نقاط الغليان
تحديد نقطة الغليان
على غرار نقطة الانصهار ، فإن نقطة الغليان هي خاصية فيزيائية. إذا كانت العينة مركبا نقيا ، فيمكن استخدام نقطة الغليان لتحديد هوية ال…
يتم تثبيت السوائل معا عن طريق التفاعلات الضعيفة بين جزيئاتها. للانتقال إلى الطور الغازي ، يجب أن يكتسب الجزيء طاقة كافية من الحرارة أو مصادر أخرى للتغلب على هذه التفاعلات.
دعونا نفكر في حاوية مغلقة من سائل نقي في درجة حرارة الغرفة. تكتسب بعض جزيئات الطور السائل على السطح طاقة كافية للتبخر ، وبعض هذا البخار يفقد الطاقة ويتكثف مرة أخرى إلى سائل. عندما تكون معدلات التبخر والتكثيف متماثلة ، يصل السائل والبخار إلى التوازن. في هذه المرحلة ، تكون المساحة الموجودة فوق السائل مشبعة بالبخار ، ولا يوجد تغيير صاف في كمية السائل والبخار في الحاوية. يسمى الضغط الذي يمارسه البخار بضغط البخار.
الآن ، ضع في اعتبارك حاوية مفتوحة من السائل. هنا يمكن للبخار الهروب ، مما يحافظ على المنطقة الموجودة فوق السائل من التشبع. وبالتالي ، يمكن أن يستمر التبخر حتى لا يتبقى سائل. مع زيادة درجة حرارة السائل ، يزداد معدل التبخر ، وبالتالي يزداد ضغط البخار. إذا تمت إضافة حرارة كافية ، تبدأ الجزيئات العميقة في السائل في التبخر ، والتي نراها على شكل فقاعات بخار تتشكل.
وهذا ما يسمى الغليان ، ويبدأ عندما يكون ضغط بخار المركب مساويا للضغط الجوي. درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا هي نقطة الغليان. نظرا لأن كل مادة نقية لها أنواع وقوة مختلفة من التفاعلات بين الجزيئات ، فإن المواد المختلفة لها نقاط غليان مختلفة.
الآن ، دعونا نلقي نظرة على كيفية تأثير التفاعلات بين الجزيئات على درجة الغليان. تتضمن العديد من التفاعلات بين الجزيئات مناطق ذات كثافة إلكترون غير متساوية تسمى ثنائيات الأقطاب. جميع الجزيئات لها تقلبات قصيرة في توزيع الإلكترون ، لذلك حتى الجزيئات غير القطبية يمكن أن تحتوي مؤقتا على ثنائيات الأقطاب. ردا على ذلك ، تتشكل ثنائيات الأقطاب المتعارضة في الجزيئات القريبة.
تسمى قوى الجذب بين ثنائيات الأقطاب المؤقتة والمستحثة قوى تشتت لندن ، وهي التفاعلات السائدة بين الجزيئات غير القطبية مثل الهيدروكربونات. تكون قوى تشتت لندن أقوى بين الجزيئات الكبيرة التي تحتوي على العديد من الإلكترونات لأن هذه الجزيئات تحتفظ بإلكتروناتها بشكل ضعيف ، مما يسهل على الجزيئات المجاورة التأثير على توزيع الإلكترونات.
على سبيل المثال ، يحتوي الألكان غير المتفرع ذو الوزن الجزيئي العالي على نقطة غليان أعلى من الألكان غير المتفرع ذو الوزن الجزيئي المنخفض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الألكان غير المتفرع له نقطة غليان أعلى من الألكان المتفرع بوزن جزيئي مماثل بسبب مساحة سطحه الأعلى.
تحتوي الجزيئات ذات الروابط القطبية على ثنائيات أقطاب دائمة ، مما يتيح تفاعلات ثنائية القطب وثنائية القطب بينها. التفاعلات ثنائية القطب وثنائية القطب أقوى من قوى تشتت لندن ، لذلك عادة ما يتطلب الأمر طاقة حرارية أكثر لغلي السوائل القطبية أكثر من السوائل غير القطبية. على سبيل المثال ، درجة غليان الكلوروبنتان ، وهو جزيء قطبي ، هي 108 درجة مئوية.
