نقاط الانصهار

نقاط الانصهار في الكيمياء العضوية

نقطة انصهار المركب هي درجة الحرارة التي تنتقل عندها الطور الصلب إلى الطور السائل عند ضغط قياسي قدره 1 غلاف جوي. نقطة انصهار المركب هي خاصية فيزيائية ، مثل الذوبان والكثافة واللون والكهربية التي يمكن استخدامها لتحديد المركب. يعد تحديد درجة الحرارة الدقيقة التي يبدأ عندها المركب في الذوبان مهمة صعبة. لهذا السبب ، يتم الإبلاغ عن نقطة انصهار المركبات كنطاق. الحد الأدنى لنطاق نقطة الانصهار هو درجة الحرارة التي يتم عندها ملاحظة القطرات الأولى من السائل. الحد الأعلى للنطاق هو درجة الحرارة التي تنتقل عندها كل الطور الصلب إلى الطور السائل. توجد أدلة مرجعية ذات قيم مقبولة في الأدبيات ، والتي تستخدم لتحديد المركبات.

تأثير القوى بين الجزيئات على نقاط الانصهار

أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على نقطة انصهار المركب هو نوع القوى بين الجزيئات الموجودة داخل المركب. القوى بين الجزيئات إما جذابة أو مثيرة للاشمئزاز بين جزيئات المركب. في المرحلة الصلبة ، ستشكل جزيئات المركب بنية شبكية منظمة حيث يتم تعبئة الجزيئات بالقرب من بعضها البعض. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من القوى بين الجزيئات:

1. الترابط الهيدروجيني - الترابط الهيدروجيني هو نوع من القوة بين الجزيئات التي تحدث بسبب قوى الجذب بين الأكسجين الكهربي وذرة الهيدروجين. لذلك ، لكي يكون هذا النوع من القوة بين الجزيئات موجودا ، يجب أن يحتوي المركب على الأكسجين والهيدروجين. لذلك ، فإن المركبات التي تحتوي على مجموعات الهيدروكسيل ، مثل الكحول ، تشكل روابط هيدروجينية بسهولة. داخل مجموعة الهيدروكسيل ، يتشكل ثنائي القطب عندما يسحب الأكسجين الكهربي كثافة الإلكترون نحوه ، مما يجعل الأكسجين له شحنة سالبة جزئية. هذا أيضا يترك الهيدروجين بشحنة موجبة جزئية. تنجذب الأكسجين الكهربية القريبة إلى الشحنة الموجبة الجزئية ، وتشكل رابطة هيدروجينية. من بين الأنواع الثلاثة للقوى بين الجزيئات ، فإن الترابط الهيدروجيني هو الأقوى.
2. التفاعلات ثنائية القطب - ثاني أقوى نوع من القوة بين الجزيئات ، تتشكل التفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب في الجزيئات التي تحتوي على ذرات كهربية مثل الأكسجين والنيتروجين وأي من الهاليدات مثل الكلور والفلور. على سبيل المثال ، سيشكل جزيء الهيدروكربون الذي يحتوي على الفلور تفاعلات ثنائية القطب ثنائي القطب. كيف؟ ستسحب ذرة الفلور الكهربية كثافة الإلكترون نحوها ، مما يجعلها ذات شحنة سالبة جزئية. تفقد الذرة المتصلة ، الكربون ، بعضا من كثافة الإلكترون وبالتالي تكتسب شحنة سالبة جزئية. هذا يشكل ثنائي القطب مؤقت عند رابطة الفلور والكربون. عندما تجذب الشحنات المعاكسة ، ينجذب الفلور السالب جزئيا إلى الكربون الموجب جزئيا لجزيء مجاور آخر ، مما يشكل تفاعلا ثنائي القطب ثنائي القطب.
3. قوى تشتت لندن - هذا النوع من التفاعل هو شكل من أشكال قوى فان دير فال وهو موجود في جميع المركبات. قوى تشتت لندن هي أضعف أنواع القوى بين الجزيئات. مثل التفاعلات ثنائية القطب ، هناك إعادة توزيع لكثافة الإلكترون حول الجزيء ، مما يتسبب في تكوين شحنات مؤقتة. على عكس التفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب ، فإن ثنائيات الأقطاب المتكونة في قوى تشتت لندن ضعيفة جدا وضحيلة. على سبيل المثال ، تتفاعل المركبات غير القطبية مثل الميثان والإيثان والبنتان والأوكتان عبر قوى تشتت لندن. تحدد مساحة سطح الجزيء وطوله قوة قوى الجاذبية ، بحيث يكون للمركبات ذات مساحة السطح الأكبر قوى تشتت لندن أكبر من المركبات الأصغر. لذلك ، سيكون للأوكتان قوى تشتت لندن أقوى من الميثان.

