Nguvu kati ya Molekuli: Kiwango cha Kuchemka, Shinikizo la Mvuke na Umumunyifu

Mvuto kati ya molekuli, si vifungo ndani yake

Vifungo vya ushirikiano vinashikilia atomi za molekuli pamoja. Nguvu kati ya molekuli (IMF) ni mvuto dhaifu zaidi sana kati ya molekuli tofauti, na ndizo zinazopaswa kushindwa kimiminika kinapochemka au kigumu kinapoyeyuka. Maji yanapochemka, gesi inayotokea bado imeundwa na molekuli za H₂O; hakuna vifungo vya O–H vinavyovunjika. Mvuto kati ya molekuli jirani pekee ndio unaovurugwa.

Kwa kuwa nguvu hizi zinatawala jinsi molekuli zinavyoshikamana, zinadhibiti seti ya sifa za kimwili pamoja. IMF zenye nguvu zaidi kwa ujumla humaanisha kiwango cha juu cha kuchemka, enthalpi ya juu ya uvukizi, shinikizo la chini la mvuke katika joto fulani, na mara nyingi mnato na mvutano wa uso wa juu zaidi. Ukiweza kupanga IMF, kwa kawaida unaweza kupanga yote haya kwa wakati mmoja.

Nguvu za utawanyiko za London katika kila dutu

Nguvu za utawanyiko hutokea kwa sababu usambazaji wa elektroni hubadilika-badilika. Wakati wowote elektroni katika molekuli zinaweza kuwa zisizo sawa kidogo, zikiunda dipoli ya muda inayosababisha dipoli inayolingana kwa jirani. Hizo mbili huvutana kwa muda mfupi, na mtindo hurudiwa katika kimiminika kizima. Kila atomi na molekuli hupitia nguvu za utawanyiko, ikiwa na ukanda au la.

Nguvu ya utawanyiko inategemea upolarishaji, yaani jinsi wingu la elektroni linavyoweza kupotoshwa kwa urahisi. Molekuli kubwa zenye elektroni nyingi zaidi zinapolarishwa kwa urahisi zaidi, kwa hivyo nguvu za utawanyiko kwa ujumla huongezeka kwa uzito wa molari ndani ya familia ya misombo inayofanana. Umbo pia ni muhimu: molekuli ndefu, zilizonyooka zina uso mwingi zaidi unaogusa majirani kuliko zilizobana, zenye matawi za fomula ile ile, kwa hivyo huvutana kwa nguvu zaidi.

Usidharau utawanyiko. Katika molekuli kubwa mara nyingi ndio mchango mkubwa zaidi wa mvuto wa jumla, hata molekuli inapokuwa na ukanda pia.

Mvuto wa dipoli–dipoli na kifungo cha hidrojeni

Molekuli zenye ukanda zina dipoli za kudumu, kwa hivyo katika kimiminika huelekea kujipanga huku ncha yenye chaji chanya sehemu ya molekuli moja ikiwa karibu na ncha yenye chaji hasi sehemu ya nyingine. Mvuto huu wa dipoli–dipoli huongezwa kwenye nguvu za utawanyiko ambazo daima zipo. Kuamua kama molekuli ina ukanda kunahitaji ukanda wa vifungo vyake na umbo lake.

Kifungo cha hidrojeni ni mvuto wa dipoli–dipoli wenye nguvu hasa. Kinahitaji atomi ya hidrojeni iliyounganishwa kwa ushirikiano na naitrojeni, oksijeni au florini (mtoaji) na jozi pweke kwenye atomi jirani ya N, O au F (mpokeaji). Kifungo chenye ukanda mkubwa cha N–H, O–H au F–H kinaiacha atomi ndogo ya hidrojeni na chaji chanya sehemu kubwa inayoweza kukaribia jozi pweke ya mpokeaji kwa karibu.

Molekuli inaweza kuwa mpokeaji bila kuwa mtoaji. Asetoni, (CH₃)₂CO, ina jozi pweke kwenye oksijeni lakini hidrojeni zake zote zimeunganishwa na kaboni, kwa hivyo molekuli za asetoni haziwezi kuunda kifungo cha hidrojeni kati yake. Hata hivyo, zinaweza kupokea vifungo vya hidrojeni kutoka kwa maji, ambalo ni mojawapo ya sababu asetoni huchanganyika na maji kwa uwiano wowote.

Nguvu za ioni–dipoli na kuyeyusha vigumu vya ioni

Kigumu cha ioni kinapoyeyuka majini, kila ioni huzungukwa na molekuli za maji zilizoelekezwa kwake: ncha za oksijeni zenye chaji hasi sehemu huelekea kationi, na ncha za hidrojeni zenye chaji chanya sehemu huelekea anioni. Mvuto huu wa ioni–dipoli hutoa nishati ya kutosha kufidia sehemu kubwa ya nishati inayohitajika kutenganisha ioni kutoka kwenye kristali. Mvuto ni mkubwa zaidi kwa ioni za chaji ya juu na ukubwa mdogo.

Nguvu za ioni–dipoli zinaeleza kwa nini bromidi ya potasiamu huyeyuka kwa urahisi majini lakini karibu hata kidogo katika heksani, isiyo na dipoli ya kuvutia ioni. Kanuni ya jumla "kinachofanana huyeyusha kinachofanana" inafupisha hili: dutu huyeyuka vyema zaidi katika viyeyusho ambavyo nguvu zao kati ya molekuli zinafanana na zake. Iodini, molekuli isiyo na ukanda, huyeyuka vizuri katika heksani, ambapo nguvu za utawanyiko kati ya kiyeyushwa na kiyeyusho zinalingana na zile zilizo ndani ya kila dutu safi.

