आंतरआण्विक बले: उत्कलनबिंदू, बाष्पदाब आणि विद्राव्यता

रेणूंमधील आकर्षणे, त्यांच्या आतील बंध नव्हे

सहसंयुज बंध रेणूतील अणूंना एकत्र धरतात. आंतरआण्विक बले (IMF) ही वेगळ्या रेणूंमधील खूप दुर्बल आकर्षणे आहेत, आणि द्रव उकळतो किंवा घन वितळतो तेव्हा त्यांच्यावर मात करावी लागते. पाणी उकळते तेव्हा तयार होणारा वायू अजूनही H₂O रेणूंचाच असतो; कोणतेही O–H बंध तुटत नाहीत. फक्त शेजारच्या रेणूंमधील आकर्षणे विस्कळीत होतात.

ही बले रेणू एकमेकांना किती जोराने चिकटतात ते नियंत्रित करत असल्याने ती भौतिक गुणधर्मांचा एक संच एकत्रितपणे नियंत्रित करतात. प्रबल IMF सामान्यतः अधिक उत्कलनबिंदू, अधिक बाष्पीभवन एन्थॅल्पी, दिलेल्या तापमानावर कमी बाष्पदाब आणि अनेकदा अधिक श्यानता व पृष्ठीय ताण दर्शवतात. IMF चा क्रम लावता आला तर तुम्ही सहसा या सर्वांचा क्रम एकाच वेळी लावू शकता.

प्रत्येक पदार्थात लंडन परिक्षेपण बले

परिक्षेपण बले इलेक्ट्रॉन वितरणे चढउतार करतात म्हणून निर्माण होतात. कोणत्याही क्षणी रेणूतील इलेक्ट्रॉन थोडे असमान असू शकतात, ज्यामुळे तात्पुरता द्विध्रुव तयार होतो जो शेजाऱ्यात जुळणारा द्विध्रुव प्रवर्तित करतो. दोघे थोडा वेळ आकर्षित होतात, आणि हा नमुना संपूर्ण द्रवात पुन्हा पुन्हा घडतो. प्रत्येक अणू आणि रेणू, ध्रुवीय असो वा नसो, परिक्षेपण बले अनुभवतो.

परिक्षेपण बलांची तीव्रता ध्रुवीकरणक्षमतेवर अवलंबून असते, म्हणजे इलेक्ट्रॉन ढग किती सहज विकृत होतो. अधिक इलेक्ट्रॉन असलेले मोठे रेणू अधिक ध्रुवीकरणक्षम असतात, म्हणून समान संयुगांच्या कुळात परिक्षेपण बले सामान्यतः मोलर वस्तुमानासोबत वाढतात. आकारही महत्त्वाचा असतो: लांब, ताणलेल्या रेणूंचा शेजाऱ्यांशी संपर्कातील पृष्ठभाग समान सूत्राच्या संहत, शाखायुक्त रेणूंपेक्षा जास्त असतो, म्हणून ते एकमेकांना अधिक जोराने आकर्षित करतात.

परिक्षेपणाला कमी लेखू नका. मोठ्या रेणूंमध्ये रेणू ध्रुवीय असतानाही एकूण आकर्षणातील सर्वात मोठे योगदान अनेकदा तेच असते.

द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षणे आणि हायड्रोजन बंध

ध्रुवीय रेणूंना कायमचे द्विध्रुव असतात, म्हणून द्रवात ते एका रेणूचे आंशिक धन टोक दुसऱ्याच्या आंशिक ऋण टोकाजवळ येईल अशा दिशेने मांडले जातात. हे द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण नेहमी उपस्थित असलेल्या परिक्षेपण बलांमध्ये भर घालते. रेणू ध्रुवीय आहे का हे ठरवण्यासाठी त्याच्या बंध ध्रुवीयता आणि आकार दोन्ही लागतात.

हायड्रोजन बंध हे विशेषतः प्रबल द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षण आहे. त्यासाठी नायट्रोजन, ऑक्सिजन किंवा फ्लोरीनशी सहसंयुज बंधाने जोडलेला हायड्रोजन अणू (दाता) आणि जवळच्या N, O किंवा F अणूवरील एकाकी जोडी (स्वीकारक) लागते. अतिशय ध्रुवीय N–H, O–H किंवा F–H बंध लहान हायड्रोजन अणूवर मोठा आंशिक धन प्रभार ठेवतो, जो स्वीकारकाच्या एकाकी जोडीच्या जवळ येऊ शकतो.

