Hvordan kan du bestemme om en molekyl har et høyere kokepunkt?

Alt du trenger å vite om hvordan du rangerer molekyler etter hvilke man har det høyere kokepunktet (uten å slå opp det) er i denne artikkelen. La oss starte med noen grunnleggende.

Når du observerer en gryte med vann på ovnen, vet du at vannet koker når du ser bobler som stiger opp til overflaten og spretter.

Forskjellen mellom fordampning og koking er at i fordampningsprosessen er det bare overflatemolekylene som har nok energi til å unnslippe væskefasen og bli en gass. Når en væske koker, har molekylene under overflaten derimot nok energi til å unnslippe væskefasen og bli en gass.

Kokepunktet oppstår ved en veldig spesifikk temperatur for hvert molekyl. Det er derfor det ofte brukes til å identifisere et ukjent stoff i kvalitativ kjemi. Årsaken til at kokepunktet er forutsigbar er fordi det styres av båndens styrke å holde atomene i molekylet sammen, og mengden kinetisk energi for å bryte disse bindingene er målbar og relativt pålitelig.

Alle molekyler har kinetisk energi; de vibrerer. Når varmeenergi påføres en væske, har molekylene økt kinetisk energi, og de vibrerer mer. Vibrerer de nok, støter de på hverandre. Den forstyrrende kraften til molekyler som støter på hverandre, gjør at de kan overvinne tiltrekningen de har for molekylene ved siden av seg.

Hvilken tilstand må eksistere for at en væske skal koke? Væske koker når damptrykket over det tilsvarer atmosfæretrykket.

• Nøkkelen er å vite hvilke bindinger som krever mer energi for å koke.
  Obligasjonsstyrke rangert sterkest til svakest:
  Jonisk> H-binding> Dipole> van der Waals
  Færre funksjonelle grupper> Flere funksjonelle grupper (Amid> Syre> Alkohol> Keton eller Aldehyd> Amin> Ester> Alkan)

Hvis du sammenligner molekyler for å bestemme hvilke som har det høyere kokepunktet, bør du vurdere kreftene som virker i molekylet. Disse kan grupperes i følgende tre faktorer.

Molekylene i væsken tiltrekkes av hverandre. Det er fire typer intermolekylære krefter, og de er listet opp nedenfor i rekkefølge av sterkeste til svakeste.

1. Jonisk binding Jonisk binding innebærer at et elektron blir donert fra ett atom til et annet (f.eks. NaCl, bordsalt). I eksemplet med NaCl holdes det positivt ladede natriumionet i nærheten av det negativt ladede kloridionet, og nettoeffekten er et molekyl som er elektrisk nøytralt. Det er denne nøytraliteten som gjør den ioniske bindingen så sterk, og hvorfor det vil ta mer energi å bryte den bindingen enn en annen type binding.
   
2. Hydrogenbinding Et hydrogenatom som er bundet til et annet atom ved å dele det valente elektronet har lav elektronegativitet (f.eks. HF, hydrogenfluorid). Elektronskyen rundt fluoratomet er stor og har høy elektronegativitet, mens elektronskyen rundt hydrogenatomet er liten og har mye mindre elektronegativitet. Dette representerer en polær kovalent binding der elektronene deles ulikt.
   Ikke alle hydrogenbindinger har samme styrke, det avhenger av elektronegativiteten til atomet det er bundet til. Når hydrogen er bundet til fluor, er bindingen veldig sterk, når den er bundet med klor har den moderat styrke, og når den er bundet til et annet hydrogen, er molekylet ikke-polært og veldig svakt.
   
3. Dipole-Dipole En dipolkraft oppstår når den positive enden av et polært molekyl tiltrekkes av den negative enden av et annet polært molekyl (CH₃COCH₃, propanon).
   
4. Van der Waals styrker Van der Waals-krefter forklarer tiltrekningen av den skiftende elektronrike delen av ett molekyl til den skiftende elektronfattige delen av et annet molekyl (midlertidige tilstander av elektronegativitet, f.eks. Han₂).

