மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகள்: கொதிநிலை, ஆவி அழுத்தம், கரைதிறன்

மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான கவர்ச்சிகள், மூலக்கூறுகளுக்குள் உள்ள பிணைப்புகள் அல்ல

சகப்பிணைப்புகள் ஒரு மூலக்கூறின் அணுக்களை ஒன்றாகப் பிடித்துள்ளன. மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகள் (IMFs) தனித்தனி மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான மிகவும் பலவீனமான கவர்ச்சிகள்; ஒரு திரவம் கொதிக்கும்போது அல்லது திண்மம் உருகும்போது இவற்றையே வெல்ல வேண்டும். நீர் கொதிக்கும்போது, உருவாகும் வாயு இன்னும் H₂O மூலக்கூறுகளால் ஆனது; எந்த O–H பிணைப்பும் உடைவதில்லை. அண்டை மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான கவர்ச்சிகள் மட்டுமே சீர்குலைகின்றன.

இந்த விசைகள் மூலக்கூறுகள் ஒன்றோடொன்று எவ்வளவு வலுவாகப் பற்றிக்கொள்கின்றன என்பதைக் கட்டுப்படுத்துவதால், அவை இயற்பியல் பண்புகளின் தொகுப்பை ஒருசேரக் கட்டுப்படுத்துகின்றன. வலுவான IMF-கள் பொதுவாக உயர் கொதிநிலை, உயர் ஆவியாதல் என்தால்பி, குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் குறைந்த ஆவி அழுத்தம், பெரும்பாலும் அதிக பாகுத்தன்மை, பரப்பு இழுவிசை ஆகியவற்றைக் குறிக்கின்றன. IMF-களை நீங்கள் வரிசைப்படுத்த முடிந்தால், இவை அனைத்தையும் பொதுவாக ஒரே நேரத்தில் வரிசைப்படுத்தலாம்.

ஒவ்வொரு பொருளிலும் லண்டன் சிதறல் விசைகள்

எலக்ட்ரான் பரவல்கள் ஏற்ற இறக்கம் அடைவதால் சிதறல் விசைகள் எழுகின்றன. எந்த நொடியிலும் ஒரு மூலக்கூறில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் சிறிது சீரற்றதாக இருக்கலாம்; இது அண்டையில் பொருந்தும் ஓர் இருமுனையைத் தூண்டும் தற்காலிக இருமுனையை உருவாக்குகிறது. இரண்டும் சிறிது நேரம் கவர்கின்றன, இந்த வடிவம் முழுத் திரவத்திலும் மீண்டும் நிகழ்கிறது. ஒவ்வோர் அணுவும் மூலக்கூறும், முனைவுள்ளதாயினும் இல்லாவிட்டாலும், சிதறல் விசைகளை அனுபவிக்கிறது.

சிதறல் விசைகளின் வலிமை முனைவாக்கத்திறனைச் சார்ந்தது, அதாவது எலக்ட்ரான் மேகம் எவ்வளவு எளிதாகத் திரிபடைகிறது என்பது. அதிக எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட பெரிய மூலக்கூறுகள் அதிக முனைவாக்கத்திறன் உடையவை; எனவே ஒத்த சேர்மங்களின் குடும்பத்தில் மோலார் நிறையுடன் சிதறல் விசைகள் பொதுவாக அதிகரிக்கின்றன. வடிவமும் முக்கியம்: நீளமான, விரிந்த மூலக்கூறுகள் அதே வாய்ப்பாடு கொண்ட கச்சிதமான, கிளைகள் உள்ளவற்றை விட அண்டை மூலக்கூறுகளுடன் அதிக பரப்பளவுத் தொடர்பு கொண்டுள்ளன; எனவே அவை ஒன்றையொன்று வலுவாகக் கவர்கின்றன.

சிதறலை மதிப்பிடக் குறைவாகக் கருதாதீர்கள். பெரிய மூலக்கூறுகளில் மூலக்கூறு முனைவுள்ளதாக இருந்தாலும், மொத்தக் கவர்ச்சிக்கு அதுவே பெரும்பாலும் மிகப் பெரிய பங்களிப்பு.