रेणू दाता नसताना स्वीकारक असू शकतो. ॲसिटोन, (CH₃)₂CO, च्या ऑक्सिजनवर एकाकी जोडी आहे पण त्याचे सर्व हायड्रोजन कार्बनशी जोडलेले आहेत, म्हणून ॲसिटोनचे रेणू एकमेकांशी हायड्रोजन बंध बनवू शकत नाहीत. तथापि ते पाण्याकडून हायड्रोजन बंध स्वीकारू शकतात, हे ॲसिटोन पाण्यात सर्व प्रमाणात मिसळण्याचे एक कारण आहे.

आयन–द्विध्रुव बले आणि आयनिक घन पदार्थांचे विरघळणे

आयनिक घन पदार्थ पाण्यात विरघळतो तेव्हा प्रत्येक आयन त्याच्याकडे वळलेल्या पाण्याच्या रेणूंनी वेढला जातो: आंशिक ऋण ऑक्सिजन टोके धनायनांकडे आणि आंशिक धन हायड्रोजन टोके ऋणायनांकडे असतात. हे आयन–द्विध्रुव आकर्षण स्फटिकातून आयन वेगळे करण्यासाठी लागणाऱ्या ऊर्जेचा बराच भाग भरून काढण्याइतकी ऊर्जा मुक्त करते. आकर्षण अधिक प्रभाराच्या आणि लहान आकाराच्या आयनांसाठी अधिक प्रबल असते.

आयन–द्विध्रुव बले स्पष्ट करतात की पोटॅशियम ब्रोमाइड पाण्यात सहज विरघळते पण हेक्सेनमध्ये जवळजवळ मुळीच नाही, कारण हेक्सेनमध्ये आयनांना आकर्षित करणारा द्विध्रुव नसतो. "सारखे सारख्यात विरघळते" हा सामान्य नियम हे सारांशित करतो: पदार्थ अशा विद्रावकांत सर्वोत्तम विरघळतात ज्यांची आंतरआण्विक बले त्यांच्या स्वतःच्या बलांसारखी असतात. आयोडीन, अध्रुवीय रेणू, हेक्सेनमध्ये चांगला विरघळतो, जेथे विद्राव्य आणि विद्रावक यांच्यातील परिक्षेपण बले प्रत्येक शुद्ध पदार्थातील बलांशी तुलनीय असतात.

सोडवलेले उदाहरण: जवळजवळ सारख्या मोलर वस्तुमानाचे तीन द्रव

ब्युटेन (CH₃CH₂CH₂CH₃), ॲसिटोन ((CH₃)₂CO) आणि 1-प्रोपेनॉल (CH₃CH₂CH₂OH) यांचा उत्कलनबिंदूनुसार क्रम लावा. आधी दोन दशांश स्थानांपर्यंत पूर्णांकित केलेले IUPAC प्रमाणित अणुभार (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) वापरून मोलर वस्तुमानांची तुलना करा. ब्युटेन, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. ॲसिटोन, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-प्रोपेनॉल, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. वस्तुमानांमध्ये 4% पेक्षा कमी फरक आहे, म्हणून परिक्षेपण बले साधारण सारखी असावीत आणि फरक ध्रुवीयतेतून येतील.

पुढे बलांचे वर्गीकरण करा. ब्युटेनमध्ये फक्त C–C आणि C–H बंध आहेत आणि तो मुख्यतः अध्रुवीय आहे, म्हणून त्यात फक्त परिक्षेपण बले आहेत. ॲसिटोनमध्ये त्रिकोणीय समतलीय मांडणीत ध्रुवीय C=O बंध आहे जो छेदला जात नाही, म्हणून त्यात द्विध्रुव–द्विध्रुव बले जोडली जातात, पण त्यात O–H बंध नाही आणि तो हायड्रोजन बंध देऊ शकत नाही. 1-प्रोपेनॉलमध्ये O–H गट आहे, म्हणून त्यात हायड्रोजन बंध जोडला जातो. अंदाज ब्युटेन < ॲसिटोन < 1-प्रोपेनॉल असा आहे.

NIST Chemistry WebBook ब्युटेनसाठी सुमारे 273 K (0 °C), ॲसिटोनसाठी 329.3 K (56.2 °C) आणि 1-प्रोपेनॉलसाठी 370.3 K (97.2 °C) सामान्य उत्कलनबिंदू देते, T(°C) = T(K) − 273.15 वापरून रूपांतर करून. क्रम अंदाजाशी जुळतो. तोच तर्क खोलीच्या तापमानावरील बाष्पदाबाचा क्रम उलट लावतो: ब्युटेन 25 °C वर वायू आहे, ॲसिटोन झपाट्याने बाष्पीभवन पावते आणि 1-प्रोपेनॉल अधिक हळू बाष्पीभवन पावते.

