Hoe kun je bepalen of een molecuul een hoger kookpunt heeft?

Alles wat u moet weten over het rangschikken van moleculen volgens welke het hoogste kookpunt heeft (zonder het op te zoeken) staat in dit artikel. Laten we beginnen met enkele basisprincipes.

Als je naar een pot water op het fornuis kijkt, weet je dat het water kookt als je belletjes ziet die naar de oppervlakte stijgen en knappen.

Het verschil tussen verdampen en koken is dat tijdens het verdampingsproces alleen de oppervlaktemoleculen voldoende energie hebben om aan de vloeibare fase te ontsnappen en een gas te worden. Wanneer een vloeistof daarentegen kookt, hebben de moleculen onder het oppervlak voldoende energie om aan de vloeibare fase te ontsnappen en een gas te worden.

Het kookpunt vindt plaats bij een zeer specifieke temperatuur voor elk molecuul. Daarom wordt het vaak gebruikt om een ​​onbekende stof te identificeren in de kwalitatieve chemie. De reden dat het kookpunt voorspelbaar is, is omdat het wordt geregeld door de sterkte van de banden

Alle moleculen hebben kinetisch energie; ze trillen. Wanneer warmte-energie op een vloeistof wordt toegepast, hebben de moleculen een verhoogde kinetische energie en trillen ze meer. Als ze voldoende trillen, botsen ze tegen elkaar. Door de ontwrichtende kracht van moleculen die tegen elkaar botsen, kunnen ze de aantrekkingskracht overwinnen die ze hebben op de moleculen naast hen.

Aan welke voorwaarde moet een vloeistof voldoen om te koken? Vloeistof kookt wanneer de dampdruk erboven gelijk is aan de atmosferische druk.

• De sleutel is om te weten welke bindingen meer energie nodig hebben om te koken.
  Bindingssterkte van sterkste naar zwakste beoordeeld:
  Ionisch > H-binding > Dipool > van der Waals
  Minder functionele groepen > Meer functionele groepen (Amide>Zuur>Alcohol>Keton of Aldehyde>Amine>Ester>Alkaan)

Als je moleculen vergelijkt om te bepalen welke het hoogste kookpunt heeft, overweeg dan de krachten die in het molecuul aan het werk zijn. Deze kunnen worden gegroepeerd in de volgende drie factoren.

De moleculen in de vloeistof worden door elkaar aangetrokken. Er zijn vier soorten intermoleculaire krachten, en ze worden hieronder weergegeven in volgorde van sterk naar zwak.

1. Ionbinding Ionische binding houdt in dat een elektron van het ene atoom naar het andere wordt gedoneerd (bijvoorbeeld NaCl, keukenzout). In het voorbeeld van NaCl wordt het positief geladen natriumion dicht bij het negatief geladen chloride-ion gehouden en het netto-effect is een molecuul dat elektrisch neutraal is. Het is deze neutraliteit die de ionische binding zo sterk maakt, en waarom het meer energie zou kosten om die binding te verbreken dan een ander type binding.
   
2. Waterstofbinding Een waterstofatoom dat aan een ander atoom is gebonden door zijn valente elektron te delen, heeft een lage elektronegativiteit (bijv. HF, waterstoffluoride). De elektronenwolk rond het fluoratoom is groot en heeft een hoge elektronegativiteit, terwijl de elektronenwolk rond het waterstofatoom klein is en veel minder elektronegativiteit heeft. Dit vertegenwoordigt een polaire covalente binding waarin de elektronen ongelijk verdeeld zijn.
   Niet alle waterstofbruggen hebben dezelfde sterkte, het hangt af van de elektronegativiteit van het atoom waaraan het is gebonden. Wanneer waterstof is gebonden aan fluor, is de binding erg sterk, wanneer gebonden met chloor heeft het een matige sterkte, en wanneer gebonden met een andere waterstof, is het molecuul niet-polair en erg zwak.
   
3. Dipool-dipool Een dipoolkracht treedt op wanneer het positieve uiteinde van een polair molecuul wordt aangetrokken door het negatieve uiteinde van een ander polair molecuul (CH₃COCH₃, propanon).
   
4. Van der Waals krachten Van der Waals-krachten verklaren de aantrekkingskracht van het verschuivende elektronenrijke deel van één molecuul naar het verschuivende elektronenarme deel van een ander molecuul (tijdelijke toestanden van elektronegativiteit, b.v. Hij₂).

