熔点

有机化学中的熔点

化合物的熔点是在 1 个大气压的标准压力下固相转变为液相的温度。化合物的熔点是一种物理性质，如溶解度、密度、颜色和电负性，可用于识别化合物。确定化合物开始熔化的确切温度是一项具有挑战性的任务;因此，化合物的熔点报告为一个范围。熔点范围的下限是观察到第一滴液体的温度。该范围的上限是所有固相转变为液相的温度。文献中存在具有可接受值的参考指南，用于鉴定化合物。

分子间作用力对熔点的影响

影响化合物熔点的一个主要因素是化合物中存在的分子间作用力的类型。分子间力在化合物的分子之间是有吸引力的或排斥的。在固相中，当分子紧密堆积在一起时，化合物的分子将形成有组织的晶格结构。分子间作用力主要有三种类型:

1. 氢键 – 氢键是一种分子间力，是由于负电性氧和氢原子之间的吸引力而发生的。因此，要存在这种类型的分子间作用力，化合物必须包含氧和氢。因此，含有羟基（如醇）的化合物很容易形成氢键。在羟基内，当电负性更大的氧将电子密度拉向它时，会形成偶极子，使氧带部分负电荷。这也使氢带部分正电荷。附近的负电氧被部分正电荷吸引，形成氢键。在三种类型的分子间作用力中，氢键是最强的。
2. 偶极-偶极相互作用 – 偶极-偶极相互作用是分子间作用力的第二强类型，在包含负电原子（如氧、氮）和任何卤化物（如氯和氟）的分子中形成。例如，含有氟的碳氢化合物分子将形成偶极子-偶极子相互作用。如何？电负性氟原子会将电子密度拉向它，使其带部分负电荷。连接原子碳失去了一些电子密度，从而获得了部分负电荷。这会在氟碳键处形成临时偶极子。当相反的电荷吸引时，部分负的氟被另一个相邻分子的部分正碳吸引，形成偶极-偶极相互作用。
3. London 色散力 – 这种类型的交互作用是范德华力的一种形式，存在于所有化合物中。伦敦色散力是最弱的分子间作用力类型。与偶极子-偶极子相互作用一样，分子周围的电子密度会重新分布，从而导致临时电荷的形成。与偶极子-偶极子相互作用不同，在伦敦色散力中形成的偶极子非常弱且最小。例如，甲烷、乙烷、戊烷和辛烷等非极性化合物通过伦敦色散力相互作用。分子的表面积和长度决定了吸引力的强度，因此具有较大表面积的化合物比较小的化合物具有更大的伦敦色散力。因此，辛烷比甲烷具有更强的伦敦色散力。

每种类型的分子间力都有不同的吸引力强度。因此，与仅具有伦敦色散力的非极性化合物相比，含有氢键的化合物需要更多的能量来打破分子之间的吸引力。因此，氢键的存在会增加化合物的熔点。

杂质对熔点的影响

文献报道的熔点值假设您有相关化合物的纯样品。通常在实验室或未知样品中，被测样品不是纯化合物。杂质会导致观察到的混合物熔点低于纯化合物的实际熔点。可观察范围大于纯物质的范围。

在纯化合物中，固体由均匀有序的结构组成，需要一定的温度才能将结构分解，使化合物转变为液相。在含有杂质的混合物中，固相由杂乱无章的结构组成。这需要更少的能量来转变为液相，从而降低熔点。这种现象被称为熔点下降。样品中的杂质越多，熔点范围越宽，熔点温度越低。

物质的熔点是该物质开始从固相变为液相的温度。在此温度下，液相和固相处于平衡状态。通过额外的热量，该物质将完全熔化。但是，什么决定了物质的熔点呢？让我们考虑一下固体和液体。固体的分子在称为晶格的刚性、有序结构中相互保持，而液体的分子具有较弱的相互作用并四处移动。

加热固体会将能量传递给分子。有了足够的能量，分子克服了将它们保持在晶格中的力并开始四处移动。换句话说，如果我们对固体进行足够加热，它就会融化成液体。因此，熔点取决于克服分子之间的力或将它们保持在晶格中的分子间力所需的能量。分子间作用力越强，需要的能量就越多，因此熔点越高。

许多分子间作用力取决于分子中原子吸引电子的强度或它们的电负性。氮、氧、氟和氯具有高度电负性，而碳、氢和硫仅具有中等电负性。具有显着不同电负性的原子之间的键是极性的。例如，典型的碳-氧键是极性的，但典型的碳-氢键不是。

分子的电子在其电负性最强的原子周围停留的时间更多，使其在那一侧带轻微的负电荷，在另一侧带轻微的正电荷。这称为偶极子。如果偶极子没有被同一分子中相等且相反的偶极子抵消，则该分子具有永久偶极子并且是极性的。

现在，让我们讨论三个重要的分子间作用力：氢键、偶极-偶极相互作用和伦敦色散力。氢键发生在具有孤对电子的吸电子原子和与电负性更强的原子结合的氢之间。氢键是最强的分子间作用力之一。

偶极-偶极相互作用发生在极性分子之间。在有吸引力的偶极子-偶极子相互作用中，一个偶极子的负侧与另一个偶极子的正侧对齐。偶极-偶极相互作用通常比氢键弱。

伦敦色散力来自分子电子分布的短暂随机变化，这会导致附近分子发生相应的变化。这些随机变化发生在每个分子中，因此这是非极性分子可用的少数相互作用之一。伦敦色散力是最弱的分子间作用力之一。

早些时候，我们预测了更强的分子间作用力对应于更高的熔点。我们可以在十六烷、2-十六烷酮和十六烷酸中看到这一点。随着每个分子可用的分子间相互作用强度的增加，熔点也会增加。

分子间作用力并不是决定物质熔点的唯一因素。它的纯度显着影响其熔点和凝固点，这种效应称为"冰点降低"。这种效果意味着溶液的凝固点低于纯溶剂。这就是为什么当天气变得非常寒冷时，街道上会撒上盐。如果街上聚集了任何水，盐会迅速溶解，形成冰点比纯水低得多的溶液。

在固体中，杂质被掺入晶格结构中。这些区域的分子间相互作用通常较弱，使结构的某些部分更容易被破坏。因此，与纯固体相比，熔化从较低的温度开始，并在更宽的温度范围内发生。

在本实验中，您将测量两种已知有机化合物的熔点，然后分析混合物以探索杂质如何影响熔点范围。