איך אתה יכול לקבוע אם למולקולה יש נקודת רתיחה גבוהה יותר?

כל מה שצריך לדעת כיצד לדרג מולקולות לפיהן יש את נקודת הרתיחה הגבוהה יותר (מבלי לחפש אותה) נמצא במאמר זה. נתחיל בכמה יסודות.

כשאתה צופה בסיר מים על הכיריים, אתה יודע שהמים רותחים כשרואים בועות שעולות אל פני השטח וקופצות.

ההבדל בין אידוי לרתיחה הוא שבתהליך האידוי רק למולקולות השטח יש מספיק אנרגיה כדי לברוח משלב הנוזל ולהפוך לגז. לעומת זאת, כאשר נוזל רותח, למולקולות שמתחת לפני השטח יש מספיק אנרגיה כדי לברוח משלב הנוזל ולהפוך לגז.

נקודת הרתיחה מתרחשת בטמפרטורה מאוד ספציפית לכל מולקולה. לכן משתמשים בו לעתים קרובות לזיהוי חומר לא ידוע בכימיה איכותית. הסיבה לכך שנקודת הרתיחה צפויה היא מכיוון שהיא נשלטת על ידי חוזק הקשרים החזקת האטומים במולקולה יחד, וכמות האנרגיה הקינטית לשבירת קשרים אלה היא מדידה ואמינה יחסית.

לכל המולקולות יש קִינֵטִי אֵנֶרְגִיָה; הם רוטטים. כאשר אנרגיית חום מוחלת על נוזל, למולקולות יש אנרגיה קינטית מוגברת והן רוטטות יותר. אם הם רוטטים מספיק, הם נתקלים זה בזה. הכוח המפריע של מולקולות המתנגשות זו בזו מאפשר להם להתגבר על המשיכה שיש להם למולקולות שלצדן.

איזה מצב חייב להתקיים כדי שנוזל ירתח? נוזל רותח כאשר לחץ האדים שמעליו שווה ללחץ האטמוספרי.

• המפתח הוא לדעת אילו קשרים דורשים יותר אנרגיה כדי להתרחש רתיחה.
  חוזק אג"ח מדורג הכי חזק לחלש:
  יונית> H-bond> Dipole> van der Waals
  פחות קבוצות פונקציונליות> קבוצות פונקציונליות יותר (אמיד> חומצה> אלכוהול> קטון או אלדהיד> אמין> אסתר> אלקנה)

אם אתה משווה מולקולות כדי לקבוע לאיזו נקודת רתיחה גבוהה יותר, שקול את הכוחות הפועלים בתוך המולקולה. אלה יכולים להיות מקובצים לשלושת הגורמים הבאים.

המולקולות בתוך הנוזל נמשכות זו לזו. ישנם ארבעה סוגים של כוחות בין-מולקולריים, והם מפורטים להלן לפי הסדר החזק ביותר לחלש.

1. קשר יוני קישור יוני כרוך בתרומת אלקטרון מאטום אחד למשנהו (למשל NaCl, מלח שולחן). בדוגמה של NaCl, יון הנתרן הטעון באופן חיובי מוחזק בסמיכות ליון הכלוריד הטעון באופן שלילי והשפעת הרשת היא מולקולה שהיא ניטרלית חשמלית. הנייטרליות הזו היא שהופכת את הקשר היוני לחזק כל כך, ומדוע יידרש יותר אנרגיה כדי לשבור את הקשר הזה מאשר סוג אחר של קשר.
   
2. קשר מימן אטום מימן שקושר לאטום אחר על ידי שיתוף האלקטרון החזק שלו, בעל אלקטרונטיביות נמוכה (למשל HF, מימן פלואוריד). ענן האלקטרונים סביב אטום הפלואור גדול ובעל יחס אלקטרוני גבוה ואילו ענן האלקטרונים סביב אטום המימן קטן ויש לו הרבה פחות אלקטרונגטיביות. זה מייצג קשר קוולנטי קוטבי שבו האלקטרונים משותפים באופן לא שווה.
   לא כל קשרי המימן הם בעלי אותו חוזק, זה תלוי בנגטיביות האלקטרונית של האטום אליו הוא קשור. כאשר מימן נקשר לפלואור, הקשר חזק מאוד, כאשר הוא קשור לכלור יש לו חוזק בינוני, וכאשר הוא נקשר למימן אחר, המולקולה אינה קוטבית והיא חלשה מאוד.
   
3. דיפול-דיפול כוח דיפול קורה כאשר הקצה החיובי של מולקולה קוטבית נמשך לקצה השלילי של מולקולה קוטבית אחרת (CH₃COCH₃, פרופונון).
   
4. כוחות ואן דר וואלס כוחות ואן דר וואלס מסבירים את המשיכה של החלק העשיר באלקטרונים המשתנה של מולקולה אחת לחלק הדל אלקטרונים המשתנה של מולקולה אחרת (מצבים זמניים של אלקטרונטיביות, למשל הוא₂).

