Come si può determinare se una molecola ha un punto di ebollizione più alto?

Tutto ciò che devi sapere su come classificare le molecole in base a quale ha il punto di ebollizione più alto (senza cercarlo) è in questo articolo. Cominciamo con alcune nozioni di base.

Quando osservi una pentola d'acqua sul fornello, sai che l'acqua sta bollendo quando vedi delle bolle che salgono in superficie e scoppiano.

La differenza tra evaporazione ed ebollizione è che nel processo di evaporazione sono solo le molecole di superficie che hanno energia sufficiente per sfuggire alla fase liquida e diventare un gas. Quando un liquido bolle, invece, le molecole sotto la superficie hanno energia sufficiente per sfuggire alla fase liquida e diventare un gas.

Il punto di ebollizione avviene ad una temperatura molto specifica per ogni molecola. Ecco perché è spesso usato per identificare una sostanza sconosciuta nella chimica qualitativa. Il motivo per cui il punto di ebollizione è prevedibile è perché è controllato dal forza dei legami

Tutte le molecole hanno cinetico energia; stanno vibrando. Quando l'energia termica viene applicata a un liquido, le molecole hanno una maggiore energia cinetica e vibrano di più. Se vibrano abbastanza, si scontrano. La forza dirompente delle molecole che si scontrano consente loro di superare l'attrazione che hanno per le molecole accanto a loro.

Quale condizione deve esistere per far bollire un liquido? Il liquido bolle quando la pressione di vapore sopra di esso è uguale alla pressione atmosferica.

• La chiave è sapere quali legami richiedono più energia per l'ebollizione.
  Forza del legame valutato dal più forte al più debole:
  Ionico > legame H > dipolo > van der Waals
  Meno gruppi funzionali > Più gruppi funzionali (Ammide>Acido>Alcool>Chetone o Aldeide>Ammina>Estere>Alcano)

Se stai confrontando le molecole per determinare quale ha il punto di ebollizione più alto, considera le forze che sono al lavoro all'interno della molecola. Questi possono essere raggruppati nei seguenti tre fattori.

Le molecole all'interno del liquido sono attratte l'una dall'altra. Esistono quattro tipi di forze intermolecolari e sono elencati di seguito in ordine dal più forte al più debole.

1. Legame ionico Il legame ionico comporta la donazione di un elettrone da un atomo a un altro (ad esempio NaCl, sale da cucina). Nell'esempio di NaCl, lo ione sodio caricato positivamente è tenuto in prossimità dello ione cloruro caricato negativamente e l'effetto netto è una molecola elettricamente neutra. È questa neutralità che rende il legame ionico così forte e perché ci vorrebbe più energia per rompere quel legame rispetto a un diverso tipo di legame.
   
2. Legame idrogeno Un atomo di idrogeno che è legato a un altro atomo condividendo il suo elettrone valente ha una bassa elettronegatività (ad esempio HF, acido fluoridrico). La nuvola di elettroni attorno all'atomo di fluoro è grande e ha un'elevata elettronegatività mentre la nuvola di elettroni attorno all'atomo di idrogeno è piccola e ha molta meno elettronegatività. Questo rappresenta un legame covalente polare in cui gli elettroni sono condivisi in modo diseguale.
   Non tutti i legami idrogeno hanno la stessa forza, dipende dall'elettronegatività dell'atomo a cui è legato. Quando l'idrogeno è legato al fluoro, il legame è molto forte, quando è legato al cloro ha una forza moderata e quando è legato ad un altro idrogeno, la molecola è non polare ed è molto debole.
   
3. Dipolo-Dipolo Una forza dipolo si verifica quando l'estremità positiva di una molecola polare è attratta dall'estremità negativa di un'altra molecola polare (CH₃COCH₃, propanone).
   
4. Forze di Van der Waals Le forze di Van der Waals spiegano l'attrazione della porzione mobile ricca di elettroni di una molecola alla porzione mobile povera di elettroni di un'altra molecola (stati temporanei di elettronegatività, ad es. lui₂).

