Вы могли заметить, что разные вещества имеют сильно различающиеся точки кипения. Этанол, например, кипит при более низкой температуре, чем вода. Пропан - это углеводород и газ, а бензин, смесь углеводородов, представляет собой жидкость при той же температуре. Вы можете рационализировать или объяснить эти различия, размышляя о структуре каждой молекулы. В процессе вы получите новое представление о повседневной химии.
Подумайте о том, что удерживает вместе молекулы в твердом или жидком теле. Все они обладают энергией - в твердом теле они колеблются или колеблются, а в жидкости они вращаются друг вокруг друга. Так почему бы им просто не разлететься, как молекулы в газе? И дело не только в том, что они испытывают давление окружающего воздуха. Ясно, что их держат вместе межмолекулярные силы.
Помните, что, когда молекулы в жидкости вырываются из-под сил, удерживающих их вместе, и вылетают, они образуют газ. Но вы также знаете, что преодоление этих межмолекулярных сил требует энергии. Следовательно, чем больше кинетической энергии имеют молекулы в этой жидкости - иными словами, чем выше температура - тем больше из них может вырваться и тем быстрее жидкость испарится.
Продолжая повышать температуру, вы в конечном итоге достигнете точки, когда под поверхностью жидкости начнут образовываться пузырьки пара; другими словами, он начинает закипать. Чем сильнее межмолекулярные силы в жидкости, тем больше тепла требуется и тем выше температура кипения.
Помните, что все молекулы испытывают слабое межмолекулярное притяжение, называемое лондонской дисперсионной силой. Более крупные молекулы испытывают более сильные лондонские дисперсионные силы, а молекулы в форме стержней испытывают более сильные лондонские дисперсионные силы, чем сферические молекулы. Пропан (C3H8), например, представляет собой газ при комнатной температуре, в то время как гексан (C6H14) является жидкостью. состоит из углерода и водорода, но гексан является более крупной молекулой и испытывает более сильную лондонскую дисперсию силы.
Помните, что некоторые молекулы полярны, то есть у них есть частичный отрицательный заряд в одной области и частичный положительный заряд в другой. Эти молекулы слабо притягиваются друг к другу, и такое притяжение немного сильнее лондонской дисперсионной силы. Если все остальное остается равным, более полярная молекула будет иметь более высокую температуру кипения, чем более неполярная. о-дихлорбензол, например, полярен, в то время как п-дихлорбензол, который имеет такое же количество атомов хлора, углерода и водорода, неполярен. Следовательно, о-дихлорбензол имеет температуру кипения 180 градусов по Цельсию, а п-дихлорбензол кипит при 174 градусах по Цельсию.
Помните, что молекулы, в которых водород присоединен к азоту, фтору или кислороду, могут образовывать взаимодействия, называемые водородными связями. Водородные связи намного сильнее лондонских дисперсионных сил или притяжения между полярными молекулами; там, где они присутствуют, они преобладают и значительно повышают температуру кипения.
Возьмем, к примеру, воду. Вода - очень маленькая молекула, поэтому ее лондонские силы слабы. Однако, поскольку каждая молекула воды может образовывать две водородные связи, вода имеет относительно высокую температуру кипения, составляющую 100 градусов Цельсия. Этанол - более крупная молекула, чем вода, и испытывает более сильные лондонские дисперсионные силы; поскольку он имеет только один атом водорода, доступный для водородной связи, однако, он образует меньше водородных связей. Больших лондонских сил недостаточно, чтобы компенсировать разницу, а этанол имеет более низкую температуру кипения, чем вода.
Вспомните, что ион имеет положительный или отрицательный заряд, поэтому он притягивается к ионам с противоположным зарядом. Притяжение между двумя ионами с противоположными зарядами очень сильное - на самом деле намного сильнее, чем водородная связь. Именно эти ионно-ионные притяжения удерживают кристаллы соли вместе. Вы, вероятно, никогда не пробовали кипятить соленую воду, и это хорошо, потому что соль кипит при температуре более 1400 градусов по Цельсию.
Расположите межионные и межмолекулярные силы в порядке силы следующим образом:
Ион-ион (притяжение между ионами) Водородная связь Ион-диполь (ион притягивается к полярной молекуле) Диполь-диполь (две полярные молекулы притягиваются друг к другу) Дисперсионная сила Лондона
Обратите внимание, что сила сил между молекулами в жидкости или твердом теле - это сумма различных взаимодействий, которые они испытывают.