Kako lahko ugotovite, ali ima molekula višjo vrelišče?

V tem članku je vse, kar morate vedeti o razvrščanju molekul glede na to, katera ima višje vrelišče (ne da bi to iskala). Začnimo z nekaj osnovami.

Ko opazujete lonec z vodo na štedilniku, veste, da voda vre, ko vidite mehurčke, ki se dvignejo na površje in popkajo.

Razlika med izhlapevanjem in vrenjem je v tem, da imajo v procesu izhlapevanja le površinske molekule dovolj energije, da uidejo iz tekoče faze in postanejo plin. Ko tekočina zavre, pa imajo molekule pod površjem dovolj energije, da uidejo iz tekoče faze in postanejo plin.

Vrelišče se pojavi pri zelo specifični temperaturi za vsako molekulo. Zato se v kvalitativni kemiji pogosto uporablja za prepoznavanje neznane snovi. Razlog, da je vrelišče predvidljivo, je, ker ga nadzira moč vezi držanje atomov v molekuli skupaj in količina kinetične energije za prekinitev teh vezi je merljiva in razmeroma zanesljiva.

Vse molekule imajo kinetična energija; vibrirajo. Ko toplotno energijo uporabimo za tekočino, molekule povečajo kinetično energijo in bolj vibrirajo. Če vibrirajo dovolj, trčijo drug v drugega. Moteča sila molekul, ki trčijo drug v drugega, jim omogoča, da premagajo privlačnost, ki jo imajo za molekule ob sebi.

Kakšen pogoj mora biti, da tekočina zavre? Tekočina zavre, ko je parni tlak nad njo enak atmosferskemu.

• Ključno je vedeti, katere vezi potrebujejo več energije za vrenje.
  Moč vezi ocenjeno najmočnejši do najšibkejši:
  Jonski> H-vez> Dipol> van der Waals
  Manj funkcionalnih skupin> Več funkcionalnih skupin (amid> kislina> alkohol> keton ali aldehid> amin> ester> alkan)

Če primerjate molekule, da ugotovite, katera ima višje vrelišče, upoštevajte sile, ki delujejo znotraj molekule. Te lahko združimo v naslednje tri dejavnike.

Molekule v tekočini se privlačijo. Obstajajo štiri vrste medmolekularnih sil, ki so spodaj navedene po vrstnem redu najmočnejših do najšibkejših.

1. Jonska vez Jonska vezava vključuje doniranje elektrona iz enega atoma v drugega (npr. NaCl, kuhinjska sol). V primeru NaCl je pozitivno nabit natrijev ion v neposredni bližini negativno nabitega kloridnega iona, neto učinek pa je molekula, ki je električno nevtralna. Zaradi te nevtralnosti je ionska vez tako močna in zakaj bi za prekinitev te vezi potrebovali več energije kot drugačna vez.
   
2. Vodikova vez Vodikov atom, ki je vezan na drug atom, tako da deli valentni elektron, ima nizko elektronegativnost (npr. HF, vodikov fluorid). Elektronski oblak okoli atoma fluora je velik in ima visoko elektronegativnost, elektronski oblak okoli atoma vodika pa je majhen in ima veliko manj elektronegativnosti. To predstavlja polarno kovalentno vez, v kateri se elektroni delijo neenako.
   Vse vodikove vezi nimajo enake trdnosti, to je odvisno od elektronegativnosti atoma, na katerega je vezan. Ko je vodik vezan na fluor, je vez zelo močna, ko je vezana na klor, ima zmerno trdnost, ko je vezana na drug vodik, pa je molekula nepolarna in zelo šibka.
   
3. Dipol-Dipol Dipolna sila se pojavi, ko pozitivni konec polarne molekule privlači negativni konec druge polarne molekule (CH₃COCH₃, propanon).
   
4. Van der Waalsove sile Van der Waalsove sile predstavljajo privlačnost premikajočega se z elektroni bogatega dela ene molekule na premikajoč se z elektroni revni del druge molekule (začasna stanja elektronegativnosti, npr. On₂).

