5. Właściwości fizyczne wynikające z budowy cząsteczki
5.1. Temperatura wrzenia
|
Zastanówmy się nad budową wewnętrzną cieczy i gazu przeprowadzając proste doświadczenie. W strzykawkę nabierzmy wody i powietrza, a następnie po zatkaniu dolnego otworu naciśnijmy na tlok.
|
|
|
Okazuje się, że nie jest możliwe przesunięcie tłoka gdy w strzykawce znajduje się woda, natomiast gdy w strzykawce znajduje się powietrze bez problemu możemy tłok przesunąć zmniejszając objętość powietrza do połowy lub więcej. To zachowanie się cieczy lub gazu możemy łatwo wytłumaczyć ich wewnętrzną budową.
|
|
|
Cząsteczki cieczy nie mogą się już do siebie zbliżyć, dlatego ciecz nie jest ściśliwa. Natomiast cząsteczki gazu mogą się do siebie zbliżyć, dlatego gaz jest ściśliwy. Oczywiście w odpowiednich warunkach cząsteczki gazu bardzo zbliżą się do siebie (odpowiednio wysokie ciśnienie i obniżona temperatura) i gaz ulega skropleniu
|
|
Przeprowadzenie cieczy w gaz to nic innego jak zwiększenie odległości między cząsteczkami. Im silniej cząsteczki „trzymają” się, tym musimy dostarczyć więcej energii na sposób ciepła (silniej ogrzać), czyli taka ciecz będzie miała wysoką temperaturę wrzenia.
Wystarczy więc określić jakie właściwości cząsteczek powodują ich przyciąganie się by móc oszacować temperaturę wrzenia substancji.
Ø Wiązanie wodorowe. Już sama nazwa wskazuje, że cząsteczki pomiędzy którymi istnieje wiązanie wodorowe trudno od siebie oddzielić. Zawsze, gdy cząsteczki związku tworzą wiązanie wodorowe temperatura wrzenia związku będzie wyysoka. Klasycznym przykładem jest woda i siarkowodór. W wodzie istnieją wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami i jest ona cieczą o t.w=100oC, natomiast cząsteczki siarkowodoru nie mogą tworzyć wiązań wodorowych i dlatego jest on gazem.
Wiązanie wodorowe występuje pomiędzy atomem wodoru związanym z silnie elektroujemnym pierwiastkiem (F, O, ewentualnie N) a silnie elektroujemnym pierwiastkiem (F, O, N). Substancje, których cząsteczki mogą ze sobą tworzyć wiązanie wodorowe mają wysokie temperatury wrzenia
Ø Moment dipolowy - cząsteczki obdarzone momentem dipolowym przyciągają się (oddziaływanie elektrostatyczne):  . Oczywiście cząsteczki obdarzone momentem dipolowym trudniej oddalić od siebie niż cząsteczki nie obdarzona momentem dipolowym.
Jeżeli cząsteczki związku posiadają moment dipolowy spodziewamy się wysokiej temperatury wrzenia.
Ø Obecność ciężkiego atomu. Ciężki atom oznacza również, że ma duży promień atomowy, czyli elektrony walencyjne są oddalone od jądra. Taki atom w pobliżu innego atomu ulega łatwo polaryzacji, czyli powstaje indukowany moment dipolowy.
Obecność ciężkiego atomu powoduje podwyższenie temperatury wrzenia.
Ø Kształt cząsteczki. Aby zrozumieć jak kształt cząsteczki wpływa na temperaturę wrzenia przeprowadźmy proste doświadczenie.
o Weźmy monetę 5 gr, zwilżmy ją lekko wodą i przyłóżmy do szby.
o Tę samą monetę przyłóżmy do szyby, ale tym razem krawędzią
Z tego doświadczenia widzimy, że cząsteczki o dużej powierzchni „kleją” się do siebie i będą miały wyższą temperaturę wrzenia od cząsteczek o kształcie kulistym (mała powierzchnia styku). Przykładem jest pentan i neopentan:
Istnieje prosta reguła, że podstawnik przy węglu 2- lub 3-rzędowym obniża temperaturę wrzenia w stosunku do izomerycznego związku, w którym podstawnik znajduje się przy węglu 1-rzędowym. Obniżenie temperatury wrzenia spowodowane jest właśnie zmianą kształtu cząsteczki, z linowego na bardziej kulisty.
Zadanie
Wskaż w podanych parach substancję o wyższej temperaturze wrzenia. Swoją decyzję krótko uzasadnij:
- Butan-1-ol i eter dietylowy.
- Butan-2-ol i butan-1-ol
- Chlorometan i jodometan
Odpowiedź
Na pytanie trudno odpowiedzieć bez narysowania wzorów tych związków
- Ze wzorów wynika, że pentan-1-ol może tworzyć wiązania wodorowe, a eter dietylowy nie może ich tworzyć, zatem pentan-1-ol ma wyższą t.w. od eteru dietylowego.
- Pentan-1-ol jest alkoholem 1-rzędowym , a pentan-2-ol 2-rzędowym, zatem pentan-1-ol ma wyższą t.w. od pentan-2-olu.
- W jodometanie znajduje się ciężki i duży atom (jod), który łatwo ulega polaryzacji. Zatem jodometan ma wyższą t.w. od chlorometanu.
Więcej
|
