Молекулааралық күштер: қайнау температурасы, бу қысымы және ерігіштік

Молекулалар арасындағы тартылыстар, молекула ішіндегі байланыстар емес

Ковалентті байланыстар молекуланың атомдарын бірге ұстайды. Молекулааралық күштер (МАК) — бөлек молекулалар арасындағы әлдеқайда әлсіз тартылыстар, және сұйықтық қайнағанда немесе қатты зат балқығанда жеңілуі керек нәрсе осы. Су қайнағанда түзілетін газ әлі де H₂O молекулаларынан тұрады; O–H байланыстары үзілмейді. Тек көрші молекулалар арасындағы тартылыстар бұзылады.

Бұл күштер молекулалардың бір-біріне қаншалықты берік жабысатынын басқаратындықтан, олар физикалық қасиеттер жиынын бірге бақылайды. Күштірек МАК әдетте жоғарырақ қайнау температурасын, жоғарырақ булану энтальпиясын, берілген температурада төменірек бу қысымын және жиі жоғарырақ тұтқырлық пен беттік керілуді білдіреді. МАК-ты реттей алсаңыз, осылардың бәрін бір мезгілде реттей аласыз.

Әр заттағы Лондон дисперсиялық күштері

Дисперсиялық күштер электрон таралуының ауытқуынан туады. Кез келген сәтте молекуладағы электрондар сәл біркелкі емес болуы мүмкін, ол көрші молекулада сәйкес диполь индукциялайтын уақытша диполь жасайды. Екеуі қысқа уақытқа тартылады, және үлгі бүкіл сұйықтықта қайталанады. Әрбір атом мен молекула, полярлы болсын, болмасын, дисперсиялық күштерді сезінеді.

Дисперсиялық күштердің күші поляризациялануға, яғни электрон бұлтының қаншалықты оңай бұрмаланатынына байланысты. Электрондары көп үлкен молекулалар көбірек поляризацияланады, сондықтан ұқсас қосылыстар отбасында дисперсиялық күштер әдетте молярлық массамен артады. Пішін де маңызды: ұзын, созылған молекулалардың көршілерімен жанасатын беті сол формуладағы ықшам, тармақталғандарға қарағанда көп, сондықтан олар бір-бірін күштірек тартады.

Дисперсияны бағаламай қалмаңыз. Үлкен молекулаларда ол молекула полярлы болса да, жалпы тартылысқа ең үлкен үлес болады.

Диполь–диполь тартылыстар және сутектік байланыс

Полярлы молекулалардың тұрақты дипольдері бар, сондықтан сұйықтықта олар бір молекуланың ішінара оң ұшы екіншісінің ішінара теріс ұшына жақын болатындай бағдарлануға бейім. Бұл диполь–диполь тартылыс әрқашан бар дисперсиялық күштерге қосылады. Молекуланың полярлы екенін шешу үшін оның байланыс полярлығы да, пішіні де қажет.

Сутектік байланыс — әсіресе күшті диполь–диполь тартылыс. Ол азотқа, оттекке немесе фторға ковалентті байланысқан сутек атомын (донор) және жақын орналасқан N, O немесе F атомындағы бөлінбеген жұпты (акцептор) қажет етеді. Өте полярлы N–H, O–H немесе F–H байланысы шағын сутек атомына акцептордың бөлінбеген жұбына тығыз жақындай алатын үлкен ішінара оң заряд қалдырады.

Молекула донор болмай-ақ акцептор бола алады. Ацетонда, (CH₃)₂CO, оттекте бөлінбеген жұп бар, бірақ оның барлық сутектері көміртекке байланысқан, сондықтан ацетон молекулалары бір-бірімен сутектік байланыс түзе алмайды. Дегенмен олар судан сутектік байланыстарды қабылдай алады, ацетонның сумен кез келген қатынаста араласуының бір себебі осы.

Ион–диполь күштері және иондық қатты заттардың еруі

Иондық қатты зат суда еріген кезде, әр ион өзіне қарай бағдарланған су молекулаларымен қоршалады: ішінара теріс оттек ұштары катиондарға, ішінара оң сутек ұштары аниондарға қарайды. Бұл ион–диполь тартылыс иондарды кристалдан бөлуге қажетті энергияның көп бөлігін өтейтіндей энергия бөледі. Тартылыс заряды жоғары және өлшемі кіші иондар үшін күштірек.

Ион–диполь күштері калий бромидінің суда оңай ерігенін, бірақ иондарды тартатын дипольі жоқ гександа мүлде дерлік ерімейтінін түсіндіреді. «Ұқсас ұқсасты ерітеді» деген жалпы ереже мұны қорытындылайды: заттар молекулааралық күштері өздеріне ұқсас еріткіштерде жақсы ериді. Полярсыз молекула йод гександа жақсы ериді, онда еріген зат пен еріткіш арасындағы дисперсиялық күштер әр таза заттың ішіндегілермен салыстырмалы.

