Ako môžete zistiť, či má molekula vyšší bod varu?

Všetko, čo potrebujete vedieť o tom, ako zoradiť molekuly, podľa ktorých má ktorá vyššiu teplotu varu (bez toho, aby ste ju vyhľadali), nájdete v tomto článku. Začnime niekoľkými základmi.

Pri pozorovaní hrnca s vodou na sporáku viete, že voda sa varí, keď uvidíte bubliny, ktoré vystupujú na povrch a praskajú.

Rozdiel medzi odparovaním a varom je v tom, že v procese odparovania sú to iba povrchové molekuly, ktoré majú dostatok energie na to, aby unikli z kvapalnej fázy a stali sa z nich plyn. Keď však kvapalina vrie, molekuly pod povrchom majú naopak dostatok energie na to, aby unikli z kvapalnej fázy a stali sa plynom.

Bod varu nastáva pri veľmi špecifickej teplote pre každú molekulu. Preto sa často používa na identifikáciu neznámej látky v kvalitatívnej chémii. Teplota varu je predvídateľná z dôvodu, že je riadená teplotou varu pevnosť väzieb držanie atómov v molekule pohromade a množstvo kinetickej energie na prerušenie týchto väzieb je merateľné a relatívne spoľahlivé.

Všetky molekuly majú kinetický energia; vibrujú. Keď sa tepelná energia aplikuje na kvapalinu, molekuly zvýšili kinetickú energiu a viac vibrujú. Ak dostatočne vibrujú, narazia do seba. Rušivá sila molekúl, ktoré do seba narážajú, im umožňuje prekonať príťažlivosť, ktorú majú pre molekuly vedľa seba.

Za akých podmienok musí kvapalina vrieť? Kvapalina vrie, keď sa tlak pár nad ním rovná atmosférickému tlaku.

• Kľúčom je vedieť, ktoré väzby vyžadujú viac energie na to, aby došlo k varu.
  Pevnosť spoja hodnotené najsilnejšie až najslabšie:
  Iónové> H-väzba> Dipól> van der Waals
  Menej funkčných skupín> Viac funkčných skupín (Amid> Kyselina> Alkohol> Ketón alebo aldehyd> Amín> Ester> Alkán)

Ak porovnávate molekuly s cieľom určiť, ktorá má vyššiu teplotu varu, zvážte sily, ktoré v molekule pôsobia. Tieto možno zoskupiť do nasledujúcich troch faktorov.

Molekuly v kvapaline sú navzájom priťahované. Existujú štyri typy medzimolekulárnych síl a sú uvedené nižšie v poradí od najsilnejších po najslabšie.

1. Iónová väzba Iónová väzba zahrnuje elektrón darovaný z jedného atómu na druhý (napr. NaCl, kuchynská soľ). V príklade NaCl sa kladne nabitý sodíkový ión udržuje v tesnej blízkosti záporne nabitého chloridového iónu a čistým účinkom je molekula, ktorá je elektricky neutrálna. Je to práve táto neutralita, ktorá robí iónovú väzbu tak silnou a prečo by bolo potrebné viac energie na jej pretrhnutie ako iný typ väzby.
   
2. Vodíková väzba Atóm vodíka, ktorý je viazaný na iný atóm zdieľaním svojho valentného elektrónu, má nízku elektronegativitu (napr. HF, fluorovodík). Elektrónový mrak okolo atómu fluóru je veľký a má vysokú elektronegativitu, zatiaľ čo elektrónový mrak okolo atómu vodíka je malý a má oveľa menšiu elektronegativitu. To predstavuje polárnu kovalentnú väzbu, v ktorej sú elektróny zdieľané nerovnomerne.
   Nie všetky vodíkové väzby majú rovnakú silu, záleží to na elektronegativite atómu, ku ktorému je viazaný. Ak je vodík viazaný na fluór, je veľmi silný, v prípade chlóru má strednú pevnosť a pri naviazaní na iný vodík je molekula nepolárna a veľmi slabá.
   
3. Dipól-Dipól Dipólová sila nastáva, keď je pozitívny koniec polárnej molekuly priťahovaný k negatívnemu koncu inej polárnej molekuly (CH₃COCH₃, propanón).
   
4. Van der Waalsove sily Van der Waalsove sily zodpovedajú za príťažlivosť posúvajúcej sa na elektróny bohatej časti jednej molekuly na posunutú elektrónovo chudobnú časť inej molekuly (dočasné stavy elektronegativity, napr. On₂).