Večja molekula je bolj polarizirana, kar je privlačnost, ki molekule drži skupaj. Za pobeg v plinsko fazo potrebujejo več energije, zato ima večja molekula višje vrelišče. Primerjajte natrijev nitrat in rubidijev nitrat glede na molekulsko maso in vrelišče:

10852 Rubidijev nitrat: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Molekule, ki tvorijo dolge, ravne verige, imajo močnejše privlačnosti za molekule okoli sebe, ker se lahko približajo. Molekula z ravno verigo, kot je butan (C₄H₁₀) ima majhno razliko v elektronegativnosti med ogljikom in vodikom.

Molekula z dvojno vezanim kisikom, kot je butanon (C₄H₈O) doseže vrh v sredini, kjer je kisik vezan na ogljikovo verigo. Vrelišče butana je blizu 0 stopinj Celzija, medtem ko je višje vrelišče butanona (79,6 stopinje Celzija) razloženo z obliko molekule, ki ustvarja privlačno silo med kisikom na eni molekuli in vodikom na sosednji molekula.

Naslednje funkcije bodo vplivale na ustvarjanje datoteke višje vrelišče:

• prisotnost daljše verige atomov v molekuli (bolj polarizirana)
• funkcionalne skupine, ki so bolj izpostavljene (to je na koncu verige in ne na sredini)
• razvrstitev polarnosti funkcionalnih skupin: amid> kislina> alkohol> keton ali aldehid> amin> ester> alkan

1. Primerjajte te tri spojine:
   a) Amoniak (NH₃), b) vodikov peroksid (H₂O₂) in c) voda (H₂O)
   NH₃ je nepolaren (šibek)
   H₂O₂ je močno polariziran z vodikovimi vezmi (zelo močan)
   H₂O je polariziran z vodikovimi vezmi (močan)
   Te bi razvrstili po vrstnem redu (najmočnejši do najšibkejši): H₂O₂> H₂O> NH₃
   
2. Primerjajte te tri spojine:
   a) Litijev hidroksid (LiOH), b) heksan (C₆H₁₄) in c) izo-butan (C₄H₁₀)
   LiOH je ionski (zelo močan)
   C₆H₁₄ je ravna veriga (močna)
   C₄H₁₀ je razvejan (šibek)
   Te bi razvrstili po vrstnem redu (najmočnejši do najšibkejši): LiOH> C₆H₁₄> C₄H₁₀
   

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

Upoštevajte zadnja dva elementa v zgornji tabeli. Ocetna kislina in aceton sta molekuli na osnovi dveh ogljikov. Dvovezana skupina kisika in hidroksila (OH) v ocetni kislini naredi to molekulo zelo polarizirano in povzroči močnejšo medmolekularno privlačnost. Aceton ima na sredini namesto na koncu dvojno vezan kisik, kar ustvarja šibkejše interakcije med molekulami.

Učinek povečanja tlaka je zvišanje vrelišča. Upoštevajte, da je tlak nad tekočino pritiska navzdol na površini, zaradi česar molekule težko uhajajo v plinsko fazo. Več pritiska, več energije je, zato je pri večjih tlakih vrelišče večje.

Na visoki nadmorski višini je atmosferski tlak nižji. Učinek tega je, da so vrelišča nižja na višjih nadmorskih višinah. Da bi to dokazali, bo voda na morski gladini vrela pri 100 ° C, toda v La Pazu v Boliviji (nadmorska višina 11.942 čevljev) voda vre pri približno 87 ° C. Čas kuhanja kuhane hrane je treba spremeniti, da zagotovite, da je hrana popolnoma kuhana.

Če povzamemo razmerje med vreliščem in tlakom, se opredelitev vrenja nanaša na parni tlak, ki je enak zunanjemu tlaka, zato je smiselno, da bo povečanje zunanjega tlaka zahtevalo povečanje parnega tlaka, kar se doseže s povečanjem kinetičnega energija.