இருமுனை–இருமுனைக் கவர்ச்சிகளும் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பும்

முனைவுள்ள மூலக்கூறுகளுக்கு நிரந்தர இருமுனைகள் உள்ளன; எனவே திரவத்தில் ஒரு மூலக்கூறின் பகுதி நேர்மின்னூட்ட முனை மற்றொன்றின் பகுதி எதிர்மின்னூட்ட முனைக்கு அருகில் இருக்கும்படி அவை திசைப்படுகின்றன. இந்த இருமுனை–இருமுனைக் கவர்ச்சி எப்போதும் இருக்கும் சிதறல் விசைகளுடன் சேர்கிறது. ஒரு மூலக்கூறு முனைவுள்ளதா என்பதைத் தீர்மானிக்க அதன் பிணைப்பு முனைவுத்தன்மைகளும் வடிவமும் தேவை.

ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு ஒரு குறிப்பாக வலுவான இருமுனை–இருமுனைக் கவர்ச்சி. இதற்கு நைட்ரஜன், ஆக்சிஜன் அல்லது புளோரினுடன் சகப்பிணைப்பால் இணைந்த ஒரு ஹைட்ரஜன் அணு (வழங்கி), அருகிலுள்ள N, O அல்லது F அணுவின் தனி இணை (ஏற்பி) ஆகியவை தேவை. மிகவும் முனைவுள்ள N–H, O–H அல்லது F–H பிணைப்பு, சிறிய ஹைட்ரஜன் அணுவுக்குப் பெரிய பகுதி நேர்மின்னூட்டத்தைத் தருகிறது; அது ஏற்பியின் தனி இணைக்கு நெருக்கமாக அணுக முடியும்.

ஒரு மூலக்கூறு வழங்கியாக இல்லாமல் ஏற்பியாக இருக்கலாம். அசிட்டோன், (CH₃)₂CO, ஆக்சிஜனில் ஒரு தனி இணை கொண்டது, ஆனால் அதன் அனைத்து ஹைட்ரஜன்களும் கார்பனுடன் பிணைந்துள்ளன; எனவே அசிட்டோன் மூலக்கூறுகள் ஒன்றுடன் ஒன்று ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு உருவாக்க இயலாது. ஆனால் அவை நீரிலிருந்து ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகளை ஏற்கலாம்; அசிட்டோன் நீருடன் எல்லா விகிதங்களிலும் கலப்பதற்கு இது ஒரு காரணம்.

அயனி–இருமுனை விசைகளும் அயனித் திண்மங்கள் கரைவதும்

ஓர் அயனித் திண்மம் நீரில் கரையும்போது, ஒவ்வோர் அயனியும் தன்னை நோக்கித் திசைப்பட்ட நீர் மூலக்கூறுகளால் சூழப்படுகிறது: பகுதி எதிர்மின்னூட்ட ஆக்சிஜன் முனைகள் நேரயனிகளை நோக்குகின்றன, பகுதி நேர்மின்னூட்ட ஹைட்ரஜன் முனைகள் எதிரயனிகளை நோக்குகின்றன. இந்த அயனி–இருமுனைக் கவர்ச்சி, படிகத்திலிருந்து அயனிகளைப் பிரிக்கத் தேவையான ஆற்றலில் பெரும்பகுதியை ஈடுசெய்யும் அளவுக்கு ஆற்றலை வெளியிடுகிறது. அதிக மின்னூட்டமும் சிறிய பருமனும் கொண்ட அயனிகளுக்குக் கவர்ச்சி வலுவானது.

அயனிகளைக் கவர இருமுனை இல்லாத ஹெக்சேனில் பொட்டாசியம் புரோமைடு அரிதாகவே கரைகிறது, நீரில் எளிதாகக் கரைகிறது என்பதை அயனி–இருமுனை விசைகள் விளக்குகின்றன. “ஒத்தது ஒத்ததைக் கரைக்கும்” என்ற பொது விதி இதைச் சுருக்கிக் கூறுகிறது: பொருட்கள் தங்கள் மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகளுக்கு ஒத்த விசைகள் கொண்ட கரைப்பான்களில் சிறப்பாகக் கரைகின்றன. முனைவற்ற மூலக்கூறான அயோடின், கரைபொருளுக்கும் கரைப்பானுக்கும் இடையிலான சிதறல் விசைகள் ஒவ்வொரு தூய பொருளுக்குள்ளும் உள்ளவற்றுடன் ஒப்பிடத்தக்கதாக இருக்கும் ஹெக்சேனில் நன்றாகக் கரைகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: கிட்டத்தட்ட ஒரே மோலார் நிறை கொண்ட மூன்று திரவங்கள்

