Daya Antara Molekul: Takat Didih, Tekanan Wap dan Keterlarutan

Tarikan antara molekul, bukan ikatan di dalamnya

Ikatan kovalen memegang atom sesuatu molekul bersama. Daya antara molekul (IMF) ialah tarikan yang jauh lebih lemah antara molekul yang berasingan, dan itulah yang mesti diatasi apabila cecair mendidih atau pepejal melebur. Apabila air mendidih, gas yang terbentuk masih terdiri daripada molekul H₂O; tiada ikatan O–H yang putus. Hanya tarikan antara molekul jiran yang terganggu.

Oleh sebab daya ini menentukan sekuat mana molekul melekat antara satu sama lain, ia mengawal satu set sifat fizikal bersama-sama. IMF yang lebih kuat secara amnya bermakna takat didih yang lebih tinggi, entalpi pengewapan yang lebih tinggi, tekanan wap yang lebih rendah pada suhu tertentu, dan selalunya kelikatan serta ketegangan permukaan yang lebih tinggi. Jika anda boleh menyusun IMF, anda biasanya boleh menyusun semua ini sekali gus.

Daya serakan London dalam setiap bahan

Daya serakan timbul kerana taburan elektron berubah-ubah. Pada bila-bila masa, elektron dalam molekul mungkin sedikit tidak sekata, mewujudkan dwikutub sementara yang mendorong dwikutub yang sepadan pada jiran. Kedua-duanya saling menarik seketika, dan corak itu berulang merentasi seluruh cecair. Setiap atom dan molekul mengalami daya serakan, berkutub atau tidak.

Kekuatan daya serakan bergantung pada kebolehkutuban, iaitu betapa mudahnya awan elektron boleh diherot. Molekul yang lebih besar dengan lebih banyak elektron lebih mudah dikutubkan, jadi daya serakan secara amnya meningkat dengan jisim molar dalam keluarga sebatian yang serupa. Bentuk juga penting: molekul panjang dan memanjang mempunyai lebih banyak permukaan bersentuhan dengan jirannya berbanding molekul padat dan bercabang dengan formula yang sama, jadi ia saling menarik dengan lebih kuat.

Jangan memandang rendah serakan. Dalam molekul besar ia selalunya sumbangan terbesar kepada jumlah tarikan, walaupun molekul itu juga berkutub.

Tarikan dwikutub–dwikutub dan ikatan hidrogen

Molekul berkutub mempunyai dwikutub kekal, jadi dalam cecair ia cenderung berorientasi dengan hujung positif separa satu molekul berhampiran hujung negatif separa molekul lain. Tarikan dwikutub–dwikutub ini menambah kepada daya serakan yang sentiasa ada. Menentukan sama ada molekul berkutub memerlukan kekutuban ikatan dan bentuknya.

Ikatan hidrogen ialah tarikan dwikutub–dwikutub yang amat kuat. Ia memerlukan atom hidrogen yang terikat secara kovalen kepada nitrogen, oksigen atau fluorin (penderma) dan pasangan bebas pada atom N, O atau F yang berdekatan (penerima). Ikatan N–H, O–H atau F–H yang sangat berkutub meninggalkan atom hidrogen yang kecil dengan cas positif separa yang besar yang dapat menghampiri pasangan bebas penerima dengan rapat.

Molekul boleh menjadi penerima tanpa menjadi penderma. Aseton, (CH₃)₂CO, mempunyai pasangan bebas pada oksigen tetapi semua hidrogennya terikat kepada karbon, jadi molekul aseton tidak boleh membentuk ikatan hidrogen sesama sendiri. Namun, ia boleh menerima ikatan hidrogen daripada air, yang merupakan salah satu sebab aseton bercampur dengan air dalam semua kadar.

Daya ion–dwikutub dan pelarutan pepejal ion

Apabila pepejal ion larut dalam air, setiap ion dikelilingi molekul air yang berorientasi ke arahnya: hujung oksigen negatif separa menghadap kation, dan hujung hidrogen positif separa menghadap anion. Tarikan ion–dwikutub ini membebaskan tenaga yang cukup untuk mengimbangi banyak tenaga yang diperlukan untuk memisahkan ion daripada hablur. Tarikan lebih kuat bagi ion yang bercas lebih tinggi dan bersaiz lebih kecil.

Daya ion–dwikutub menerangkan mengapa kalium bromida larut dengan mudah dalam air tetapi hampir tidak langsung dalam heksana, yang tidak mempunyai dwikutub untuk menarik ion. Peraturan umum "yang serupa melarutkan yang serupa" meringkaskan perkara ini: bahan larut paling baik dalam pelarut yang daya antara molekulnya serupa dengan daya bahan itu sendiri. Iodin, molekul tak berkutub, larut dengan baik dalam heksana, yang daya serakan antara zat terlarut dan pelarut setanding dengan daya dalam setiap bahan tulen.

