Молекулалар аралык күчтөр: кайноо температурасы, бууланткан басым жана эригичтик

Молекулалардын ортосундагы тартылуу, ичиндеги байланыштар эмес

Коваленттик байланыштар молекуланын атомдорун кармап турат. Молекулалар аралык күчтөр (МАК) — өзүнчө молекулалардын ортосундагы алда канча начар тартылуулар, жана алар суюктук кайнаганда же катуу зат эригенде жеңилиши керек. Суу кайнаганда пайда болгон газ дагы эле H₂O молекулаларынан турат; бир да O–H байланышы үзүлбөйт. Коңшу молекулалардын ортосундагы тартылуу гана бузулат.

Бул күчтөр молекулалар бири-бирине канчалык бекем жабышарын башкаргандыктан, алар физикалык касиеттердин топтомун бирге көзөмөлдөйт. Күчтүүрөөк МАК жалпысынан жогорураак кайноо температурасын, бууланыштын жогорураак энтальпиясын, берилген температурада төмөнкү бууланткан басымды, жана көбүнчө жогорураак илешкектүүлүктү жана беттик чыңалууну билдирет. МАКты иреттесеңиз, бул нерселердин бардыгын бир эле учурда иреттей аласыз.

Ар бир заттагы Лондон дисперсиялык күчтөрү

Дисперсиялык күчтөр электрон бөлүштүрүлүшү термелгендиктен пайда болот. Каалаган учурда молекуладагы электрондор бир аз тегиз эмес болушу мүмкүн, коңшуда дал келген диполду пайда кылган убактылуу диполду түзөт. Экөө кыска убакытка тартылат, жана үлгү бүт суюктукта кайталанат. Ар бир атом жана молекула, полярдуубу же жокпу, дисперсиялык күчтөрдү сезет.

Дисперсиялык күчтөрдүн күчү поляризациялануучулукка, электрон булутун канчалык оңой бурмалоого болорун билдирет, көз каранды. Электрондору көп чоң молекулалар көбүрөөк поляризацияланат, ошондуктан окшош кошулмалар үй-бүлөсүндө дисперсиялык күчтөр жалпысынан молярдык масса менен өсөт. Форма да маанилүү: узун, чоюлган молекулалардын коңшулары менен жолуккан бети ошол эле формуладагы тыгыз, бутактанган молекулаларга караганда көп, ошондуктан алар бири-бирин күчтүүрөөк тартат.

Дисперсияны баалабай койбоңуз. Чоң молекулаларда ал көбүнчө молекула да полярдуу болсо да, жалпы тартылууга эң чоң салым.

Диполь–диполдук тартылуу жана суутектик байланыш

Полярдуу молекулалардын туруктуу диполдору бар, ошондуктан суюктукта алар бир молекуланын жарым-жартылай оң учун экинчисинин жарым-жартылай терс учуна жакын багыттоого умтулат. Бул диполь–диполдук тартылуу ар дайым бар дисперсиялык күчтөргө кошулат. Молекуланын полярдуу экенин чечүү анын байланыш полярдуулуктарын да, формасын да талап кылат.

Суутектик байланыш — өзгөчө күчтүү диполь–диполдук тартылуу. Ал азотко, кычкылтекке же фторго коваленттик байланышкан суутек атомун (донор) жана жакын турган N, O же F атомундагы жалгыз жупту (акцептор) талап кылат. Өтө полярдуу N–H, O–H же F–H байланышы кичине суутек атомун акцептордун жалгыз жубуна жакындап бара ала турган чоң жарым-жартылай оң заряд менен калтырат.

Молекула донор болбой туруп акцептор боло алат. Ацетондо, (CH₃)₂CO, кычкылтекте жалгыз жуп бар, бирок анын бардык суутектери көмүртекке байланышкан, ошондуктан ацетон молекулалары бири-бири менен суутектик байланыш түзө алышпайт. Бирок алар суудан суутектик байланыштарды кабыл ала алат, бул ацетон суу менен бардык катыштарда аралашышынын себептеринин бири.

Ион–диполдук күчтөр жана иондук катуу заттардын эриши

Иондук катуу зат сууда эригенде, ар бир ион ага карай багытталган суу молекулалары менен курчалат: жарым-жартылай терс кычкылтек учтары катиондорго, жарым-жартылай оң суутек учтары аниондорго караган. Бул ион–диполдук тартылуу иондорду кристаллдан бөлүүгө керектүү энергиянын көбүн жабуу үчүн жетиштүү энергия бөлүп чыгарат. Тартылуу заряды чоңураак жана өлчөмү кичине иондор үчүн күчтүүрөөк.

Ион–диполдук күчтөр калий бромидинин сууда оңой эригенин, бирок иондорду тартуучу дипол жок гександа дээрлик эрибегенин түшүндүрөт. «Окшош окшошту эритет» деген жалпы эреже муну жыйынтыктайт: заттар молекулалар аралык күчтөрү өздөрүнүкүнө окшош эриткичтерде эң жакшы эрийт. Полярсыз молекула болгон йод гександа жакшы эрийт, мында эриген зат менен эриткичтин ортосундагы дисперсиялык күчтөр ар бир таза заттын ичиндегилер менен салыштырмалуу.

