Как определить, имеет ли молекула более высокую точку кипения?

Все, что вам нужно знать о том, как ранжировать молекулы в зависимости от того, какая из них имеет более высокую температуру кипения (не глядя на нее), содержится в этой статье. Начнем с основ.

Наблюдая за горшком с водой на плите, вы знаете, что вода кипит, когда вы видите пузырьки, которые поднимаются на поверхность и лопаются.

Разница между испарением и кипением состоит в том, что в процессе испарения только поверхностные молекулы имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкую фазу и стать газом. С другой стороны, когда жидкость закипает, молекулы под поверхностью имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкую фазу и стать газом.

Точка кипения возникает при очень определенной температуре для каждой молекулы. Именно поэтому его часто используют для идентификации неизвестного вещества в качественной химии. Причина того, что температура кипения предсказуема, заключается в том, что она контролируется прочность связей удерживая атомы в молекуле вместе, и количество кинетической энергии для разрыва этих связей измеримо и относительно надежно.

Все молекулы имеют кинетический энергия; они вибрируют. Когда к жидкости прикладывается тепловая энергия, молекулы обладают повышенной кинетической энергией и сильнее вибрируют. Если они достаточно вибрируют, они натыкаются друг на друга. Разрушающая сила молекул, сталкивающихся друг с другом, позволяет им преодолевать притяжение, которое они испытывают к молекулам рядом с ними.

Какое условие должно существовать, чтобы жидкость закипела? Жидкость закипает, когда давление пара над ней равно атмосферному.

• Ключ в том, чтобы знать, какие связи требуют больше энергии для кипения.
  Прочность сцепления от самого сильного до самого слабого:
  Ионный> Водородная связь> Диполь> Ван-дер-Ваальс
  Меньше функциональных групп> Больше функциональных групп (амид> кислота> спирт> кетон или альдегид> амин> сложный эфир> алкан)

Если вы сравниваете молекулы, чтобы определить, какая из них имеет более высокую точку кипения, учитывайте силы, действующие внутри молекулы. Их можно сгруппировать по следующим трем факторам.

Молекулы внутри жидкости притягиваются друг к другу. Существует четыре типа межмолекулярных сил, и они перечислены ниже в порядке от самых сильных до самых слабых.

1. Ионная связь Ионная связь включает передачу электронов от одного атома к другому (например, NaCl, поваренная соль). В примере с NaCl положительно заряженный ион натрия удерживается в непосредственной близости от отрицательно заряженного хлорид-иона, и в результате получается электрически нейтральная молекула. Именно эта нейтральность делает ионную связь такой прочной, и почему для разрыва этой связи требуется больше энергии, чем для разрыва связи другого типа.
   
2. Водородная связь Атом водорода, который связан с другим атомом, разделяя его валентный электрон, имеет низкую электроотрицательность (например, HF, фтороводород). Электронное облако вокруг атома фтора большое и имеет высокую электроотрицательность, в то время как электронное облако вокруг атома водорода мало и имеет гораздо меньшую электроотрицательность. Это представляет собой полярную ковалентную связь, в которой электроны распределены неравномерно.
   Не все водородные связи имеют одинаковую силу, это зависит от электроотрицательности атома, с которым они связаны. Когда водород связан с фтором, связь очень прочная, когда она связана с хлором, она имеет умеренную прочность, а когда она связана с другим водородом, молекула неполярна и очень слабая.
   
3. Диполь-диполь Дипольная сила возникает, когда положительный конец полярной молекулы притягивается к отрицательному концу другой полярной молекулы (CH₃COCH₃, пропанон).
   
4. Силы Ван-дер-Ваальса Силы Ван-дер-Ваальса объясняют притяжение смещающейся части одной молекулы, богатой электронами. к перемещающейся бедной электронами части другой молекулы (временные состояния электроотрицательности, например Он₂).

Более крупная молекула более поляризуема, что является притяжением, удерживающим молекулы вместе. Им нужно больше энергии, чтобы уйти в газовую фазу, поэтому более крупная молекула имеет более высокую температуру кипения. Сравните нитрат натрия и нитрат рубидия по молекулярной массе и температуре кипения:

10852 Нитрат рубидия: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Молекулы, образующие длинные прямые цепи, сильнее притягиваются к молекулам вокруг них, потому что они могут приблизиться. Молекула с прямой цепью, такая как бутан (C₄ЧАС₁₀) имеет небольшую разницу в электроотрицательности между углеродом и водородом.

Молекула с кислородом с двойной связью, такая как бутанон (C₄ЧАС₈O) имеет пик посередине, где кислород связан с углеродной цепью. Температура кипения бутана близка к 0 градусам Цельсия, тогда как более высокая точка кипения бутанона (79,6 градуса Цельсия) может быть объясняется формой молекулы, которая создает силу притяжения между кислородом на одной молекуле и водородом на соседней. молекула.

Следующие функции будут иметь эффект создания более высокая точка кипения:

• наличие более длинной цепочки атомов в молекуле (более поляризуемой)
• функциональные группы, которые более открыты (то есть в конце цепочки, а не в середине)
• ранжирование полярности функциональных групп: амид> кислота> спирт> кетон или альдегид> амин> сложный эфир> алкан

1. Сравните эти три соединения:
   а) Аммиак (NH₃), б) перекись водорода (H₂О₂) и в) вода (H₂O)
   NH₃ неполярный (слабый)
   ЧАС₂О₂ сильно поляризован водородными связями (очень сильно)
   ЧАС₂O поляризован водородными связями (сильные)
   Вы бы расположили их по порядку (от самого сильного к самому слабому): H₂О₂> H₂O> NH₃
   
2. Сравните эти три соединения:
   а) гидроксид лития (LiOH), б) гексан (C₆ЧАС₁₄) и в) изобутан (C₄ЧАС₁₀)
   LiOH ионный (очень сильный)
   C₆ЧАС₁₄ прямая цепь (прочная)
   C₄ЧАС₁₀ разветвленный (слабый)
   Вы бы расположили их по порядку (от самого сильного к самому слабому): LiOH> C₆ЧАС₁₄> C₄ЧАС₁₀
   

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

Обратите внимание на последние два пункта в таблице выше. Уксусная кислота и ацетон - это молекулы на основе двух атомов углерода. Двойные связи кислорода и гидроксильной (ОН) группы в уксусной кислоте делают эту молекулу очень поляризованной, вызывая более сильное межмолекулярное притяжение. Ацетон имеет кислород с двойной связью в середине, а не в конце, что создает более слабые взаимодействия между молекулами.

Эффект увеличения давления - повышение температуры кипения. Учтите, что давление над жидкостью равно давить на поверхности, затрудняя выход молекул в газовую фазу. Чем выше давление, тем больше требуется энергии, поэтому температура кипения выше при более высоких давлениях.

На больших высотах атмосферное давление ниже. В результате температура кипения ниже на больших высотах. Чтобы продемонстрировать это, на уровне моря вода закипает при температуре 100 ° C, но в Ла-Пасе, Боливия (высота 11 942 фута), вода кипит при температуре около 87 ° C. Время приготовления вареных продуктов необходимо изменить, чтобы они были полностью приготовлены.

Подводя итог взаимосвязи между точкой кипения и давлением, определение кипения относится к давлению пара, равному внешнему давлению. давление, поэтому имеет смысл, что увеличение внешнего давления потребует увеличения давления пара, что достигается увеличением кинетической энергия.