უფრო პოლარიზებადია, ამიტომ დისპერსიული ძალები მსგავს ნაერთთა ოჯახში ზოგადად მოლურ მასასთან ერთად იზრდება. ფორმაც მნიშვნელოვანია: გრძელ, გაჭიმულ მოლეკულებს მეზობლებთან კონტაქტში მეტი ზედაპირი აქვს, ვიდრე იმავე ფორმულის კომპაქტურ, განშტოებულ მოლეკულებს, ამიტომ ისინი ერთმანეთს უფრო ძლიერად იზიდავს.

დისპერსიას ნუ შეაფასებთ ნაკლებად. დიდ მოლეკულებში ის ხშირად მთლიანი მიზიდულობის ყველაზე დიდი წვლილია, მაშინაც კი, როცა მოლეკულა პოლარულიცაა.

დიპოლ–დიპოლური მიზიდულობა და წყალბადური ბმა

პოლარულ მოლეკულებს მუდმივი დიპოლები აქვს, ამიტომ სითხეში ისინი ისე ორიენტირდება, რომ ერთი მოლეკულის ნაწილობრივ დადებითი ბოლო მეორის ნაწილობრივ უარყოფით ბოლოსთან ახლოს იყოს. ეს დიპოლ–დიპოლური მიზიდულობა ემატება დისპერსიულ ძალებს, რომლებიც ყოველთვის არსებობს. იმის გადაწყვეტა, პოლარულია თუ არა მოლეკულა, ბმების პოლარობასაც მოითხოვს და ფორმასაც.

წყალბადური ბმა განსაკუთრებით ძლიერი დიპოლ–დიპოლური მიზიდულობაა. ის მოითხოვს წყალბადის ატომს, რომელიც კოვალენტურად არის დაკავშირებული აზოტთან, ჟანგბადთან ან ფტორთან (დონორი), და გაუზიარებელ წყვილს ახლომდებარე N, O ან F ატომზე (აქცეპტორი). ძალიან პოლარული N–H, O–H ან F–H ბმა პატარა წყალბადის ატომს დიდ ნაწილობრივ დადებით მუხტს უტოვებს, რომელსაც აქცეპტორის გაუზიარებელ წყვილთან მჭიდროდ მიახლოება შეუძლია.

მოლეკულა შეიძლება იყოს აქცეპტორი დონორის გარეშე. აცეტონს, (CH₃)₂CO, ჟანგბადზე გაუზიარებელი წყვილი აქვს, მაგრამ მისი ყველა წყალბადი ნახშირბადთანაა დაკავშირებული, ამიტომ აცეტონის მოლეკულები ერთმანეთთან წყალბადურ ბმას ვერ ქმნის. თუმცა მათ შეუძლიათ წყლისგან წყალბადური ბმების მიღება, რაც ერთ-ერთი მიზეზია, რომ აცეტონი წყალთან ყველა თანაფარდობით ერევა.

იონ–დიპოლური ძალები და იონური მყარი ნივთიერებების გახსნა

როცა იონური მყარი ნივთიერება წყალში იხსნება, თითოეული იონი ისეთი წყლის მოლეკულებით გარშემორტყმულია, რომლებიც მისკენაა ორიენტირებული: ნაწილობრივ უარყოფითი ჟანგბადის ბოლოები კატიონებისკენ არის მიმართული, ნაწილობრივ დადებითი წყალბადის ბოლოები კი ანიონებისკენ. ეს იონ–დიპოლური მიზიდულობა საკმარის ენერგიას გამოყოფს იონების კრისტალიდან განცალკევებისთვის საჭირო ენერგიის დიდი ნაწილის დასაბალანსებლად. მიზიდულობა უფრო ძლიერია უფრო მაღალი მუხტისა და უფრო მცირე ზომის იონებისთვის.

იონ–დიპოლური ძალები განმარტავს, რატომ იხსნება კალიუმის ბრომიდი წყალში ადვილად, ჰექსანში კი თითქმის სრულებით არა, რადგან ჰექსანს იონების მიმზიდველი დიპოლი არ აქვს. ზოგადი წესი „მსგავსი იხსნება მსგავსში“ ამას აჯამებს: ნივთიერებები საუკეთესოდ იხსნება გამხსნელებში, რომელთა მოლეკულათშორისი ძალები მათ საკუთარს ჰგავს. იოდი, არაპოლარული მოლეკულა, კარგად იხსნება ჰექსანში, სადაც გახსნილ ნივთიერებასა და გამხსნელს შორის დისპერსიული ძალები თითოეულ სუფთა ნივთიერებაში არსებულთან შესადარებელია.

გადაწყვეტილი მაგალითი: სამი სითხე თითქმის ერთნაირი მოლური მასით

დაალაგეთ ბუტანი (CH₃CH₂CH₂CH₃), აცეტონი ((CH₃)₂CO) და 1-პროპანოლი (CH₃CH₂CH₂OH) დუღილის ტემპერატურის მიხედვით. ჯერ შეადარეთ მოლური მასები IUPAC-ის სტანდარტული ატომური მასებით, ორ ათობით თანრიგამდე დამრგვალებულით (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). ბუტანი, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. აცეტონი, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-პროპანოლი, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. მასები 4%-ზე ნაკლებით განსხვავდება, ამიტომ დისპერსიული ძალები დაახლოებით მსგავსი უნდა იყოს და განსხვავებები პოლარობიდან მოვა.