सोडवलेले उदाहरण: रेणूचा आकार द्विध्रुवापेक्षा वरचढ ठरतो तेव्हा

आता डायएथिल ईथर ((C₂H₅)₂O), 1-ब्युटेनॉल (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) आणि हेक्सेन (C₆H₁₄) यांची तुलना करा. डायएथिल ईथर आणि 1-ब्युटेनॉल समघटक आहेत, दोन्ही C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. हेक्सेन जास्त जड आहे: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. डायएथिल ईथर ध्रुवीय आहे पण त्यात O–H बंध नाही, 1-ब्युटेनॉल हायड्रोजन बंध करू शकते, आणि हेक्सेन अध्रुवीय आहे.

दोन समघटकांमध्ये हायड्रोजन बंध निर्णायक ठरतो: 1-ब्युटेनॉल डायएथिल ईथरपेक्षा खूप उंच तापमानाला उकळले पाहिजे. हेक्सेन हे बोधप्रद उदाहरण आहे. फक्त ध्रुवीयतेचा युक्तिवाद त्याला शेवटी ठेवेल, पण हेक्सेन मोठे आहे, त्यात अधिक इलेक्ट्रॉन आहेत आणि ती ताणलेली साखळी आहे, म्हणून त्याची परिक्षेपण बले ईथरच्या परिक्षेपणाच्या आणि त्याच्या दुर्बल द्विध्रुव–द्विध्रुव आकर्षणाच्या बेरजेपेक्षा मोठी आहेत.

NIST ची मूल्ये याची पुष्टी करतात: डायएथिल ईथर 307.7 K (34.6 °C), हेक्सेन 341.9 K (68.8 °C) आणि 1-ब्युटेनॉल 390.6 K (सुमारे 117 °C). धडा असा की ध्रुवीयतेची तुलना सारख्या आकाराच्या रेणूंमध्ये सर्वात सुरक्षित असते. आकार लक्षणीयरीत्या वेगळे असतील तेव्हा आधी परिक्षेपणाचा विचार करा आणि मग द्विध्रुव किंवा हायड्रोजन बंध त्याला उलथवून टाकण्याइतका प्रबल आहे का ते विचारा. विद्राव्यताही बलांचेच अनुसरण करते: हेक्सेन पाण्यात मुळात अविद्राव्य आहे, तर पाण्याशी हायड्रोजन बंध करू शकणारे 1-ब्युटेनॉल अंशतः विद्राव्य आहे.

आंतरआण्विक बलांची तुलना करताना टाळायच्या चुका

क्रम लावण्यापूर्वी प्रत्येक पदार्थातील फक्त सर्वात प्रबल बलच नव्हे तर सर्व बलांची यादी करा आणि मोलर वस्तुमानांची नोंद घ्या. यामुळे सर्वात सामान्य चूक टळते, म्हणजे आकाराकडे दुर्लक्ष करून फक्त "ध्रुवीय" आणि "अध्रुवीय" यांसारख्या लेबलांची तुलना करणे.

उत्कलनबिंदू आणि विद्राव्यतेच्या स्पष्टीकरणांमध्ये खालील चुका वारंवार येतात.

• उकळल्याने सहसंयुज बंध तुटतात असे म्हणणे. उकळणे रेणू वेगळे करते; रेणू अखंड राहतात.
• हायड्रोजन असलेल्या कोणत्याही रेणूसाठी हायड्रोजन बंधाचा दावा करणे. हायड्रोजन N, O किंवा F शी जोडलेला असला पाहिजे.
• अध्रुवीय पदार्थांमध्ये आंतरआण्विक बले नसतात असे मानणे. सर्व पदार्थांमध्ये परिक्षेपण बले असतात.
• खूप वेगळ्या आकाराच्या रेणूंचा क्रम केवळ ध्रुवीयतेने लावणे, जसे हेक्सेनचे उदाहरण दाखवते.
• बाष्पदाबाची प्रवृत्ती उलटी लावणे. प्रबल IMF म्हणजे कमी बाष्पदाब आणि अधिक उत्कलनबिंदू.
• "सारखे सारख्यात विरघळते" याला अंगठ्याच्या नियमाऐवजी नियम मानणे. विद्राव्यता एन्ट्रॉपी आणि तापमानावरही अवलंबून असते.