الجزيئات التي تحتوي على كل من الهيدروجين المرتبط تساهميا بذرة أكثر كهرسلبية وذرة سحب الإلكترون مع زوج وحيد من الإلكترونات قادرة على الترابط الهيدروجيني. الروابط الهيدروجينية أقوى من التفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب وقوى تشتت لندن ، لذلك يتطلب الأمر المزيد من الطاقة الحرارية للتغلب عليها. على سبيل المثال ، البروبان والإيثانول لهما أوزان جزيئية ومساحات سطحية متشابهة. لكن درجة غليان البروبان أقل بكثير من الإيثانول لأن جزيئات الإيثانول يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية مع بعضها البعض ، بينما لا يستطيع البروبان ذلك.
في هذا المختبر ، ستستخدم الطريقة الشعرية لتحديد درجة غليان مذيبين عضويين.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يتم تثبيت السوائل معا عن طريق التفاعلات الضعيفة بين جزيئاتها. للانتقال إلى الطور الغازي ، يجب أن يكتسب الجزيء طاقة كافية من الحرارة أو مصادر أخرى للتغلب على هذه التفاعلات.
دعونا نفكر في حاوية مغلقة من سائل نقي في درجة حرارة الغرفة. تكتسب بعض جزيئات الطور السائل على السطح طاقة كافية للتبخر ، وبعض هذا البخار يفقد الطاقة ويتكثف مرة أخرى إلى سائل. عندما تكون معدلات التبخر والتكثيف متماثلة ، يصل السائل والبخار إلى التوازن. في هذه المرحلة ، تكون المساحة الموجودة فوق السائل مشبعة بالبخار ، ولا يوجد تغيير صاف في كمية السائل والبخار في الحاوية. يسمى الضغط الذي يمارسه البخار بضغط البخار.
الآن ، ضع في اعتبارك حاوية مفتوحة من السائل. هنا يمكن للبخار الهروب ، مما يحافظ على المنطقة الموجودة فوق السائل من التشبع. وبالتالي ، يمكن أن يستمر التبخر حتى لا يتبقى سائل. مع زيادة درجة حرارة السائل ، يزداد معدل التبخر ، وبالتالي يزداد ضغط البخار. إذا تمت إضافة حرارة كافية ، تبدأ الجزيئات العميقة في السائل في التبخر ، والتي نراها على شكل فقاعات بخار تتشكل.
وهذا ما يسمى الغليان ، ويبدأ عندما يكون ضغط بخار المركب مساويا للضغط الجوي. درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا هي نقطة الغليان. نظرا لأن كل مادة نقية لها أنواع وقوة مختلفة من التفاعلات بين الجزيئات ، فإن المواد المختلفة لها نقاط غليان مختلفة.
الآن ، دعونا نلقي نظرة على كيفية تأثير التفاعلات بين الجزيئات على درجة الغليان. تتضمن العديد من التفاعلات بين الجزيئات مناطق ذات كثافة إلكترون غير متساوية تسمى ثنائيات الأقطاب. جميع الجزيئات لها تقلبات قصيرة في توزيع الإلكترون ، لذلك حتى الجزيئات غير القطبية يمكن أن تحتوي مؤقتا على ثنائيات الأقطاب. ردا على ذلك ، تتشكل ثنائيات الأقطاب المتعارضة في الجزيئات القريبة.
تسمى قوى الجذب بين ثنائيات الأقطاب المؤقتة والمستحثة قوى تشتت لندن ، وهي التفاعلات السائدة بين الجزيئات غير القطبية مثل الهيدروكربونات. تكون قوى تشتت لندن أقوى بين الجزيئات الكبيرة التي تحتوي على العديد من الإلكترونات لأن هذه الجزيئات تحتفظ بإلكتروناتها بشكل ضعيف ، مما يسهل على الجزيئات المجاورة التأثير على توزيع الإلكترونات.
على سبيل المثال ، يحتوي الألكان غير المتفرع ذو الوزن الجزيئي العالي على نقطة غليان أعلى من الألكان غير المتفرع ذو الوزن الجزيئي المنخفض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الألكان غير المتفرع له نقطة غليان أعلى من الألكان المتفرع بوزن جزيئي مماثل بسبب مساحة سطحه الأعلى.