Contoh penyelesaian: tiga cecair dengan jisim molar hampir sama

Susun butana (CH₃CH₂CH₂CH₃), aseton ((CH₃)₂CO) dan 1-propanol (CH₃CH₂CH₂OH) mengikut takat didih. Mula-mula bandingkan jisim molar, menggunakan berat atom piawai IUPAC yang dibundarkan kepada dua tempat perpuluhan (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Butana, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Aseton, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-Propanol, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Jisim berbeza kurang daripada 4%, jadi daya serakan sepatutnya lebih kurang serupa dan perbezaannya akan datang daripada kekutuban.

Seterusnya kelaskan dayanya. Butana hanya mengandungi ikatan C–C dan C–H dan pada asasnya tidak berkutub, jadi ia hanya mempunyai daya serakan. Aseton mempunyai ikatan C=O berkutub dalam susunan satah trigon yang tidak terbatal, jadi ia menambah daya dwikutub–dwikutub, tetapi ia tiada ikatan O–H dan tidak boleh menderma ikatan hidrogen. 1-Propanol mempunyai kumpulan O–H, jadi ia menambah ikatan hidrogen. Ramalannya ialah butana < aseton < 1-propanol.

NIST Chemistry WebBook menyenaraikan takat didih normal kira-kira 273 K (0 °C) untuk butana, 329.3 K (56.2 °C) untuk aseton dan 370.3 K (97.2 °C) untuk 1-propanol, menukar dengan T(°C) = T(K) − 273.15. Tertib itu sepadan dengan ramalan. Penaakulan yang sama menyusun tekanan wap pada suhu bilik dalam tertib terbalik: butana ialah gas pada 25 °C, aseton meruap dengan cepat, dan 1-propanol meruap lebih perlahan.

Contoh penyelesaian: apabila saiz molekul mengatasi dwikutub

Sekarang bandingkan dietil eter ((C₂H₅)₂O), 1-butanol (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) dan heksana (C₆H₁₄). Dietil eter dan 1-butanol ialah isomer, kedua-duanya C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Heksana lebih berat: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Dietil eter berkutub tetapi tiada ikatan O–H, 1-butanol boleh membentuk ikatan hidrogen, dan heksana tidak berkutub.

Antara kedua-dua isomer, ikatan hidrogen menentukan: 1-butanol sepatutnya mendidih jauh di atas dietil eter. Heksana ialah kes yang bermakna. Hujah kekutuban sahaja akan meletakkannya paling akhir, tetapi heksana lebih besar, mempunyai lebih banyak elektron dan ialah rantai memanjang, jadi daya serakannya lebih besar daripada serakan eter ditambah tarikan dwikutub–dwikutubnya yang lemah.

Nilai NIST mengesahkan perkara ini: dietil eter 307.7 K (34.6 °C), heksana 341.9 K (68.8 °C) dan 1-butanol 390.6 K (kira-kira 117 °C). Pengajarannya ialah perbandingan kekutuban paling selamat antara molekul yang bersaiz serupa. Apabila saiz berbeza dengan ketara, pertimbangkan serakan dahulu kemudian tanya sama ada dwikutub atau ikatan hidrogen cukup kuat untuk mengatasinya. Keterlarutan juga mengikut daya ini: heksana pada asasnya tidak larut dalam air, manakala 1-butanol, yang boleh membentuk ikatan hidrogen dengan air, larut sebahagian.

Kesilapan yang perlu dielakkan semasa membandingkan daya antara molekul

Sebelum menyusun, senaraikan setiap daya yang dimiliki setiap bahan dan bukannya hanya yang paling kuat, dan catat jisim molar. Ini mengelakkan kesilapan paling lazim, iaitu membandingkan label seperti "berkutub" dan "tak berkutub" sahaja sambil mengabaikan saiz.

Kesilapan di bawah kerap muncul dalam penjelasan tentang takat didih dan keterlarutan.

• Mengatakan bahawa pendidihan memutuskan ikatan kovalen. Pendidihan memisahkan molekul; molekul kekal utuh.
• Mendakwa ikatan hidrogen bagi mana-mana molekul yang mengandungi hidrogen. Hidrogen mesti terikat kepada N, O atau F.
• Menganggap bahan tak berkutub tidak mempunyai daya antara molekul. Semua bahan mempunyai daya serakan.
• Menyusun molekul yang saiznya sangat berbeza berdasarkan kekutuban sahaja, seperti ditunjukkan oleh contoh heksana.
• Menyongsangkan aliran tekanan wap. IMF yang lebih kuat bermakna tekanan wap yang lebih rendah dan takat didih yang lebih tinggi.
• Menganggap "yang serupa melarutkan yang serupa" sebagai hukum dan bukannya petua kasar. Keterlarutan juga bergantung pada entropi dan suhu.