מולקולה גדולה יותר ניתנת לקיטוב, וזה אטרקציה ששומרת על המולקולות. הם זקוקים לאנרגיה רבה יותר כדי לברוח לשלב הגז, ולכן למולקולה הגדולה יש את נקודת הרתיחה הגבוהה יותר. השווה נתרן חנקתי ורובידיום חנקתי במונחים של משקל מולקולרי ונקודת רתיחה:

10852 רובידיום חנקתי: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

למולקולות היוצרות שרשראות ארוכות וישרות יש אטרקציות חזקות יותר למולקולות סביבן מכיוון שהן יכולות להתקרב. מולקולה ישר שרשרת כמו בוטאן (ג₄ה₁₀) יש הבדל אלקטרוני שלילי בין פחמן למימן.

מולקולה עם חמצן בעל קשר כפול, כמו בוטנון (C₄ה₈O) מגיע לשיאו באמצע שבו החמצן נקשר לשרשרת הפחמן. נקודת הרתיחה של בוטאן קרובה ל 0 מעלות צלזיוס, ואילו נקודת הרתיחה הגבוהה יותר של בוטנון (79.6 מעלות צלזיוס) יכולה להיות מוסבר על ידי צורת המולקולה, היוצרת כוח אטרקטיבי בין החמצן על מולקולה אחת למימן על שכנה מולקולה.

התכונות הבאות ישפיעו על יצירת נקודת רתיחה גבוהה יותר:

• נוכחות של שרשרת אטומים ארוכה יותר במולקולה (מקוטבת יותר)
• קבוצות פונקציונליות חשופות יותר (כלומר בקצה שרשרת ולא באמצע)
• דירוג הקוטביות של קבוצות פונקציונליות: אמיד> חומצה> אלכוהול> קטון או אלדהיד> אמין> אסתר> אלקנה

1. השווה בין שלושת התרכובות הללו:
   א) אמוניה (NH₃), ב) מי חמצן (H₂או₂) וג) מים (ח₂O)
   NH₃ אינו קוטבי (חלש)
   ה₂או₂ מקוטב מאוד על ידי קשרי מימן (חזק מאוד)
   ה₂O מקוטב על ידי קשרי מימן (חזק)
   היית מדרג את אלה לפי הסדר (החזק לחלש ביותר): H₂או₂> ח₂O> NH₃
   
2. השווה בין שלושת התרכובות הללו:
   א) ליתיום הידרוקסיד (LiOH), ב) הקסאן (ג₆ה₁₄) ו- c) איזו-בוטאן (C₄ה₁₀)
   LiOH הוא יוני (חזק מאוד)
   ג₆ה₁₄ היא שרשרת ישרה (חזקה)
   ג₄ה₁₀ מסועף (חלש)
   היית מדרג את אלה לפי הסדר (החזק ביותר לחלש ביותר): LiOH> C.₆ה₁₄> ג₄ה₁₀
   

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

שימו לב לשני הפריטים האחרונים בטבלה לעיל. חומצה אצטית ואצטון הן מולקולות המבוססות על שני פחמנים. קבוצת החמצן הכפולה וההידרוקסיל (OH) בחומצה אצטית הופכות את המולקולה לקוטבית מאוד וגורמת למשיכה בין-מולקולרית חזקה יותר. לאצטון יש חמצן בעל קשר כפול באמצע, ולא בסוף, מה שיוצר אינטראקציות חלשות יותר בין מולקולות.

ההשפעה של הגברת הלחץ היא העלאת נקודת הרתיחה. קחו בחשבון שהלחץ מעל הנוזל הוא לוחץ למטה על פני השטח, מה שמקשה על המולקולות לברוח לשלב הגז. ככל שיש יותר לחץ כך נדרשת יותר אנרגיה ולכן נקודת הרתיחה גבוהה יותר בלחצים גבוהים יותר.

בגובה רב, הלחץ האטמוספרי נמוך יותר. ההשפעה של זה היא שנקודות הרתיחה נמוכות יותר בגבהים גבוהים יותר. כדי להדגים זאת, בגובה פני הים, המים ירתחו ב 100 מעלות צלזיוס, אך בלה פאס, בוליביה (גובה 11,942 רגל), המים רותחים בכ 87 מעלות צלזיוס. יש לשנות את זמני הבישול לאוכל מבושל בכדי להבטיח שהאוכל מבושל לחלוטין.

לסיכום הקשר בין נקודת רתיחה ללחץ, הגדרת הרתיחה מתייחסת לכך שלחץ האדים שווה לחיצוני לחץ, ולכן הגיוני כי עלייה בלחץ החיצוני תדרוש עלייה בלחץ האדים, שמושגת על ידי עלייה בקינטית אֵנֶרְגִיָה.