Jak ustalić, czy cząsteczka ma wyższą temperaturę wrzenia?

Wszystko, co musisz wiedzieć o tym, jak uszeregować cząsteczki, według których ma wyższą temperaturę wrzenia (bez sprawdzania) znajduje się w tym artykule. Zacznijmy od podstaw.

Obserwując garnek z wodą na kuchence, wiesz, że woda się gotuje, gdy widzisz bąbelki, które unoszą się na powierzchnię i pękają.

Różnica między parowaniem a wrzeniem polega na tym, że w procesie parowania tylko cząsteczki powierzchniowe mają wystarczającą energię, aby uciec z fazy ciekłej i stać się gazem. Z drugiej strony, gdy ciecz się gotuje, cząsteczki znajdujące się pod powierzchnią mają wystarczającą energię, aby uciec z fazy ciekłej i stać się gazem.

Temperatura wrzenia występuje w bardzo określonej temperaturze dla każdej cząsteczki. Dlatego jest często używany do identyfikacji nieznanej substancji w chemii jakościowej. Powodem, dla którego temperatura wrzenia jest przewidywalna, jest to, że jest ona kontrolowana przez siła wiązań utrzymywanie atomów w cząsteczce razem, a ilość energii kinetycznej potrzebna do zerwania tych wiązań jest mierzalna i stosunkowo niezawodna.

Wszystkie cząsteczki mają kinetyczny energia; wibrują. Kiedy energia cieplna jest przyłożona do cieczy, cząsteczki mają zwiększoną energię kinetyczną i bardziej wibrują. Jeśli wystarczająco wibrują, wpadają na siebie. Destrukcyjna siła cząsteczek wpadających na siebie pozwala im przezwyciężyć przyciąganie, jakie mają do cząsteczek znajdujących się obok.

Jakie warunki muszą być spełnione, aby płyn się zagotował? Ciecz wrze, gdy prężność pary powyżej niej równa się ciśnieniu atmosferycznemu.

• Kluczem jest wiedzieć, które wiązania wymagają więcej energii, aby nastąpiło wrzenie.
  Siła wiązania ocenione od najsilniejszego do najsłabszego:
  Ionic > H-bond > Dipol > van der Waals
  Mniej grup funkcyjnych > Więcej grup funkcyjnych (Amidy>Kwas>Alkohol>Keton lub Aldehyd>Amina>Estry>Alkany)

Jeśli porównujesz cząsteczki, aby określić, która ma wyższą temperaturę wrzenia, rozważ siły działające w cząsteczce. Można je podzielić na następujące trzy czynniki.

Cząsteczki w cieczy przyciągają się do siebie. Istnieją cztery rodzaje sił międzycząsteczkowych i są one wymienione poniżej w kolejności od najsilniejszych do najsłabszych.

1. Wiązanie jonowe Wiązanie jonowe polega na przekazaniu elektronu z jednego atomu na drugi (np. NaCl, sól kuchenna). W przykładzie NaCl dodatnio naładowany jon sodu jest utrzymywany w pobliżu ujemnie naładowanego jonu chlorku, a efektem netto jest cząsteczka, która jest elektrycznie obojętna. To właśnie ta neutralność sprawia, że ​​wiązanie jonowe jest tak silne i dlaczego zerwanie tego wiązania wymagałoby więcej energii niż innego rodzaju wiązania.
   
2. Wiązanie wodorowe Atom wodoru, który jest połączony z innym atomem poprzez dzielenie jego elektronu o wartościowości, ma niską elektroujemność (np. HF, fluorowodór). Chmura elektronów wokół atomu fluoru jest duża i ma wysoką elektroujemność, podczas gdy chmura elektronów wokół atomu wodoru jest mała i ma znacznie mniejszą elektroujemność. Reprezentuje to polarne wiązanie kowalencyjne, w którym elektrony są podzielone nierówno.
   Nie wszystkie wiązania wodorowe mają taką samą siłę, zależy to od elektroujemności atomu, z którym jest związany. Gdy wodór jest związany z fluorem, wiązanie jest bardzo silne, w przypadku chloru ma umiarkowaną siłę, a w przypadku połączenia z innym wodorem cząsteczka jest niepolarna i bardzo słaba.
   
3. Dipol-dipol Siła dipolowa występuje, gdy dodatni koniec cząsteczki polarnej jest przyciągany do ujemnego końca innej cząsteczki polarnej (CH₃COCH₃, propanon).
   
