అంతరాణ్విక బలాలు: మరిగే స్థానం, బాష్ప పీడనం, ద్రావణీయత

అణువుల మధ్య ఆకర్షణలు, లోపలి బంధాలు కాదు

సహసంయోజక బంధాలు ఒక అణువులోని పరమాణువులను కలిపి ఉంచుతాయి. అంతరాణ్విక బలాలు (IMFలు) వేర్వేరు అణువుల మధ్య చాలా బలహీనమైన ఆకర్షణలు, ద్రవం మరిగినప్పుడు లేదా ఘనం కరిగినప్పుడు వీటిని అధిగమించాలి. నీరు మరిగినప్పుడు, ఏర్పడే వాయువు ఇప్పటికీ H₂O అణువులతోనే ఉంటుంది; O–H బంధాలేవీ తెగవు. పొరుగు అణువుల మధ్య ఆకర్షణలు మాత్రమే అంతరాయం పొందుతాయి.

ఈ బలాలు అణువులు ఒకదానికొకటి ఎంత బలంగా అతుక్కుంటాయో నిర్ణయిస్తాయి కాబట్టి, అవి కలిసి భౌతిక లక్షణాల సమితిని నియంత్రిస్తాయి. బలమైన IMFలు సాధారణంగా అధిక మరిగే స్థానాన్ని, అధిక బాష్పీభవన ఎంథాల్పీని, ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద తక్కువ బాష్ప పీడనాన్ని, తరచుగా అధిక స్నిగ్ధతను, తలతన్యతను సూచిస్తాయి. IMFలను క్రమబద్ధీకరించగలిగితే, సాధారణంగా వీటన్నింటినీ ఒకేసారి క్రమబద్ధీకరించవచ్చు.

ప్రతి పదార్థంలో లండన్ విక్షేపణ బలాలు

ఎలక్ట్రాన్ పంపిణీలు హెచ్చుతగ్గులకు లోనవుతాయి కాబట్టి విక్షేపణ బలాలు ఏర్పడతాయి. ఏ క్షణంలోనైనా అణువులోని ఎలక్ట్రాన్‌లు కొద్దిగా అసమానంగా ఉండవచ్చు, ఇది పొరుగు అణువులో సరిపోలే ద్విధ్రువాన్ని ప్రేరేపించే తాత్కాలిక ద్విధ్రువాన్ని సృష్టిస్తుంది. రెండూ క్షణకాలం ఆకర్షించుకుంటాయి, ఈ నమూనా ద్రవం అంతటా పునరావృతమవుతుంది. ధ్రువమైనా, కాకపోయినా, ప్రతి పరమాణువు, అణువు విక్షేపణ బలాలను అనుభవిస్తుంది.

విక్షేపణ బలాల బలం ధ్రువణీయతపై ఆధారపడి ఉంటుంది, అంటే ఎలక్ట్రాన్ మేఘం ఎంత సులభంగా వక్రీకరించబడుతుంది. ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లున్న పెద్ద అణువులు ఎక్కువ ధ్రువణీయమైనవి, కాబట్టి సారూప్య సమ్మేళనాల కుటుంబంలో విక్షేపణ బలాలు సాధారణంగా మోలార్ ద్రవ్యరాశితో పెరుగుతాయి. ఆకారం కూడా ముఖ్యం: పొడవైన, విస్తరించిన అణువులకు అదే సూత్రం గల సంక్షిప్త, శాఖలున్న వాటి కంటే పొరుగువారితో సంపర్కంలో ఎక్కువ ఉపరితలం ఉంటుంది, కాబట్టి అవి ఒకదానినొకటి మరింత బలంగా ఆకర్షిస్తాయి.

విక్షేపణను తక్కువగా అంచనా వేయకండి. పెద్ద అణువులలో, అణువు ధ్రువమైనా, మొత్తం ఆకర్షణకు ఇది తరచుగా అతిపెద్ద వాటా.

