液体通过其分子间的弱相互作用力聚集在一起。要转变为气相,分子必须从热或其他来源获得足够的能量,以克服这些相互作用力。
考虑一个在室温下装有纯液体的密闭容器。液体表面的一些分子获得足够的能量而蒸发,同时部分蒸气分子失去能量并重新凝结为液体。当蒸发速率与凝结速率相等时,液体与蒸气达到平衡状态。此时,液体上方的空间被蒸气饱和,容器中液体和蒸气的量均不再发生净变化。蒸气所产生的压力称为蒸气压。
现在考虑一个敞口的液体容器。在此情况下,蒸气可以逸出,使得液体上方区域无法达到饱和状态。因此,蒸发过程将持续进行,直至液体完全消失。随着液体温度的升高,蒸发速率也随之增加,蒸气压同样随之升高。当加入足够的热量时,液体内部较深处的分子也开始汽化,表现为有蒸气气泡形成。
这一过程称为沸腾,当化合物的蒸气压等于大气压时,沸腾开始。发生这一现象时的温度即为沸点。由于每种纯物质具有不同类型和强度的分子间相互作用,因此不同物质具有不同的沸点。
现在,让我们来看看分子间相互作用如何影响沸点。许多分子间相互作用涉及电子密度分布不均的区域,称为偶极。所有分子的电子分布都会出现短暂的波动,因此即使是非极性分子也能暂时形成偶极。作为响应,邻近分子中会形成相反的偶极。
瞬时偶极与诱导偶极之间的吸引力称为伦敦色散力,这是非极性分子(如烃类)之间主要的相互作用形式。伦敦色散力在电子数较多的大分子之间更强,因为这些分子对电子的束缚较弱,邻近分子更容易影响其电子分布。
例如,高分子量的直链烷烃比低分子量的直链烷烃具有更高的沸点。此外,由于直链烷烃具有更大的表面积,其沸点也高于分子量相近的支链烷烃。
含有极性键的分子具有永久偶极,能够在其间产生规则的偶极-偶极相互作用。偶极-偶极相互作用强于伦敦色散力,因此通常需要更多的热能才能使极性液体沸腾,而非极性液体则所需热能较少。例如,一种极性分子氯戊烷的沸点为 108 °C;而己烷虽具有相似的表面积但无偶极,其沸点较低。
同时具有与电负性较强的原子共价结合的氢原子,以及带有孤对电子的吸电子原子的分子,能够形成氢键。氢键比偶极-偶极相互作用和伦敦色散力更强,因此需要更多的热能才能克服。例如,丙烷和乙醇的分子量和表面积相似,但丙烷的沸点远低于乙醇,因为乙醇分子之间可以形成氢键,而丙烷则不能。
在本实验中,您将使用毛细管法测定两种有机溶剂的沸点。
沸点测定
与熔点类似,沸点也是一种物理性质。如果样品是纯化合物,则可以通过沸点来确定该化合物的身份。然而,精确测定沸点在实验上具有挑战性。与熔点一样,实验测得的沸点通常以一个温度范围表示,且与文献中的标准值相比会有几度的偏差。
蒸气压
要理解溶剂沸腾的原因(表现为溶液中常见的气泡现象),需要了解液相…