كل نوع من أنواع القوة بين الجزيئات له قوة جذب مختلفة. لذلك ، تتطلب المركبات التي تحتوي على روابط هيدروجينية طاقة أكبر لكسر التجاذب بين الجزيئات مقارنة بمركب غير قطبي يحتوي فقط على قوى تشتت لندن. وبالتالي ، فإن وجود الروابط الهيدروجينية يزيد من نقطة انصهار المركب.

تأثير الشوائب على نقاط الانصهار

تفترض قيم الأدبيات المبلغ عنها لنقاط الانصهار أن لديك عينة نقية من المركب المعني. غالبا ما تكون العينات التي يتم اختبارها في المختبر أو في عينات غير معروفة مركبات نقية. تتسبب الشوائب في أن تكون نقطة الانصهار المرصودة للخليط أقل من درجة حرارة الانصهار الفعلية للمركب النقي. النطاق الملحوظ أكبر من نطاق المادة النقية.

في مركب نقي ، تتكون المادة الصلبة من هيكل موحد ومنظم وتتطلب قدرا معينا من درجة الحرارة لتفكيك الهيكل حتى ينتقل المركب إلى الطور السائل. في خليط يحتوي على شوائب ، تتكون المرحلة الصلبة من هيكل غير منظم. يتطلب هذا طاقة أقل بكثير للانتقال إلى الطور السائل ، وبالتالي خفض نقطة الانصهار. تعرف هذه الظاهرة باسم اكتئاب نقطة الانصهار. كلما زادت الشوائب في العينة ، زاد نطاق نقطة الانصهار ، وانخفضت درجة حرارة الانصهار.

نقطة انصهار المادة هي درجة الحرارة التي تبدأ عندها هذه المادة في التغير من الطور الصلب إلى الطور السائل. عند درجة الحرارة هذه ، تكون المرحلتان السائلة والصلبة في حالة توازن. مع الحرارة الإضافية ، سوف تذوب المادة تماما. لكن ما الذي يحدد نقطة انصهار المادة؟ دعونا نفكر في المواد الصلبة والسوائل. تثبت جزيئات المادة الصلبة بعضها البعض في بنية صلبة ومرتبة تسمى الشبكة ، بينما تحتوي جزيئات السائل على تفاعلات أضعف وتتحرك.

تسخين مادة صلبة ينقل الطاقة إلى الجزيئات. مع وجود طاقة كافية ، تتغلب الجزيئات على القوى التي تبقيها في الشبكة وتبدأ في التحرك. بمعنى آخر ، إذا قمنا بتسخين مادة صلبة بدرجة كافية ، فإنها تذوب في سائل. لذلك ، تعتمد نقطة الانصهار على الطاقة اللازمة للتغلب على القوى بين الجزيئات ، أو القوى بين الجزيئات ، التي تحتفظ بها في الشبكة. كلما كانت القوى بين الجزيئات أقوى ، زادت الطاقة المطلوبة ، لذلك زادت نقطة الانصهار.