ద్విధ్రువ–ద్విధ్రువ ఆకర్షణలు, హైడ్రోజన్ బంధం

ధ్రువ అణువులకు శాశ్వత ద్విధ్రువాలు ఉంటాయి, కాబట్టి ద్రవంలో ఒక అణువు పాక్షిక ధన చివర మరో అణువు పాక్షిక ఋణ చివర దగ్గర ఉండేలా అవి దిశానుసారం అమరుతాయి. ఈ ద్విధ్రువ–ద్విధ్రువ ఆకర్షణ ఎల్లప్పుడూ ఉండే విక్షేపణ బలాలకు జోడించబడుతుంది. అణువు ధ్రువమో కాదో నిర్ణయించడానికి దాని బంధ ధ్రువణతలు, ఆకారం రెండూ అవసరం.

హైడ్రోజన్ బంధం ప్రత్యేకంగా బలమైన ద్విధ్రువ–ద్విధ్రువ ఆకర్షణ. దానికి నైట్రోజన్, ఆక్సిజన్ లేదా ఫ్లోరిన్‌కు సహసంయోజకంగా బంధించిన హైడ్రోజన్ పరమాణువు (దాత), సమీపంలోని N, O లేదా F పరమాణువుపై ఒంటరి జత (గ్రహీత) అవసరం. చాలా ధ్రువమైన N–H, O–H లేదా F–H బంధం చిన్న హైడ్రోజన్ పరమాణువుకు పెద్ద పాక్షిక ధన ఆవేశాన్ని ఇస్తుంది, అది గ్రహీత ఒంటరి జతకు దగ్గరగా చేరగలదు.

అణువు దాత కాకుండా గ్రహీత కావచ్చు. ఎసిటోన్, (CH₃)₂CO, కు ఆక్సిజన్‌పై ఒంటరి జత ఉంది కానీ దాని హైడ్రోజన్‌లన్నీ కార్బన్‌కు బంధించబడ్డాయి, కాబట్టి ఎసిటోన్ అణువులు ఒకదానితో ఒకటి హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పరచలేవు. అయితే అవి నీటి నుండి హైడ్రోజన్ బంధాలను స్వీకరించగలవు, ఎసిటోన్ నీటితో అన్ని నిష్పత్తులలో కలవడానికి ఇది ఒక కారణం.

అయాన్–ద్విధ్రువ బలాలు, అయానిక ఘనాల కరగడం

అయానిక ఘనం నీటిలో కరిగినప్పుడు, ప్రతి అయాన్ దాని వైపు దిశానుసారంగా అమరిన నీటి అణువులతో చుట్టుముట్టబడుతుంది: పాక్షిక ఋణ ఆక్సిజన్ చివరలు కాటయాన్‌ల వైపు, పాక్షిక ధన హైడ్రోజన్ చివరలు ఆనయాన్‌ల వైపు ఉంటాయి. ఈ అయాన్–ద్విధ్రువ ఆకర్షణ స్ఫటికం నుండి అయాన్‌లను వేరు చేయడానికి అవసరమైన శక్తిలో చాలావరకు సమం చేసేంత శక్తిని విడుదల చేస్తుంది. ఎక్కువ ఆవేశం, చిన్న పరిమాణం గల అయాన్‌లకు ఆకర్షణ బలంగా ఉంటుంది.

అయాన్‌లను ఆకర్షించే ద్విధ్రువం లేని హెక్సేన్‌లో కంటే పొటాషియం బ్రోమైడ్ నీటిలో ఎందుకు సులభంగా కరుగుతుందో అయాన్–ద్విధ్రువ బలాలు వివరిస్తాయి. "సజాతి సజాతిని కరిగిస్తుంది" అనే సాధారణ నియమం దీన్ని సంక్షిప్తంగా చెబుతుంది: పదార్థాలు తమ సొంతానికి సమానమైన అంతరాణ్విక బలాలు గల ద్రావణులలో బాగా కరుగుతాయి. అధ్రువ అణువైన అయోడిన్ హెక్సేన్‌లో బాగా కరుగుతుంది, అక్కడ ద్రావితం, ద్రావణి మధ్య విక్షేపణ బలాలు ప్రతి స్వచ్ఛ పదార్థంలోనివాటితో పోల్చదగినవి.