Mfano uliotatuliwa: vimiminika vitatu vyenye uzito wa molari karibu sawa

Panga butani (CH₃CH₂CH₂CH₃), asetoni ((CH₃)₂CO) na 1-propanoli (CH₃CH₂CH₂OH) kwa kiwango cha kuchemka. Kwanza linganisha uzito wa molari, kwa kutumia uzito wa kawaida wa atomi wa IUPAC uliozungushwa hadi nafasi mbili za desimali (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Butani, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Asetoni, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-Propanoli, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Uzito unatofautiana kwa chini ya 4%, kwa hivyo nguvu za utawanyiko zinapaswa kuwa takriban sawa na tofauti zitatokana na ukanda.

Kisha ainisha nguvu. Butani ina vifungo vya C–C na C–H pekee na haina ukanda kimsingi, kwa hivyo ina nguvu za utawanyiko pekee. Asetoni ina kifungo chenye ukanda cha C=O katika mpangilio wa pembetatu bapa usiofutika, kwa hivyo inaongeza nguvu za dipoli–dipoli, lakini haina kifungo cha O–H na haiwezi kutoa vifungo vya hidrojeni. 1-Propanoli ina kundi la O–H, kwa hivyo inaongeza kifungo cha hidrojeni. Utabiri ni butani < asetoni < 1-propanoli.

NIST Chemistry WebBook inaorodhesha viwango vya kawaida vya kuchemka vya takriban 273 K (0 °C) kwa butani, 329.3 K (56.2 °C) kwa asetoni na 370.3 K (97.2 °C) kwa 1-propanoli, ikibadilisha kwa T(°C) = T(K) − 273.15. Mpangilio unalingana na utabiri. Hoja ile ile inapanga shinikizo la mvuke katika joto la chumba kwa mpangilio kinyume: butani ni gesi katika 25 °C, asetoni huvukiza haraka, na 1-propanoli huvukiza polepole zaidi.

Mfano uliotatuliwa: wakati ukubwa wa molekuli unazidi dipoli

Sasa linganisha dietili etha ((C₂H₅)₂O), 1-butanoli (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) na heksani (C₆H₁₄). Dietili etha na 1-butanoli ni isoma, zote C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Heksani ni nzito zaidi: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Dietili etha ina ukanda lakini haina kifungo cha O–H, 1-butanoli inaweza kuunda kifungo cha hidrojeni, na heksani haina ukanda.

Kati ya isoma hizo mbili, kifungo cha hidrojeni huamua: 1-butanoli inapaswa kuchemka juu zaidi kuliko dietili etha. Heksani ndiyo kesi ya kufundisha. Hoja ya ukanda pekee ingeiweka mwisho, lakini heksani ni kubwa zaidi, ina elektroni nyingi zaidi na ni mnyororo ulionyooka, kwa hivyo nguvu zake za utawanyiko ni kubwa kuliko utawanyiko wa etha pamoja na mvuto wake dhaifu wa dipoli–dipoli.

Thamani za NIST zinathibitisha hili: dietili etha 307.7 K (34.6 °C), heksani 341.9 K (68.8 °C) na 1-butanoli 390.6 K (takriban 117 °C). Somo ni kwamba ulinganisho wa ukanda ni salama zaidi kati ya molekuli za ukubwa unaofanana. Ukubwa unapotofautiana sana, fikiria utawanyiko kwanza kisha uulize kama dipoli au kifungo cha hidrojeni kina nguvu ya kutosha kuubatilisha. Umumunyifu pia hufuata nguvu hizi: heksani karibu haiyeyuki majini, wakati 1-butanoli, inayoweza kuunda kifungo cha hidrojeni na maji, huyeyuka kwa sehemu.

Makosa ya kuepuka wakati wa kulinganisha nguvu kati ya molekuli

Kabla ya kupanga, orodhesha kila nguvu ambayo kila dutu ina badala ya yenye nguvu zaidi tu, na uandike uzito wa molari. Hii inazuia kosa la kawaida zaidi, ambalo ni kulinganisha lebo tu kama "ina ukanda" na "haina ukanda" huku ukipuuza ukubwa.

Makosa yaliyo hapa chini hujitokeza mara kwa mara katika maelezo ya kiwango cha kuchemka na umumunyifu.

• Kusema kuchemka huvunja vifungo vya ushirikiano. Kuchemka hutenganisha molekuli; molekuli hubaki kamili.
• Kudai kifungo cha hidrojeni kwa molekuli yoyote yenye hidrojeni. Hidrojeni lazima iunganishwe na N, O au F.
• Kuchukulia dutu zisizo na ukanda kuwa hazina nguvu kati ya molekuli. Dutu zote zina nguvu za utawanyiko.
• Kupanga molekuli za ukubwa tofauti sana kwa ukanda pekee, kama mfano wa heksani unavyoonyesha.
• Kugeuza mwelekeo wa shinikizo la mvuke. IMF zenye nguvu zaidi humaanisha shinikizo la chini la mvuke na kiwango cha juu cha kuchemka.
• Kuchukulia "kinachofanana huyeyusha kinachofanana" kama sheria badala ya kanuni ya kidole gumba. Umumunyifu pia hutegemea entropi na joto.