تحتوي الجزيئات ذات الروابط القطبية على ثنائيات أقطاب دائمة ، مما يتيح تفاعلات ثنائية القطب وثنائية القطب بينها. التفاعلات ثنائية القطب وثنائية القطب أقوى من قوى تشتت لندن ، لذلك عادة ما يتطلب الأمر طاقة حرارية أكثر لغلي السوائل القطبية أكثر من السوائل غير القطبية. على سبيل المثال ، درجة غليان الكلوروبنتان ، وهو جزيء قطبي ، هي 108 درجة مئوية.
الجزيئات التي تحتوي على كل من الهيدروجين المرتبط تساهميا بذرة أكثر كهرسلبية وذرة سحب الإلكترون مع زوج وحيد من الإلكترونات قادرة على الترابط الهيدروجيني. الروابط الهيدروجينية أقوى من التفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب وقوى تشتت لندن ، لذلك يتطلب الأمر المزيد من الطاقة الحرارية للتغلب عليها. على سبيل المثال ، البروبان والإيثانول لهما أوزان جزيئية ومساحات سطحية متشابهة. لكن درجة غليان البروبان أقل بكثير من الإيثانول لأن جزيئات الإيثانول يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية مع بعضها البعض ، بينما لا يستطيع البروبان ذلك.
في هذا المختبر ، ستستخدم الطريقة الشعرية لتحديد درجة غليان مذيبين عضويين.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the relationship between vapor pressure and boiling point?
Boiling occurs when the vapor pressure of a liquid equals atmospheric pressure. As temperature increases, more molecules gain energy to escape the liquid phase, raising vapor pressure. When vapor pressure matches the surrounding atmospheric pressure, bubbles form throughout the liquid, marking the boiling point. This temperature varies by compound and atmospheric conditions.
Q2: How do intermolecular forces affect a compound's boiling point?
Stronger intermolecular forces require more thermal energy to overcome, resulting in higher boiling points. Hydrogen bonding is the strongest, followed by dipole-dipole interactions, then London dispersion forces. For example, ethanol boils at 78°C due to hydrogen bonding, while propane boils at -42°C because it lacks this interaction despite similar molecular weight.
Q3: Why do larger nonpolar molecules have higher boiling points than smaller ones?
Larger molecules with more electrons experience stronger London dispersion forces because their electrons are held more loosely, making them easier for neighboring molecules to polarize. High molecular weight unbranched alkanes have higher boiling points than lower molecular weight alkanes. Additionally, unbranched structures have greater surface area, enabling stronger intermolecular attractions.
Q4: What happens during evaporation and condensation in a closed container?
In a sealed container, liquid molecules at the surface gain energy and evaporate into the gas phase, while vapor molecules lose energy and condense back to liquid. When these rates become equal, the system reaches equilibrium, and the space above the liquid becomes saturated with vapor. The pressure exerted by this vapor is called vapor pressure, and no net change in liquid or gas amount occurs.
Q5: How does atmospheric pressure influence the boiling point of a liquid?
Boiling occurs when vapor pressure equals atmospheric pressure. At higher elevations where atmospheric pressure is lower, liquids boil at lower temperatures because less heat is needed to raise vapor pressure to match the reduced atmospheric pressure. Conversely, at sea level with higher atmospheric pressure, more heat is required to reach the boiling point.
Q6: What is the capillary method and how does it determine boiling point?
The capillary method uses an inverted empty glass capillary tube inserted into a pure liquid. As the liquid heats, vapor pressure increases, forcing air out and creating bubbles. When cooled, liquid enters the tube once vapor pressure equals atmospheric pressure inside it. The temperature at which liquid enters the capillary marks the boiling point of the compound.
Q7: Why does a polar molecule like chloropentane have a higher boiling point than nonpolar hexane?
Chloropentane has permanent dipoles enabling dipole-dipole interactions, which are stronger than the London dispersion forces in nonpolar hexane. Although both molecules have similar surface area, the stronger intermolecular forces in chloropentane require more thermal energy to overcome, resulting in a boiling point of 108°C compared to hexane's lower boiling point.