Een groter molecuul is meer polariseerbaar, wat een aantrekkingskracht is die de moleculen bij elkaar houdt. Ze hebben meer energie nodig om naar de gasfase te ontsnappen, dus het grotere molecuul heeft het hogere kookpunt. Vergelijk natriumnitraat en rubidiumnitraat in termen van molecuulgewicht en kookpunt:

10852 Rubidiumnitraat: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Moleculen die lange, rechte ketens vormen, hebben een sterkere aantrekkingskracht op de moleculen om hen heen omdat ze dichterbij kunnen komen. Een rechtketenig molecuul zoals butaan (C₄H₁₀) heeft een klein elektronegativiteitsverschil tussen koolstof en waterstof.

Een molecuul met een dubbelgebonden zuurstof, zoals butanon (C₄H₈O) piekt in het midden waar de zuurstof is gebonden aan de koolstofketen. Het kookpunt van butaan ligt dicht bij 0 graden Celsius, terwijl het hogere kookpunt van butanon (79,6 graden Celsius) kan zijn verklaard door de vorm van het molecuul, dat een aantrekkingskracht creëert tussen de zuurstof op het ene molecuul en de waterstof op een naburig molecuul molecuul.

De volgende functies hebben het effect van het creëren van een hoger kookpunt:

• de aanwezigheid van een langere keten van atomen in het molecuul (meer polariseerbaar)
• functionele groepen die meer zichtbaar zijn (dat wil zeggen, aan het einde van een keten, in plaats van in het midden)
• de polariteitsrangschikking van functionele groepen: Amide>Zuur>Alcohol>Keton of Aldehyde>Amine>Ester>Alkaan

1. Vergelijk deze drie verbindingen:
   a) Ammoniak (NH₃), b) waterstofperoxide (H₂O₂) en c) water (H₂O)
   NH₃ is niet-polair (zwak)
   H₂O₂ is sterk gepolariseerd door waterstofbruggen (zeer sterk)
   H₂O wordt gepolariseerd door waterstofbruggen (sterk)
   Je zou deze rangschikken in volgorde (van sterk naar zwak): H₂O₂>H₂O>NH₃
   
2. Vergelijk deze drie verbindingen:
   a) Lithiumhydroxide (LiOH), b) hexaan (C₆H₁₄) en c) isobutaan (C₄H₁₀)
   LiOH is ionisch (zeer sterk)
   C₆H₁₄ is een rechte ketting (sterk)
   C₄H₁₀ is vertakt (zwak)
   Je zou deze rangschikken in volgorde (van sterk naar zwak): LiOH>C₆H₁₄>C₄H₁₀
   

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

Let op de laatste twee items in de bovenstaande tabel. Azijnzuur en aceton zijn moleculen op basis van twee koolstofatomen. De dubbelgebonden zuurstof- en hydroxylgroep (OH) in azijnzuur maken dit molecuul erg gepolariseerd, wat een sterkere intermoleculaire aantrekkingskracht veroorzaakt. De aceton heeft een dubbelgebonden zuurstof in het midden, in plaats van aan het einde, waardoor zwakkere interacties tussen moleculen ontstaan.

Het effect van het verhogen van de druk is om het kookpunt te verhogen. Bedenk dat de druk boven de vloeistof is naar beneden drukken aan het oppervlak, waardoor het moeilijk is voor de moleculen om in de gasfase te ontsnappen. Hoe meer druk, hoe meer energie er nodig is, dus het kookpunt is hoger bij hogere drukken.

Op grote hoogte is de atmosferische druk lager. Het effect hiervan is dat de kookpunten op grotere hoogten lager zijn. Om dit aan te tonen, kookt water op zeeniveau bij 100 °C, maar in La Paz, Bolivia (hoogte 11.942 voet), kookt water bij ongeveer 87 °C. De kooktijden voor gekookt voedsel moeten worden gewijzigd om ervoor te zorgen dat het voedsel volledig gaar is.

Om de relatie tussen kookpunt en druk samen te vatten, heeft de definitie van koken betrekking op het feit dat de dampdruk gelijk is aan de externe druk, dus het is logisch dat een toename van de externe druk een toename van de dampdruk vereist, wat wordt bereikt door een toename van de kinetische energie.