Väčšia molekula je polarizovateľnejšia, čo je príťažlivosť, ktorá udržuje molekuly pohromade. Na únik do plynnej fázy potrebujú viac energie, takže väčšia molekula má vyššiu teplotu varu. Porovnajte dusičnan sodný a dusičnan rubídny z hľadiska molekulovej hmotnosti a teploty varu:

10852 Dusičnan rubídny: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Molekuly, ktoré tvoria dlhé, priame reťazce, majú silnejšie príťažlivosť pre molekuly okolo seba, pretože sa môžu priblížiť. Molekula s priamym reťazcom ako bután (C.₄H₁₀) má malý rozdiel elektronegativity medzi uhlíkom a vodíkom.

Molekula s dvojne viazaným kyslíkom, ako je butanón (C.₄H₈O) je vrcholený v strede, kde je kyslík naviazaný na uhlíkový reťazec. Teplota varu butánu je blízka 0 stupňov Celzia, zatiaľ čo vyššia teplota varu butanónu (79,6 stupňov Celzia) môže byť sa to vysvetľuje tvarom molekuly, ktorá vytvára príťažlivú silu medzi kyslíkom v jednej molekule a vodíkom v susednej molekula.

Nasledujúce funkcie budú mať efekt vytvorenia a vyššia teplota varu:

• prítomnosť dlhšieho reťazca atómov v molekule (polarizovateľnejšia)
• funkčné skupiny, ktoré sú exponovanejšie (tj. na konci reťazca a nie uprostred)
• poradie polarity funkčných skupín: Amid> Kyselina> Alkohol> Ketón alebo aldehyd> Amín> Ester> Alkán

1. Porovnajte tieto tri zlúčeniny:
   a) Amoniak (NH₃), b) peroxid vodíka (H₂O₂) a c) voda (H.₂O)
   NH₃ je nepolárny (slabý)
   H₂O₂ je silne polarizovaný vodíkovými väzbami (veľmi silný)
   H₂O je polarizovaný vodíkovými väzbami (silný)
   Zoradili by ste tieto do poradia (najsilnejšie až najslabšie): H₂O₂> H₂O> NH₃
   
2. Porovnajte tieto tri zlúčeniny:
   a) hydroxid lítny (LiOH), b) hexán (C₆H₁₄) a c) izobután (C.₄H₁₀)
   LiOH je iónový (veľmi silný)
   C.₆H₁₄ je rovná reťaz (silná)
   C.₄H₁₀ je rozvetvený (slabý)
   Zoradili by ste tieto do poradia (najsilnejšie až najslabšie): LiOH> C₆H₁₄> C.₄H₁₀
   

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

Všimnite si posledné dve položky v tabuľke vyššie. Kyselina octová a acetón sú molekuly založené na dvoch uhlíkoch. Vďaka dvojitej väzbe na kyslík a hydroxylovú (OH) skupinu v kyseline octovej je táto molekula veľmi polarizovaná, čo spôsobuje silnejšiu intermolekulárnu príťažlivosť. Acetón má kyslík s dvojnou väzbou v strede, a nie na konci, čo vytvára slabšie interakcie medzi molekulami.

Účinkom zvýšenia tlaku je zvýšenie teploty varu. Zvážte, že tlak nad kvapalinou je stlačenie nadol na povrchu, čo sťažuje molekulám únik do plynnej fázy. Čím väčší tlak, tým viac energie je potrebných, takže teplota varu je vyššia pri vyšších tlakoch.

Vo vysokých nadmorských výškach je atmosférický tlak nižší. Účinkom toho je, že body varu sú vo vyšších nadmorských výškach nižšie. Aby sme to preukázali, na úrovni mora bude voda vrieť pri 100 ° C, ale v La Paz v Bolívii (nadmorská výška 11 942 stôp) voda vrie asi pri 87 ° C. Je potrebné zmeniť dobu varenia vareného jedla, aby bolo jedlo úplne uvarené.

Aby sa zhrnul vzťah medzi teplotou varu a tlakom, definícia varu sa týka tlaku pary, ktorý sa rovná vonkajšiemu tlaku tlaku, takže dáva zmysel, že zvýšenie vonkajšieho tlaku bude vyžadovať zvýšenie tlaku pár, ktoré sa dosiahne zvýšením kinetiky energie.