Hur kan du bestämma om en molekyl har en högre kokpunkt?

Allt du behöver veta om hur man rangordnar molekyler enligt vilka man har den högre kokpunkten (utan att leta upp det) finns i den här artikeln. Låt oss börja med några grunder.

När du observerar en kruka med vatten på spisen vet du att vattnet kokar när du ser bubblor som stiger upp till ytan och dyker upp.

Skillnaden mellan avdunstning och kokning är att i förångningsprocessen är det bara ytmolekylerna som har tillräckligt med energi för att fly från vätskefasen och bli en gas. När en vätska kokar, å andra sidan, har molekylerna under ytan tillräckligt med energi för att fly från vätskefasen och bli en gas.

Kokpunkten uppträder vid en mycket specifik temperatur för varje molekyl. Det är därför det ofta används för att identifiera ett okänt ämne i kvalitativ kemi. Anledningen till att kokpunkten är förutsägbar är att den styrs av obligationernas styrka Att hålla atomerna i molekylen tillsammans och mängden kinetisk energi för att bryta dessa bindningar är mätbar och relativt tillförlitlig.

Alla molekyler har kinetisk energi; de vibrerar. När värmeenergi appliceras på en vätska har molekylerna ökad kinetisk energi och de vibrerar mer. Om de vibrerar tillräckligt stöter de på varandra. Den störande kraften hos molekyler som stöter på varandra gör att de kan övervinna den attraktion som de har för molekylerna bredvid dem.

Vilket tillstånd måste finnas för att en vätska ska koka? Vätska kokar när ångtrycket över det är lika med atmosfärstrycket.

• Nyckeln är att veta vilka bindningar som kräver mer energi för att koka uppstår.
  Bindningsstyrka rankad starkast till svagast:
  Joniskt> H-bond> Dipole> van der Waals
  Färre funktionella grupper> Fler funktionella grupper (Amid> Syra> Alkohol> Keton eller aldehyd> Amin> Ester> Alkan)

Om du jämför molekyler för att avgöra vilka som har den högre kokpunkten, överväga de krafter som fungerar i molekylen. Dessa kan grupperas i följande tre faktorer.

Molekylerna i vätskan lockas till varandra. Det finns fyra typer av intermolekylära krafter, och de listas nedan i ordning efter starkaste till svagaste.

1. Joniskt band Jonisk bindning innebär att en elektron doneras från en atom till en annan (t.ex. NaCl, bordssalt). I exemplet med NaCl hålls den positivt laddade natriumjonen i närheten av den negativt laddade kloridjonen och nettoeffekten är en molekyl som är elektriskt neutral. Det är denna neutralitet som gör jonbindningen så stark och varför det tar mer energi att bryta bindningen än en annan typ av bindning.
   
2. Vätebindning En väteatom som är bunden till en annan atom genom att dela sin valenta elektron har låg elektronegativitet (t.ex. HF, vätefluorid). Elektronmolnet runt fluoratomen är stort och har hög elektronegativitet medan elektronmolnet runt väteatomen är litet och har mycket mindre elektronegativitet. Detta representerar en polär kovalent bindning i vilken elektronerna delas ojämnt.
   Inte alla vätebindningar har samma styrka, det beror på elektronegativiteten hos den atom den är bunden till. När väte är bunden till fluor är bindningen mycket stark, när den är bunden med klor har den måttlig styrka och när den är bunden till ett annat väte är molekylen opolär och mycket svag.
   
3. Dipole-Dipole En dipolkraft uppstår när den positiva änden av en polär molekyl lockas till den negativa änden av en annan polär molekyl (CH₃COCH₃, propanon).
   
4. Van der Waals styrkor Van der Waals krafter redogör för attraktionen hos den skiftande elektronrika delen av en molekyl till den skiftande elektronfattiga delen av en annan molekyl (tillfälliga tillstånd av elektronegativitet, t.ex. han₂).

En större molekyl är mer polariserbar, vilket är en attraktion som håller molekylerna ihop. De behöver mer energi för att fly till gasfasen, så den större molekylen har högre kokpunkt. Jämför natriumnitrat och rubidiumnitrat i termer av molekylvikt och kokpunkt:

10852 Rubidiumnitrat: https://www.alfa.com/en/catalog/010852/

Molekyler som bildar långa, raka kedjor har starkare attraktioner mot molekylerna runt dem eftersom de kan komma närmare. En rakkedjig molekyl som butan (C₄H₁₀) har en liten elektronegativitetsskillnad mellan kol och väte.

En molekyl med ett dubbelbundet syre, som butanon (C₄H₈O) toppas i mitten där syret är bundet till kolkedjan. Kokpunkten för butan är nära 0 grader Celsius, medan den högre kokpunkten för butanon (79,6 grader Celsius) kan vara förklaras av molekylens form, vilket skapar en attraktiv kraft mellan syret på en molekyl och vätet på en angränsande molekyl.

Följande funktioner kommer att skapa en högre kokpunkt:

• närvaron av en längre kedja av atomer i molekylen (mer polariserbar)
• funktionella grupper som är mer exponerade (det vill säga i slutet av en kedja snarare än i mitten)
• polaritetsrangeringen av funktionella grupper: Amid> Syra> Alkohol> Keton eller aldehyd> Amin> Ester> Alkan

1. Jämför dessa tre föreningar:
   a) Ammoniak (NH₃), b) väteperoxid (H₂O₂) och c) vatten (H₂O)
   NH₃ är opolär (svag)
   H₂O₂ är starkt polariserad av vätebindningar (mycket stark)
   H₂O är polariserad av vätebindningar (stark)
   Du skulle rangordna dessa i ordning (starkast till svagast): H₂O₂> H₂O> NH₃
   
2. Jämför dessa tre föreningar:
   a) Litiumhydroxid (LiOH), b) hexan (C₆H₁₄) och c) isobutan (C₄H₁₀)
   LiOH är joniskt (mycket starkt)
   C₆H₁₄ är en rak kedja (stark)
   C₄H₁₀ är grenad (svag)
   Du skulle rangordna dessa i ordning (starkast till svagast): LiOH> C₆H₁₄> C₄H₁₀
   

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

Notera de två sista punkterna i tabellen ovan. Ättiksyra och aceton är molekyler baserade på två kol. Den dubbelbundna syre- och hydroxylgruppen (OH) i ättiksyra gör denna molekyl mycket polariserad och orsakar starkare intermolekylär attraktion. Acetonen har ett dubbelbundet syre i mitten snarare än i slutet, vilket skapar svagare interaktioner mellan molekyler.

Effekten av att öka trycket är att höja kokpunkten. Tänk på att trycket över vätskan är trycka ner på ytan, vilket gör det svårt för molekylerna att fly in i gasfasen. Ju mer tryck desto mer energi krävs så kokpunkten är högre vid högre tryck.

Vid höga höjder är atmosfärstrycket lägre. Effekten av detta är att kokpunkterna är lägre vid högre höjder. För att visa detta, vid havsnivå, kokar vatten vid 100 ° C, men i La Paz, Bolivia (höjd 11.942 fot) kokar vatten vid cirka 87 ° C. Tillagningstiderna för kokt mat måste ändras för att säkerställa att maten är helt kokt.

För att sammanfatta förhållandet mellan kokpunkt och tryck avser definitionen av kokning att ångtrycket är lika med det yttre tryck, så det är vettigt att en ökning av det yttre trycket kräver en ökning av ångtrycket, vilket uppnås genom en ökning av det kinetiska energi.