تعتمد العديد من القوى بين الجزيئات على مدى قوة جذب الذرات في الجزيء للإلكترونات - أو سلبيتها الكهربية. النيتروجين والأكسجين والفلور والكلور كهربية للغاية ، في حين أن الكربون والهيدروجين والكبريت كهربية بشكل معتدل فقط. الروابط بين الذرات ذات السلبيات الكهربائية المختلفة بشكل كبير قطبية. على سبيل المثال ، الرابطة النموذجية بين الكربون والأكسجين قطبية ، لكن الرابطة النموذجية بين الكربون والهيدروجين ليست كذلك.

تقضي إلكترونات الجزيء وقتا أطول حول ذراتها الأكثر كهربية ، مما يمنحها شحنة سالبة طفيفة على هذا الجانب وشحنة موجبة طفيفة على الجانب الآخر. وهذا ما يسمى ثنائي القطب. إذا لم يتم إلغاء ثنائي القطب بواسطة ثنائي القطب متساو ومعاكس في نفس الجزيء، فإن الجزيء له ثنائي القطب دائم ويكون قطبي.

الآن ، دعونا نناقش ثلاث قوى مهمة بين الجزيئات: الرابطة الهيدروجينية ، والتفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب ، وقوى تشتت لندن. تحدث الرابطة الهيدروجينية بين ذرة سحب الإلكترون مع زوج وحيد من الإلكترونات والهيدروجين المرتبط بذرة أكثر كهربية. تعد الروابط الهيدروجينية من أقوى القوى بين الجزيئات.

تحدث التفاعلات ثنائية القطب بين الجزيئات القطبية. في تفاعل ثنائي القطب الجذاب ، يتماشى الجانب السالب لثنائي القطب مع الجانب الموجب لثنائي القطب الآخر. تكون التفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب أضعف بشكل عام من الروابط الهيدروجينية.

تأتي قوى تشتت لندن من تحولات قصيرة وعشوائية في توزيع الإلكترون للجزيء ، مما يتسبب في حدوث تحولات مقابلة في الجزيئات القريبة. تحدث هذه التحولات العشوائية في كل جزيء ، لذا فهذه واحدة من التفاعلات القليلة المتاحة للجزيئات غير القطبية. تعد قوى تشتت لندن من بين أضعف القوى بين الجزيئات.

في وقت سابق ، توقعنا أن القوى الأقوى بين الجزيئات تتوافق مع نقاط انصهار أعلى. يمكننا أن نرى هذا في العمل مع سداسي ديكان ، 2-هيكساديكانون ، وحمض الهيكساديكانويك. مع زيادة قوة التفاعلات بين الجزيئات المتاحة لكل جزيء ، تزداد درجة الانصهار.

القوى بين الجزيئات ليست العامل الوحيد الذي يحدد درجة انصهار المادة. يؤثر نقاوته بشكل كبير على نقاط الانصهار والتجمد في تأثير يسمى "اكتئاب نقطة التجمد". يعني هذا التأثير أن المحلول يحتوي على نقطة تجمد أقل من المذيب النقي. لهذا السبب يتم رش الشوارع بالملح عندما يصبح الجو باردا جدا. إذا تجمع أي ماء في الشارع ، يذوب الملح بسرعة لعمل محلول بنقطة تجمد أقل بكثير من الماء النقي.

في المواد الصلبة ، يتم دمج الشوائب في الهيكل الشبكي. غالبا ما تحتوي هذه المناطق على تفاعلات بين الجزيئات أضعف ، مما يجعل أجزاء من الهيكل أسهل في التعطل. لذلك ، بالمقارنة مع المواد الصلبة النقية ، يبدأ الذوبان عند درجة حرارة منخفضة ويحدث على نطاق درجة حرارة أوسع.

في هذا المختبر ، ستقيس نقاط انصهار مركبين عضويين معروفين ثم تحلل خليطا لاستكشاف كيفية تأثير الشوائب على نطاق نقطة الانصهار.