సాధన ఉదాహరణ: దాదాపు ఒకే మోలార్ ద్రవ్యరాశి గల మూడు ద్రవాలు

బ్యూటేన్ (CH₃CH₂CH₂CH₃), ఎసిటోన్ ((CH₃)₂CO), 1-ప్రొపనాల్ (CH₃CH₂CH₂OH) లను మరిగే స్థానం ప్రకారం క్రమబద్ధీకరించండి. ముందు, రెండు దశాంశ స్థానాలకు పూర్తి చేసిన IUPAC ప్రామాణిక పరమాణు భారాలను (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol) ఉపయోగించి మోలార్ ద్రవ్యరాశులను పోల్చండి. బ్యూటేన్, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. ఎసిటోన్, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-ప్రొపనాల్, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. ద్రవ్యరాశులు 4% కంటే తక్కువ తేడాతో ఉన్నాయి, కాబట్టి విక్షేపణ బలాలు దాదాపు సమానంగా ఉండాలి, తేడాలు ధ్రువణత నుండి వస్తాయి.

తర్వాత బలాలను వర్గీకరించండి. బ్యూటేన్‌లో C–C, C–H బంధాలు మాత్రమే ఉన్నాయి, అది ముఖ్యంగా అధ్రువం, కాబట్టి దానికి విక్షేపణ బలాలు మాత్రమే. ఎసిటోన్‌కు రద్దు కాని త్రిభుజాకార సమతల అమరికలో ధ్రువ C=O బంధం ఉంది, కాబట్టి అది ద్విధ్రువ–ద్విధ్రువ బలాలను జోడిస్తుంది, కానీ O–H బంధం లేదు, హైడ్రోజన్ బంధాలను ఇవ్వలేదు. 1-ప్రొపనాల్‌కు O–H సమూహం ఉంది, కాబట్టి హైడ్రోజన్ బంధం చేరుతుంది. అంచనా: బ్యూటేన్ < ఎసిటోన్ < 1-ప్రొపనాల్.

NIST Chemistry WebBook సాధారణ మరిగే స్థానాలను బ్యూటేన్‌కు సుమారు 273 K (0 °C), ఎసిటోన్‌కు 329.3 K (56.2 °C), 1-ప్రొపనాల్‌కు 370.3 K (97.2 °C) గా జాబితా చేస్తుంది, T(°C) = T(K) − 273.15 తో మారుస్తూ. క్రమం అంచనాకు సరిపోతుంది. అదే తర్కం గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద బాష్ప పీడనాన్ని వ్యతిరేక క్రమంలో ఉంచుతుంది: బ్యూటేన్ 25 °C వద్ద వాయువు, ఎసిటోన్ త్వరగా ఆవిరవుతుంది, 1-ప్రొపనాల్ మెల్లగా ఆవిరవుతుంది.

సాధన ఉదాహరణ: అణు పరిమాణం ద్విధ్రువాన్ని మించినప్పుడు

ఇప్పుడు డైఈథైల్ ఈథర్ ((C₂H₅)₂O), 1-బ్యూటనాల్ (CH₃CH₂CH₂CH₂OH), హెక్సేన్ (C₆H₁₄) లను పోల్చండి. డైఈథైల్ ఈథర్, 1-బ్యూటనాల్ సమావయవాలు, రెండూ C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. హెక్సేన్ బరువైనది: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. డైఈథైల్ ఈథర్ ధ్రువం కానీ O–H బంధం లేదు, 1-బ్యూటనాల్ హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పరచగలదు, హెక్సేన్ అధ్రువం.