Шешілген мысал: молярлық массасы дерлік бірдей үш сұйықтық

Бутанды (CH₃CH₂CH₂CH₃), ацетонды ((CH₃)₂CO) және 1-пропанолды (CH₃CH₂CH₂OH) қайнау температурасы бойынша реттеңіз. Алдымен екі ондық таңбаға дейін дөңгелектелген IUPAC стандартты атомдық салмақтарын (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) қолданып, молярлық массаларды салыстырыңыз. Бутан, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Ацетон, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-Пропанол, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Массалар 4%-дан аз өзгешеленеді, сондықтан дисперсиялық күштер шамамен ұқсас болуы керек және айырмашылықтар полярлықтан шығады.

Содан кейін күштерді жіктеңіз. Бутанда тек C–C және C–H байланыстары бар және ол мәні бойынша полярсыз, сондықтан тек дисперсиялық күштері бар. Ацетонда үшбұрышты жазық орналасуда жойылмайтын полярлы C=O байланысы бар, сондықтан ол диполь–диполь күштерін қосады, бірақ онда O–H байланысы жоқ және сутектік байланыс бере алмайды. 1-Пропанолда O–H тобы бар, сондықтан ол сутектік байланысты қосады. Болжам: бутан < ацетон < 1-пропанол.

NIST Chemistry WebBook қалыпты қайнау температураларын бутан үшін шамамен 273 K (0 °C), ацетон үшін 329.3 K (56.2 °C) және 1-пропанол үшін 370.3 K (97.2 °C) деп береді, T(°C) = T(K) − 273.15 арқылы түрлендіріліп. Рет болжамға сәйкес келеді. Дәл сол пайымдау бөлме температурасындағы бу қысымын кері ретпен реттейді: бутан 25 °C-та газ, ацетон тез буланады, ал 1-пропанол баяуырақ буланады.

Шешілген мысал: молекула өлшемі дипольден басым болғанда

Енді диэтил эфирін ((C₂H₅)₂O), 1-бутанолды (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) және гександы (C₆H₁₄) салыстырыңыз. Диэтил эфирі мен 1-бутанол — изомерлер, екеуі де C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Гексан ауыр: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Диэтил эфирі полярлы, бірақ онда O–H байланысы жоқ, 1-бутанол сутектік байланыс түзе алады, ал гексан полярсыз.

Екі изомердің арасында сутектік байланыс шешеді: 1-бутанол диэтил эфиріне қарағанда әлдеқайда жоғары температурада қайнауы керек. Гексан — ең үйретерлік жағдай. Тек полярлық дәлелі оны соңғы орынға қояр еді, бірақ гексан үлкенірек, электрондары көп және созылған тізбек, сондықтан оның дисперсиялық күштері эфирдің дисперсиясы мен оның әлсіз диполь–диполь тартылысының қосындысынан үлкен.

NIST мәндері мұны растайды: диэтил эфирі 307.7 K (34.6 °C), гексан 341.9 K (68.8 °C) және 1-бутанол 390.6 K (шамамен 117 °C). Сабақ: полярлықты салыстыру өлшемі ұқсас молекулалар арасында ең сенімді. Өлшемдері едәуір өзгеше болғанда, алдымен дисперсияны қарастырыңыз, содан кейін диполь немесе сутектік байланыс оны жеңетіндей күшті ме деп сұраңыз. Ерігіштік те күштерге сәйкес: гексан суда мәні бойынша ерімейді, ал сумен сутектік байланыс түзе алатын 1-бутанол ішінара ериді.

Молекулааралық күштерді салыстырғанда болдырмайтын қателер

Реттемес бұрын әр заттың тек ең күштісін емес, барлық күштерін тізіп, молярлық массаларын белгілеңіз. Бұл ең жиі кездесетін қателіктен — «полярлы» және «полярсыз» сияқты белгілерді ғана салыстырып, өлшемді елемеуден — сақтайды.

Төмендегі қателер қайнау температурасы мен ерігіштікті түсіндіруде қайта-қайта кездеседі.

• Қайнау ковалентті байланыстарды үзеді деп айту. Қайнау молекулаларды бөледі; молекулалар бүтін қалады.
• Құрамында сутегі бар кез келген молекулада сутектік байланыс бар деп айту. Сутек N, O немесе F-қа байланысқан болуы керек.
• Полярсыз заттарда молекулааралық күштер жоқ деп санау. Барлық заттарда дисперсиялық күштер бар.
• Өлшемдері өте әртүрлі молекулаларды тек полярлық бойынша реттеу, гексан мысалы көрсеткендей.
• Бу қысымы заңдылығын кері қою. Күштірек МАК төменірек бу қысымын және жоғарырақ қайнау температурасын білдіреді.
• «Ұқсас ұқсасты ерітеді» ережесін заң емес, тәжірибелік ереже ретінде қарастыру. Ерігіштік энтропияға және температураға да байланысты.