Чыгарылган мисал: молярдык массасы дээрлик бирдей үч суюктук

Бутанды (CH₃CH₂CH₂CH₃), ацетонду ((CH₃)₂CO) жана 1-пропанолду (CH₃CH₂CH₂OH) кайноо температурасы боюнча иреттеңиз. Адегенде эки ондук белгиге чейин тегеректелген IUPAC стандарттуу атомдук салмактарын (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) колдонуп, молярдык массаларды салыштырыңыз. 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%тен азыраак айырмаланат, ошондуктан дисперсиялык күчтөр болжол менен окшош болуш керек жана айырмалар полярдуулуктан келет.

Андан кийин күчтөрдү классификациялаңыз. Бутан гана C–C жана C–H байланыштарын камтыйт жана негизинен полярсыз, ошондуктан анда дисперсиялык күчтөр гана бар. Ацетондо жокко чыкпаган үч бурчтуу жалпак жайгашуудагы полярдуу C=O байланышы бар, ошондуктан ал диполь–диполдук күчтөрдү кошот, бирок анда O–H байланышы жок жана суутектик байланышты бере албайт. 1-Пропанолдо O–H тобу бар, ошондуктан ал суутектик байланышты кошот. Болжол: бутан < ацетон < 1-пропанол.

NIST Chemistry WebBook нормалдуу кайноо температураларын бутан үчүн болжол менен 273 K (0 °C), ацетон үчүн 329.3 K (56.2 °C) жана 1-пропанол үчүн 370.3 K (97.2 °C) деп берет, T(°C) = T(K) − 273.15 менен айландырып. Тартип болжолго дал келет. Ошол эле ой жүгүртүү бөлмө температурасындагы бууланткан басымды тескери тартипте иреттейт: бутан 25 °C та газ, ацетон тез буулданат, ал эми 1-пропанол жайыраак буулданат.

Чыгарылган мисал: молекуланын өлчөмү диполдон басымдуу болгондо

Эми диэтил эфирин ((C₂H₅)₂O), 1-бутанолду (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) жана гександы (C₆H₁₄) салыштырыңыз. Диэтил эфири менен 1-бутанол изомерлер, экөө тең C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Гексан оорураак: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Диэтил эфири полярдуу, бирок O–H байланышы жок, 1-бутанол суутектик байланыш түзө алат, ал эми гексан полярсыз.

Эки изомердин ортосунда суутектик байланыш чечет: 1-бутанол диэтил эфиринен алда канча жогору кайнашы керек. Гексан үйрөтүүчү учур. Полярдуулук гана эске алынса, ал акыркы орунга коюлмак, бирок гексан чоңураак, электрондору көбүрөөк жана чоюлган чынжыр, ошондуктан анын дисперсиялык күчтөрү эфирдин дисперсиясынан жана анын начар диполь–диполдук тартылуусунан чоңураак.

NIST маанилери муну ырастайт: диэтил эфири 307.7 K (34.6 °C), гексан 341.9 K (68.8 °C) жана 1-бутанол 390.6 K (болжол менен 117 °C). Сабак: полярдуулукту салыштыруу өлчөмү окшош молекулалардын ортосунда эң коопсуз. Өлчөмдөр олуттуу айырмаланганда адегенде дисперсияны карап, андан кийин дипол же суутектик байланыш аны жеңүүгө жетиштүү күчтүүбү, ошону сураңыз. Эригичтик да күчтөрдү ээрчийт: гексан сууда дээрлик эрибейт, ал эми суу менен суутектик байланыш түзө алган 1-бутанол жарым-жартылай эрийт.

Молекулалар аралык күчтөрдү салыштырууда болтурбоо керек болгон каталар

Иреттегенге чейин ар бир заттын эң күчтүүсүн эле эмес, бардык күчтөрүн тизмелеп, молярдык массаларды белгилеп коюңуз. Бул эң кеңири таралган катадан сактайт: өлчөмдү эске албай, «полярдуу» жана «полярсыз» сыяктуу белгилерди гана салыштыруу.

Төмөнкү каталар кайноо температурасы жана эригичтик боюнча түшүндүрмөлөрдө кайра-кайра кездешет.

• Кайноо коваленттик байланыштарды үзөт деп айтуу. Кайноо молекулаларды бөлөт; молекулалар бүтүн калат.
• Суутек камтыган ар бир молекулага суутектик байланыш бар деп ырастоо. Суутек N, O же F га байланышкан болушу керек.
• Полярсыз заттарда молекулалар аралык күчтөр жок деп эсептөө. Бардык заттарда дисперсиялык күчтөр бар.
• Өлчөмү абдан ар башка молекулаларды гексан мисалы көрсөткөндөй, жалгыз полярдуулук боюнча иреттөө.
• Бууланткан басымдын тенденциясын тескери кылуу. Күчтүүрөөк МАК төмөнкү бууланткан басымды жана жогорураак кайноо температурасын билдирет.
• «Окшош окшошту эритет» дегенди эреже эмес, мыйзам катары кабыл алуу. Эригичтик энтропияга жана температурага да көз каранды.