பியூட்டேன் (CH₃CH₂CH₂CH₃), அசிட்டோன் ((CH₃)₂CO), 1-புரோப்பனால் (CH₃CH₂CH₂OH) ஆகியவற்றைக் கொதிநிலைப்படி வரிசைப்படுத்துங்கள். முதலில் இரண்டு தசம இடங்களுக்கு முழுமையாக்கிய IUPAC நிலையான அணு எடைகளைப் (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) பயன்படுத்தி மோலார் நிறைகளை ஒப்பிடுங்கள். பியூட்டேன், C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. அசிட்டோன், C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-புரோப்பனால், C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. நிறைகள் 4%-க்கும் குறைவாக வேறுபடுகின்றன; எனவே சிதறல் விசைகள் ஏறத்தாழ ஒரே மாதிரி இருக்க வேண்டும், வேறுபாடுகள் முனைவுத்தன்மையிலிருந்து வரும்.

அடுத்து விசைகளை வகைப்படுத்துங்கள். பியூட்டேனில் C–C, C–H பிணைப்புகள் மட்டுமே உள்ளன, அது அடிப்படையில் முனைவற்றது; எனவே சிதறல் விசைகள் மட்டுமே உண்டு. அசிட்டோனில் முக்கோணத் தள அமைப்பில் ரத்தாகாத முனைவுள்ள C=O பிணைப்பு உள்ளது; எனவே இருமுனை–இருமுனை விசைகளைச் சேர்க்கிறது, ஆனால் அதில் O–H பிணைப்பு இல்லை, ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகளை வழங்க இயலாது. 1-புரோப்பனாலில் O–H தொகுதி உள்ளது; எனவே ஹைட்ரஜன் பிணைப்பைச் சேர்க்கிறது. முன்கணிப்பு: பியூட்டேன் < அசிட்டோன் < 1-புரோப்பனால்.

NIST Chemistry WebBook இயல்பான கொதிநிலைகளாக பியூட்டேனுக்கு ஏறத்தாழ 273 K (0 °C), அசிட்டோனுக்கு 329.3 K (56.2 °C), 1-புரோப்பனாலுக்கு 370.3 K (97.2 °C) எனப் பட்டியலிடுகிறது; T(°C) = T(K) − 273.15 கொண்டு மாற்றப்பட்டுள்ளது. வரிசை முன்கணிப்புடன் பொருந்துகிறது. அதே நியாயம் அறை வெப்பநிலையில் ஆவி அழுத்தத்தை எதிர் வரிசையில் வரிசைப்படுத்துகிறது: பியூட்டேன் 25 °C-இல் வாயு, அசிட்டோன் விரைவாக ஆவியாகிறது, 1-புரோப்பனால் மெதுவாக ஆவியாகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: மூலக்கூறுப் பருமன் இருமுனையை மிஞ்சும்போது

இப்போது டையெத்தில் ஈதர் ((C₂H₅)₂O), 1-பியூட்டனால் (CH₃CH₂CH₂CH₂OH), ஹெக்சேன் (C₆H₁₄) ஆகியவற்றை ஒப்பிடுங்கள். டையெத்தில் ஈதரும் 1-பியூட்டனாலும் மாற்றியங்கள், இரண்டும் C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. ஹெக்சேன் கனமானது: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. டையெத்தில் ஈதர் முனைவுள்ளது ஆனால் O–H பிணைப்பு இல்லை, 1-பியூட்டனால் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு உருவாக்கும், ஹெக்சேன் முனைவற்றது.

