Molekulalararo kuchlar: qaynash harorati, bug' bosimi va eruvchanlik

Molekulalar orasidagi tortishish, ular ichidagi bog'lar emas

Kovalent bog'lar molekula atomlarini birga ushlab turadi. Molekulalararo kuchlar (MMK) alohida molekulalar orasidagi ancha kuchsizroq tortishish bo'lib, suyuqlik qaynaganda yoki qattiq modda eriganda aynan shularni yengish kerak. Suv qaynaganda hosil bo'lgan gaz hamon H₂O molekulalaridan iborat; hech qanday O–H bog'i uzilmaydi. Faqat qo'shni molekulalar orasidagi tortishish buziladi.

Bu kuchlar molekulalarning bir-biriga qanchalik kuchli yopishishini belgilagani uchun ular fizik xossalar to'plamini birgalikda boshqaradi. Kuchliroq MMK odatda yuqoriroq qaynash haroratini, yuqoriroq bug'lanish entalpiyasini, berilgan haroratda pastroq bug' bosimini va ko'pincha yuqoriroq qovushqoqlik va sirt tarangligini bildiradi. MMK ni tartiblay olsangiz, odatda bularning barchasini bir yo'la tartiblay olasiz.

London dispersiya kuchlari har bir moddada

Dispersiya kuchlari elektron taqsimotlarining tebranishi tufayli paydo bo'ladi. Istalgan lahzada molekuladagi elektronlar sal notekis bo'lishi mumkin, bu qo'shnida mos dipolni induksiyalaydigan vaqtinchalik dipolni hosil qiladi. Ikkalasi qisqa vaqt tortishadi va bu qonuniyat butun suyuqlik bo'ylab takrorlanadi. Har bir atom va molekula, qutbli yoki qutbsiz bo'lishidan qat'i nazar, dispersiya kuchlarini boshdan kechiradi.

Dispersiya kuchlarining kuchi qutblanuvchanlikka, ya'ni elektron bulutini qanchalik oson deformatsiyalash mumkinligiga bog'liq. Ko'proq elektronli kattaroq molekulalar ko'proq qutblanuvchan, shuning uchun o'xshash birikmalar oilasida dispersiya kuchlari odatda molyar massa bilan ortadi. Shakl ham muhim: uzun, cho'zilgan molekulalar bir xil formulali ixcham, shoxlangan molekulalarga qaraganda qo'shnilari bilan ko'proq sirt bilan tegadi, shuning uchun bir-birini kuchliroq tortadi.

Dispersiyani kam baholamang. Katta molekulalarda u ko'pincha, molekula qutbli bo'lsa ham, umumiy tortishishga eng katta hissadir.

Dipol–dipol tortishish va vodorod bog'lanish

Qutbli molekulalar doimiy dipollarga ega, shuning uchun suyuqlikda ular bir molekulaning qisman musbat uchi boshqasining qisman manfiy uchi yonida yo'nalishga moyil bo'ladi. Bu dipol–dipol tortishishi doim mavjud dispersiya kuchlariga qo'shiladi. Molekula qutbli yoki yo'qligini aniqlash uning bog' qutbliliklarini ham, shaklini ham talab qiladi.

Vodorod bog'lanish — ayniqsa kuchli dipol–dipol tortishish. U azot, kislorod yoki ftorga kovalent bog'langan vodorod atomini (donor) va yaqin N, O yoki F atomidagi yolg'iz juftni (akseptor) talab qiladi. Juda qutbli N–H, O–H yoki F–H bog'i kichik vodorod atomida akseptorning yolg'iz juftiga yaqin keladigan katta qisman musbat zaryadni qoldiradi.

Molekula donor bo'lmasdan akseptor bo'lishi mumkin. Aseton (CH₃)₂CO da kislorodda yolg'iz juft bor, lekin uning barcha vodorodlari uglerodga bog'langan, shuning uchun aseton molekulalari bir-biri bilan vodorod bog' hosil qila olmaydi. Ammo ular suvdan vodorod bog'larini qabul qila oladi, bu esa asetonning suv bilan har qanday nisbatda aralashishining sabablaridan biri.

Ion–dipol kuchlar va ionli qattiq moddalarning erishi

Ionli qattiq modda suvda erisa, har bir ion o'ziga qaragan suv molekulalari bilan o'raladi: qisman manfiy kislorod uchlari kationlarga, qisman musbat vodorod uchlari anionlarga qaraydi. Bu ion–dipol tortishishi ionlarni kristalldan ajratish uchun kerak bo'lgan energiyaning ko'p qismini qoplaydigan energiya ajratadi. Tortishish zaryadi yuqori va o'lchami kichik ionlar uchun kuchliroq.

Ion–dipol kuchlar nima uchun kaliy bromid suvda oson eriydi, ammo ionlarni tortadigan dipoli bo'lmagan geksanda deyarli erimasligini tushuntiradi. «O'xshash o'xshashni eritadi» degan umumiy qoida buni umumlashtiradi: moddalar molekulalararo kuchlari o'zlariga o'xshash erituvchilarda eng yaxshi eriydi. Qutbsiz molekula bo'lgan yod geksanda yaxshi eriydi, u yerda erigan modda va erituvchi orasidagi dispersiya kuchlari har bir toza moddadagi kuchlarga yaqin.