შემდეგ დაახარისხეთ ძალები. ბუტანი მხოლოდ C–C და C–H ბმებს შეიცავს და არსებითად არაპოლარულია, ამიტომ მას მხოლოდ დისპერსიული ძალები აქვს. აცეტონს აქვს პოლარული C=O ბმა ტრიგონალურ ბრტყელ განლაგებაში, რომელიც არ აბათილებს, ამიტომ ის დიპოლ–დიპოლურ ძალებს ამატებს, მაგრამ O–H ბმა არ აქვს და წყალბადურ ბმებს ვერ გასცემს. 1-პროპანოლს აქვს O–H ჯგუფი, ამიტომ წყალბადურ ბმას ამატებს. პროგნოზია ბუტანი < აცეტონი < 1-პროპანოლი.

NIST Chemistry WebBook-ი ნორმალურ დუღილის ტემპერატურებად ასახელებს დაახლოებით 273 K (0 °C) ბუტანისთვის, 329.3 K (56.2 °C) აცეტონისთვის და 370.3 K (97.2 °C) 1-პროპანოლისთვის, გადაყვანით T(°C) = T(K) − 273.15. რიგი პროგნოზს ემთხვევა. იგივე მსჯელობა ოთახის ტემპერატურაზე ორთქლის წნევას საპირისპირო რიგში ალაგებს: ბუტანი 25 °C-ზე აირია, აცეტონი სწრაფად აორთქლდება, 1-პროპანოლი კი უფრო ნელა.

გადაწყვეტილი მაგალითი: როცა მოლეკულის ზომა დიპოლს აღემატება

ახლა შეადარეთ დიეთილის ეთერი ((C₂H₅)₂O), 1-ბუტანოლი (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) და ჰექსანი (C₆H₁₄). დიეთილის ეთერი და 1-ბუტანოლი იზომერებია, ორივე C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. ჰექსანი უფრო მძიმეა: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. დიეთილის ეთერი პოლარულია, მაგრამ O–H ბმა არ აქვს, 1-ბუტანოლს წყალბადური ბმის წარმოქმნა შეუძლია, ჰექსანი კი არაპოლარულია.

ორ იზომერს შორის წყალბადური ბმა წყვეტს: 1-ბუტანოლი დიეთილის ეთერზე გაცილებით მაღლა უნდა დუღდეს. ჰექსანი ამ მხრივ საჩვენებელი შემთხვევაა. მხოლოდ პოლარობაზე დაფუძნებული არგუმენტი მას ბოლოში ჩააყენებდა, მაგრამ ჰექსანი უფრო დიდია, მეტი ელექტრონი აქვს და გაჭიმული ჯაჭვია, ამიტომ მისი დისპერსიული ძალები ეთერის დისპერსიას მისი სუსტ დიპოლ–დიპოლურ მიზიდულობასთან ერთად აღემატება.

NIST-ის მნიშვნელობები ამას ადასტურებს: დიეთილის ეთერი 307.7 K (34.6 °C), ჰექსანი 341.9 K (68.8 °C) და 1-ბუტანოლი 390.6 K (დაახლოებით 117 °C). გაკვეთილი ისაა, რომ პოლარობის შედარებები ყველაზე უსაფრთხოა მსგავსი ზომის მოლეკულებს შორის. როცა ზომები მნიშვნელოვნად განსხვავდება, ჯერ დისპერსია განიხილეთ, შემდეგ იკითხეთ, საკმარისად ძლიერია თუ არა დიპოლი ან წყალბადური ბმა მის გადასალახად. ხსნადობაც ძალებს მიჰყვება: ჰექსანი წყალში არსებითად უხსნადია, 1-ბუტანოლი კი, რომელსაც წყალთან წყალბადური ბმის წარმოქმნა შეუძლია, ნაწილობრივ ხსნადია.

შეცდომები, რომლებსაც მოლეკულათშორის ძალებს შორის შედარებისას უნდა მოერიდოთ

დალაგებამდე ჩამოწერეთ თითოეული ნივთიერების ყველა ძალა და არა მხოლოდ ყველაზე ძლიერი, და აღნიშნეთ მოლური მასები. ეს თავიდან გვაცილებს ყველაზე გავრცელებულ შეცდომას, რომელიც მხოლოდ აღნიშვნების, როგორიცაა „პოლარული“ და „არაპოლარული“, შედარებაა ზომის უგულებელყოფით.

ქვემოთ მოცემული შეცდომები განმეორებით ჩნდება დუღილის ტემპერატურისა და ხსნადობის ახსნებში.

• იმის თქმა, რომ დუღილი კოვალენტურ ბმებს წყვეტს. დუღილი მოლეკულებს ცალკე ყოფს; მოლეკულები ხელუხლებელი რჩება.
• წყალბადური ბმის მტკიცება ნებისმიერი მოლეკულისთვის, რომელიც წყალბადს შეიცავს. წყალბადი N-თან, O-სთან ან F-თან უნდა იყოს დაკავშირებული.
• არაპოლარული ნივთიერებების მოლეკულათშორისი ძალების არმქონედ მიჩნევა. ყველა ნივთიერებას აქვს დისპერსიული ძალები.
• ძალიან განსხვავებული ზომის მოლეკულების დალაგება მხოლოდ პოლარობით, როგორც ჰექსანის მაგალითი აჩვენებს.
• ორთქლის წნევის ტენდენციის შებრუნება. უფრო ძლიერი IMF ნიშნავს უფრო დაბალ ორთქლის წნევას და უფრო მაღალ დუღილის ტემპერატურას.
• „მსგავსი იხსნება მსგავსში“ კანონად მიჩნევა და არა უბრალო ემპირიულ წესად. ხსნადობა ენტროპიაზე და ტემპერატურაზეც არის დამოკიდებული.