ఈ రెండు సమావయవాల మధ్య, హైడ్రోజన్ బంధం నిర్ణయిస్తుంది: 1-బ్యూటనాల్ డైఈథైల్ ఈథర్ కంటే చాలా ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద మరగాలి. హెక్సేన్ బోధనాత్మక సందర్భం. ధ్రువణత-మాత్రమే వాదన దాన్ని చివరన ఉంచుతుంది, కానీ హెక్సేన్ పెద్దది, ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లు కలిగి ఉంది, విస్తరించిన గొలుసు, కాబట్టి దాని విక్షేపణ బలాలు ఈథర్ విక్షేపణ, దాని బలహీన ద్విధ్రువ–ద్విధ్రువ ఆకర్షణ కంటే పెద్దవి.

NIST విలువలు దీన్ని నిర్ధారిస్తాయి: డైఈథైల్ ఈథర్ 307.7 K (34.6 °C), హెక్సేన్ 341.9 K (68.8 °C), 1-బ్యూటనాల్ 390.6 K (సుమారు 117 °C). పాఠం ఏమిటంటే, ధ్రువణత పోలికలు సారూప్య పరిమాణ అణువుల మధ్య అత్యంత సురక్షితం. పరిమాణాలు గణనీయంగా భిన్నంగా ఉన్నప్పుడు, ముందు విక్షేపణను పరిగణించి, ఆపై ద్విధ్రువం లేదా హైడ్రోజన్ బంధం దాన్ని తిప్పికొట్టేంత బలమైనదా అని అడగండి. ద్రావణీయత కూడా బలాలను అనుసరిస్తుంది: హెక్సేన్ నీటిలో ముఖ్యంగా కరగదు, నీటితో హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పరచగల 1-బ్యూటనాల్ పాక్షికంగా కరుగుతుంది.

అంతరాణ్విక బలాలను పోల్చేటప్పుడు నివారించాల్సిన తప్పులు

క్రమబద్ధీకరించే ముందు, ప్రతి పదార్థానికి అత్యంత బలమైన బలాన్ని మాత్రమే కాక, దానికి ఉన్న ప్రతి బలాన్ని జాబితా చేసి, మోలార్ ద్రవ్యరాశులను గమనించండి. ఇది అత్యంత సాధారణ తప్పును నివారిస్తుంది, అంటే "ధ్రువం", "అధ్రువం" వంటి లేబుళ్లను మాత్రమే పోల్చి పరిమాణాన్ని విస్మరించడం.

కింది తప్పులు మరిగే స్థానం, ద్రావణీయత వివరణలలో పదేపదే వస్తాయి.

• మరగడం సహసంయోజక బంధాలను తెంచుతుందని చెప్పడం. మరగడం అణువులను వేరు చేస్తుంది; అణువులు చెక్కుచెదరకుండా ఉంటాయి.
• హైడ్రోజన్ ఉన్న ఏ అణువుకైనా హైడ్రోజన్ బంధం ఉందని చెప్పడం. హైడ్రోజన్ N, O లేదా F కు బంధించబడి ఉండాలి.
• అధ్రువ పదార్థాలకు అంతరాణ్విక బలాలు లేవని భావించడం. అన్ని పదార్థాలకు విక్షేపణ బలాలు ఉంటాయి.
• హెక్సేన్ ఉదాహరణ చూపినట్లు, చాలా భిన్న పరిమాణాల అణువులను ధ్రువణత ఒక్కదాని ఆధారంగానే క్రమబద్ధీకరించడం.
• బాష్ప పీడన ధోరణిని తిప్పి చెప్పడం. బలమైన IMFలు అంటే తక్కువ బాష్ప పీడనం, అధిక మరిగే స్థానం.
• "సజాతి సజాతిని కరిగిస్తుంది" ను నియమంగా కాక, అనుభవ సూత్రంగా పరిగణించడం. ద్రావణీయత ఎంట్రోపీ, ఉష్ణోగ్రతపై కూడా ఆధారపడుతుంది.