Et større molekyl er mer polariserbart, noe som er en attraksjon som holder molekylene sammen. De trenger mer energi for å unnslippe til gassfasen, så det større molekylet har høyere kokepunkt. Sammenlign natriumnitrat og rubidiumnitrat når det gjelder molekylvekt og kokepunkt:

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

Molekyler som danner lange, rette kjeder har sterkere tiltrekninger til molekylene rundt seg fordi de kan komme nærmere. Et rettkjedet molekyl som butan (C₄H₁₀) har en liten elektronegativitetsforskjell mellom karbon og hydrogen.

Et molekyl med dobbeltbundet oksygen, som butanon (C₄H₈O) er toppet i midten der oksygen er bundet til karbonkjeden. Kokepunktet for butan er nær 0 grader Celsius, mens det høyere kokepunktet for butanon (79,6 grader Celsius) kan være forklart av formen på molekylet, som skaper en attraktiv kraft mellom oksygenet på ett molekyl og hydrogenet på et nærliggende molekyl.

Følgende funksjoner vil ha effekten av å lage en høyere kokepunkt:

• tilstedeværelsen av en lengre atomkjede i molekylet (mer polariserbar)
• funksjonelle grupper som er mer utsatt (det vil si på slutten av en kjede, snarere enn i midten)
• polaritetsrangeringen av funksjonelle grupper: Amid> Syre> Alkohol> Keton eller Aldehyd> Amin> Ester> Alkan

1. Sammenlign disse tre forbindelsene:
   a) Ammoniakk (NH₃), b) hydrogenperoksyd (H₂O₂) og c) vann (H₂O)
   NH₃ er ikke-polær (svak)
   H₂O₂ er sterkt polarisert av hydrogenbindinger (veldig sterk)
   H₂O er polarisert av hydrogenbindinger (sterk)
   Du vil rangere disse i rekkefølge (sterkest til svakest): H₂O₂> H₂O> NH₃
   
2. Sammenlign disse tre forbindelsene:
   a) Litiumhydroksyd (LiOH), b) heksan (C₆H₁₄) og c) isobutan (C₄H₁₀)
   LiOH er ionisk (veldig sterk)
   C₆H₁₄ er en rett kjede (sterk)
   C₄H₁₀ er forgrenet (svak)
   Du vil rangere disse i rekkefølge (sterkest til svakest): LiOH> C₆H₁₄> C₄H₁₀
   

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

Legg merke til de to siste elementene i tabellen over. Eddiksyre og aceton er molekyler basert på to karbonatomer. Den dobbeltbundne oksygen- og hydroksylgruppen (OH) i eddiksyre gjør dette molekylet veldig polarisert og forårsaker sterkere intermolekylær tiltrekning. Acetonen har et dobbeltbundet oksygen i midten, snarere enn på slutten, noe som skaper svakere interaksjoner mellom molekyler.

Effekten av å øke trykket er å heve kokepunktet. Tenk på at trykket over væsken er trykke ned på overflaten, noe som gjør det vanskelig for molekylene å rømme inn i gassfasen. Jo mer trykk, jo mer energi kreves, så kokepunktet er høyere ved høyere trykk.

I store høyder er atmosfæretrykket lavere. Effekten av dette er at kokepunktene er lavere i høyere høyder. For å demonstrere dette, ved havnivå, vil vannet koke ved 100 ° C, men i La Paz, Bolivia (høyde 11.942 fot), koker vann ved omtrent 87 ° C. Steketider for kokt mat må endres for å sikre at maten er ferdig tilberedt.

For å oppsummere forholdet mellom kokepunkt og trykk, gjelder definisjonen av kokepunkt at damptrykket er lik det ytre trykk, så det er fornuftig at en økning i det ytre trykket vil kreve en økning i damptrykket, som oppnås ved en økning i kinetisk energi.