இரு மாற்றியங்களுக்கு இடையே ஹைட்ரஜன் பிணைப்பே தீர்மானிக்கிறது: 1-பியூட்டனால் டையெத்தில் ஈதரை விட மிக உயர்ந்த வெப்பநிலையில் கொதிக்க வேண்டும். ஹெக்சேன் ஒரு படிப்பினை தரும் நிலை. முனைவுத்தன்மை மட்டும் கொண்ட வாதம் அதைக் கடைசியில் வைக்கும்; ஆனால் ஹெக்சேன் பெரியது, அதிக எலக்ட்ரான்கள் கொண்டது, நீண்ட சங்கிலி; எனவே அதன் சிதறல் விசைகள் ஈதரின் சிதறலையும் அதன் பலவீனமான இருமுனை–இருமுனைக் கவர்ச்சியையும் சேர்த்ததை விடப் பெரியவை.

NIST மதிப்புகள் இதை உறுதிப்படுத்துகின்றன: டையெத்தில் ஈதர் 307.7 K (34.6 °C), ஹெக்சேன் 341.9 K (68.8 °C), 1-பியூட்டனால் 390.6 K (ஏறத்தாழ 117 °C). முனைவுத்தன்மை ஒப்பீடுகள் ஒத்த பருமன் கொண்ட மூலக்கூறுகளுக்கு இடையே மிகப் பாதுகாப்பானவை என்பதே பாடம். பருமன்கள் கணிசமாக வேறுபடும்போது, முதலில் சிதறலைக் கருதி, பின்னர் அதை மாற்றும் அளவுக்கு இருமுனையோ ஹைட்ரஜன் பிணைப்போ வலுவானதா என்று கேளுங்கள். கரைதிறனும் விசைகளைப் பின்பற்றுகிறது: ஹெக்சேன் நீரில் அடிப்படையில் கரையாதது, நீருடன் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு உருவாக்கக்கூடிய 1-பியூட்டனால் ஓரளவு கரைகிறது.

மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகளை ஒப்பிடும்போது தவிர்க்க வேண்டிய பிழைகள்

வரிசைப்படுத்தும் முன், ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் மிக வலுவான விசையை மட்டும் அல்லாமல் அதன் எல்லா விசைகளையும் பட்டியலிட்டு, மோலார் நிறைகளைக் குறித்துக்கொள்ளுங்கள். இது மிகப் பொதுவான தவறைத் தடுக்கிறது; அது “முனைவுள்ளது”, “முனைவற்றது” போன்ற குறிச்சொற்களை மட்டுமே ஒப்பிட்டுப் பருமனைப் புறக்கணிப்பது.

கொதிநிலை மற்றும் கரைதிறனின் விளக்கங்களில் கீழுள்ள பிழைகள் மீண்டும் மீண்டும் வருகின்றன.

• கொதித்தல் சகப்பிணைப்புகளை உடைக்கிறது என்று கூறுதல். கொதித்தல் மூலக்கூறுகளைப் பிரிக்கிறது; மூலக்கூறுகள் அப்படியே இருக்கின்றன.
• ஹைட்ரஜன் கொண்ட எந்த மூலக்கூறுக்கும் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு உண்டு என்று கூறுதல். ஹைட்ரஜன் N, O அல்லது F-உடன் பிணைந்திருக்க வேண்டும்.
• முனைவற்ற பொருட்களுக்கு மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகள் இல்லை என்று கருதுதல். எல்லாப் பொருட்களுக்கும் சிதறல் விசைகள் உண்டு.
• ஹெக்சேன் எடுத்துக்காட்டு காட்டுவது போல, மிகவும் வேறுபட்ட பருமன் கொண்ட மூலக்கூறுகளை முனைவுத்தன்மையால் மட்டும் வரிசைப்படுத்துதல்.
• ஆவி அழுத்தப் போக்கைத் தலைகீழாக்குதல். வலுவான IMF-கள் என்றால் குறைந்த ஆவி அழுத்தமும் உயர் கொதிநிலையும்.
• “ஒத்தது ஒத்ததைக் கரைக்கும்” என்பதை ஒரு விதியாக அல்லாமல் ஒரு பொது விதியாகக் கருதுதல். கரைதிறன் என்ட்ரோப்பியையும் வெப்பநிலையையும் சார்ந்தது.