Una molecola più grande è più polarizzabile, il che è un'attrazione che tiene insieme le molecole. Hanno bisogno di più energia per sfuggire alla fase gassosa, quindi la molecola più grande ha il punto di ebollizione più alto. Confronta il nitrato di sodio e il nitrato di rubidio in termini di peso molecolare e punto di ebollizione:

10852 Nitrato di rubidio: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Le molecole che formano catene lunghe e diritte hanno un'attrazione più forte per le molecole che le circondano perché possono avvicinarsi. Una molecola a catena lineare come il butano (C₄H₁₀) ha una piccola differenza di elettronegatività tra carbonio e idrogeno.

Una molecola con un doppio legame di ossigeno, come il butanone (C₄H₈O) ha un picco nel mezzo dove l'ossigeno è legato alla catena di carbonio. Il punto di ebollizione del butano è vicino a 0 gradi Celsius, mentre il punto di ebollizione più alto del butanone (79,6 gradi Celsius) può essere spiegato dalla forma della molecola, che crea una forza attrattiva tra l'ossigeno su una molecola e l'idrogeno su una vicina molecola.

Le seguenti caratteristiche avranno l'effetto di creare un punto di ebollizione più alto:

• la presenza di una catena di atomi più lunga nella molecola (più polarizzabile)
• gruppi funzionali più esposti (cioè alla fine di una catena, piuttosto che nel mezzo)
• la classifica di polarità dei gruppi funzionali: ammide>acido>alcol>chetone o aldeide>ammina>estere>alcano

1. Confronta questi tre composti:
   a) Ammoniaca (NH₃), b) perossido di idrogeno (H₂oh₂) ec) acqua (H₂o)
   NH₃ non è polare (debole)
   H₂oh₂ è fortemente polarizzato da legami idrogeno (molto forte)
   H₂O è polarizzato da legami idrogeno (forte)
   Li classificheresti in ordine (dal più forte al più debole): H₂oh₂>H₂O>NH₃
   
2. Confronta questi tre composti:
   a) Idrossido di litio (LiOH), b) esano (C₆H₁₄) e c) isobutano (C₄H₁₀)
   LiOH è ionico (molto forte)
   C₆H₁₄ è una catena diritta (forte)
   C₄H₁₀ è ramificato (debole)
   Li classificheresti in ordine (dal più forte al più debole): LiOH> C₆H₁₄>C₄H₁₀
   

https://www.engineeringtoolbox.com/inorganic-salt-melting-boiling-point-water-solubility-density-liquid-d_1984.html

Nota gli ultimi due elementi nella tabella sopra. L'acido acetico e l'acetone sono molecole basate su due atomi di carbonio. Il doppio legame dell'ossigeno e del gruppo idrossile (OH) nell'acido acetico rendono questa molecola molto polarizzata, causando una maggiore attrazione intermolecolare. L'acetone ha un doppio legame di ossigeno nel mezzo, piuttosto che alla fine, che crea interazioni più deboli tra le molecole.

L'effetto dell'aumento della pressione è quello di aumentare il punto di ebollizione. Considera che la pressione sopra il liquido è premendo verso il basso sulla superficie, rendendo difficile la fuga delle molecole nella fase gassosa. Maggiore è la pressione, maggiore è l'energia richiesta, quindi il punto di ebollizione è più alto a pressioni più elevate.

Ad alta quota, la pressione atmosferica è più bassa. L'effetto di ciò è che i punti di ebollizione sono più bassi ad altitudini più elevate. Per dimostrarlo, a livello del mare, l'acqua bolle a 100 °C, ma a La Paz, in Bolivia (altitudine 11,942 piedi), l'acqua bolle a circa 87 °C. I tempi di cottura dei cibi bolliti devono essere modificati per garantire che il cibo sia completamente cotto.

Per riassumere la relazione tra punto di ebollizione e pressione, la definizione di ebollizione si riferisce al fatto che la tensione di vapore è uguale all'esterno pressione, quindi ha senso che un aumento della pressione esterna richieda un aumento della pressione di vapore, che si ottiene con un aumento della pressione cinetica energia.