Yechilgan misol: molyar massasi deyarli bir xil uchta suyuqlik

Butan (CH₃CH₂CH₂CH₃), aseton ((CH₃)₂CO) va 1-propanol (CH₃CH₂CH₂OH) ni qaynash harorati bo'yicha tartiblang. Avval molyar massalarni solishtiring, IUPAC standart atom og'irliklarini ikki o'nli xonagacha yaxlitlab (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Butan, 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. Massalar 4% dan kamroq farq qiladi, shuning uchun dispersiya kuchlari taxminan o'xshash bo'lishi kerak va farqlar qutblilikdan kelib chiqadi.

Keyin kuchlarni tasniflang. Butan faqat C–C va C–H bog'larini o'z ichiga oladi va asosan qutbsiz, shuning uchun unda faqat dispersiya kuchlari bor. Asetonda tekis uchburchak joylashuvda bekor bo'lmaydigan qutbli C=O bog'i bor, shuning uchun u dipol–dipol kuchlarini qo'shadi, lekin O–H bog'i yo'q va vodorod bog'larini bera olmaydi. 1-Propanolda O–H guruhi bor, shuning uchun u vodorod bog'lanishni qo'shadi. Bashorat: butan < aseton < 1-propanol.

NIST Chemistry WebBook oddiy qaynash haroratlarini butan uchun taxminan 273 K (0 °C), aseton uchun 329.3 K (56.2 °C) va 1-propanol uchun 370.3 K (97.2 °C) deb keltiradi, T(°C) = T(K) − 273.15 bilan o'zgartirilgan. Tartib bashoratga mos keladi. Xuddi shu mulohaza xona haroratidagi bug' bosimini teskari tartibda tartiblaydi: butan 25 °C da gaz, aseton tez bug'lanadi, 1-propanol esa sekinroq bug'lanadi.

Yechilgan misol: molekula o'lchami dipoldan ustun kelganda

Endi dietil efir ((C₂H₅)₂O), 1-butanol (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) va geksan (C₆H₁₄) ni solishtiring. Dietil efir va 1-butanol izomerlar, ikkalasi ham C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Geksan og'irroq: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Dietil efir qutbli, lekin O–H bog'i yo'q, 1-butanol vodorod bog' hosil qila oladi, geksan esa qutbsiz.

Ikki izomer orasida vodorod bog'lanish hal qiladi: 1-butanol dietil efirdan ancha yuqori haroratda qaynashi kerak. Geksan o'rgatuvchi holat. Faqat qutblilikka asoslangan dalil uni oxirgi o'ringa qo'yardi, lekin geksan kattaroq, elektronlari ko'proq va cho'zilgan zanjir, shuning uchun uning dispersiya kuchlari efirning dispersiyasi va uning kuchsiz dipol–dipol tortishishidan kattaroq.

NIST qiymatlari buni tasdiqlaydi: dietil efir 307.7 K (34.6 °C), geksan 341.9 K (68.8 °C) va 1-butanol 390.6 K (taxminan 117 °C). Saboq shuki, qutblilik taqqoslashlari o'xshash o'lchamli molekulalar orasida eng xavfsiz. O'lchamlar sezilarli farq qilganda avval dispersiyani ko'rib chiqing, so'ng dipol yoki vodorod bog'lanish uni bekor qiladigan darajada kuchlimi, deb so'rang. Eruvchanlik ham kuchlarga amal qiladi: geksan suvda deyarli erimaydi, suv bilan vodorod bog' hosil qila oladigan 1-butanol esa qisman eriydi.

Molekulalararo kuchlarni solishtirishda qochish kerak bo'lgan xatolar

Tartiblashdan oldin har bir moddaning faqat eng kuchli emas, har bir kuchini sanab chiqing va molyar massalarni yozib qo'ying. Bu eng keng tarqalgan xatodan, ya'ni o'lchamni e'tiborsiz qoldirib faqat «qutbli» va «qutbsiz» kabi belgilarni solishtirishdan saqlaydi.

Quyidagi xatolar qaynash harorati va eruvchanlik tushuntirishlarida qayta-qayta uchraydi.

• Qaynash kovalent bog'larni uzadi, deyish. Qaynash molekulalarni ajratadi; molekulalar butun qoladi.
• Tarkibida vodorod bo'lgan har qanday molekulada vodorod bog'lanish bor deb da'vo qilish. Vodorod N, O yoki F ga bog'langan bo'lishi kerak.
• Qutbsiz moddalarda molekulalararo kuchlar yo'q deb hisoblash. Barcha moddalarda dispersiya kuchlari bor.
• O'lchami juda farq qiladigan molekulalarni faqat qutblilik bo'yicha tartiblash, geksan misoli ko'rsatganidek.
• Bug' bosimi tendensiyasini teskari qilish. Kuchliroq MMK pastroq bug' bosimini va yuqoriroq qaynash haroratini bildiradi.
• «O'xshash o'xshashni eritadi» ni qonun emas, amaliy qoida deb hisoblash. Eruvchanlik entropiya va haroratga ham bog'liq.