4. Siły Van der Waalsa Siły Van der Waalsa odpowiadają za przyciąganie przesuwającej się, bogatej w elektrony części jednej cząsteczki do przesuwającej się ubogiej w elektrony części innej cząsteczki (przejściowe stany elektroujemności, np. On₂).

Większa cząsteczka jest bardziej polaryzowalna, co jest przyciąganiem, które utrzymuje cząsteczki razem. Potrzebują więcej energii, aby uciec do fazy gazowej, więc większa cząsteczka ma wyższą temperaturę wrzenia. Porównaj azotan sodu i azotan rubidu pod względem masy cząsteczkowej i temperatury wrzenia:

10852 Azotan rubidu: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Cząsteczki, które tworzą długie, proste łańcuchy, mają silniejsze przyciąganie do otaczających je cząsteczek, ponieważ mogą się zbliżyć. Prostołańcuchowa cząsteczka, taka jak butan (C₄H₁₀) ma niewielką różnicę elektroujemności między węglem a wodorem.

Cząsteczka z podwójnie związanym tlenem, jak butanon (C₄H₈O) osiąga szczyt w środku, gdzie tlen jest związany z łańcuchem węglowym. Temperatura wrzenia butanu jest bliska 0 stopni Celsjusza, podczas gdy wyższa temperatura wrzenia butanonu (79,6 stopni Celsjusza) może być tłumaczy się kształtem cząsteczki, która tworzy siłę przyciągania między tlenem na jednej cząsteczce a wodorem na sąsiedniej cząsteczka.

Następujące funkcje będą miały wpływ na tworzenie wyższa temperatura wrzenia:

• obecność dłuższego łańcucha atomów w cząsteczce (bardziej polaryzowalna)
• grupy funkcyjne, które są bardziej wyeksponowane (czyli na końcu łańcucha, a nie w środku)
• ranking polaryzacji grup funkcyjnych: Amid>Kwas>Alkohol>Keton lub Aldehyd>Amina>Ester>Alkany

1. Porównaj te trzy związki:
   a) Amoniak (NH₃), b) nadtlenek wodoru (H₂O₂) i c) woda (H₂O)
   NH₃ jest niepolarny (słaby)
   H₂O₂ jest silnie spolaryzowany przez wiązania wodorowe (bardzo silny)
   H₂O jest spolaryzowany przez wiązania wodorowe (silne)
   Uporządkujesz je w kolejności (od najsilniejszego do najsłabszego): H₂O₂>H₂O>NH₃
   
2. Porównaj te trzy związki:
   a) Wodorotlenek litu (LiOH), b) heksan (C₆H₁₄) i c) izobutan (C₄H₁₀)
   LiOH jest jonowy (bardzo silny)
   do₆H₁₄ to prosty łańcuch (silny)
   do₄H₁₀ jest rozgałęziony (słaby)
   Uporządkujesz je w kolejności (od najsilniejszego do najsłabszego): LiOH>C₆H₁₄>C₄H₁₀
   

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

Zwróć uwagę na dwie ostatnie pozycje w powyższej tabeli. Kwas octowy i aceton to cząsteczki oparte na dwóch węglach. Podwójnie związany tlen i grupa hydroksylowa (OH) w kwasie octowym sprawiają, że ta cząsteczka jest bardzo spolaryzowana, powodując silniejsze przyciąganie międzycząsteczkowe. Aceton ma podwójnie związany tlen w środku, a nie na końcu, co powoduje słabsze interakcje między cząsteczkami.

Efektem zwiększenia ciśnienia jest podniesienie temperatury wrzenia. Weź pod uwagę, że ciśnienie nad cieczą wynosi naciskając w dół na powierzchni, co utrudnia cząsteczkom ucieczkę do fazy gazowej. Im większe ciśnienie, tym więcej energii jest potrzebne, więc temperatura wrzenia jest wyższa przy wyższym ciśnieniu.

Na dużych wysokościach ciśnienie atmosferyczne jest niższe. W efekcie temperatura wrzenia jest niższa na wyższych wysokościach. Aby to zademonstrować, na poziomie morza woda wrze w temperaturze 100°C, ale w La Paz w Boliwii (wysokość 11942 stóp) woda wrze w temperaturze około 87°C. Czasy gotowania gotowanej żywności należy zmienić, aby upewnić się, że żywność jest całkowicie ugotowana.

Podsumowując zależność między temperaturą wrzenia a ciśnieniem, definicja wrzenia odnosi się do prężności pary równej zewnętrznemu ciśnienia, więc ma sens, że wzrost ciśnienia zewnętrznego będzie wymagał wzrostu ciśnienia pary, co jest osiągane przez wzrost kinetyki energia.