Schmelzpunkte

Der Schmelzpunkt eines Stoffes ist die Temperatur, bei der dieser Stoff beginnt, von der festen Phase in die flüssige Phase zu wechseln. Bei dieser Temperatur befinden sich die flüssige und die feste Phase im Gleichgewicht. Mit zusätzlicher Hitze schmilzt die Substanz vollständig. Doch was bestimmt den Schmelzpunkt einer Substanz? Denken wir an Feststoffe und Flüssigkeiten. Die Moleküle eines Festkörpers halten sich gegenseitig in einer starren, geordneten Struktur, die als Gitter bezeichnet wird, während die Moleküle einer Flüssigkeit schwächere Wechselwirkungen aufweisen und sich bewegen.

Durch das Erhitzen eines Feststoffs wird Energie auf die Moleküle übertragen. Mit genügend Energie überwinden die Moleküle die Kräfte, die sie im Gitter halten, und beginnen sich zu bewegen. Mit anderen Worten, wenn wir einen Feststoff genug erhitzen, schmilzt er zu einer Flüssigkeit. Der Schmelzpunkt hängt also von der Energie ab, die benötigt wird, um die Kräfte zwischen den Molekülen oder die intermolekularen Kräfte zu überwinden, die sie im Gitter halten. Je stärker die intermolekularen Kräfte sind, desto mehr Energie wird benötigt, also desto höher ist der Schmelzpunkt.

Viele intermolekulare Kräfte hängen davon ab, wie stark die Atome im Molekül Elektronen anziehen – oder von ihrer Elektronegativität. Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Chlor sind stark elektronegativ, während Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel nur mäßig elektronegativ sind. Bindungen zwischen Atomen mit deutlich unterschiedlichen Elektronegativitäten sind polar. Zum Beispiel ist eine typische Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung polar, eine typische Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung jedoch nicht.

Die Elektronen eines Moleküls verbringen mehr Zeit um seine elektronegativsten Atome, wodurch es auf dieser Seite eine leichte negative Ladung und auf der anderen Seite eine leichte positive Ladung erhält. Dies wird als Dipol bezeichnet. Wenn der Dipol nicht durch einen gleichen und entgegengesetzten Dipol im selben Molekül aufgehoben wird, hat das Molekül einen permanenten Dipol und ist polar.

Lassen Sie uns nun drei wichtige intermolekulare Kräfte diskutieren: Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Londoner Dispersionskräfte. Wasserstoffbrückenbindungen treten zwischen einem elektronenziehenden Atom mit einem einsamen Elektronenpaar und einem Wasserstoff auf, der an ein elektronegatives Atom gebunden ist. Wasserstoffbrückenbindungen gehören zu den stärksten intermolekularen Kräften.

Dipol-Dipol-Wechselwirkungen treten zwischen polaren Molekülen auf. Bei einer attraktiven Dipol-Dipol-Wechselwirkung richtet sich die negative Seite eines Dipols mit der positiven Seite eines anderen Dipols aus. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind im Allgemeinen schwächer als Wasserstoffbrückenbindungen.

Londoner Dispersionskräfte entstehen durch kurze, zufällige Verschiebungen in der Elektronenverteilung eines Moleküls, die entsprechende Verschiebungen in benachbarten Molekülen verursachen. Diese zufälligen Verschiebungen finden in jedem Molekül statt, so dass dies eine der wenigen Wechselwirkungen ist, die für unpolare Moleküle verfügbar sind. Die Londoner Dispersionskräfte gehören zu den schwächsten intermolekularen Kräften.

Früher haben wir vorhergesagt, dass stärkere intermolekulare Kräfte mit höheren Schmelzpunkten einhergehen. Wir können dies in Aktion mit Hexadecan, 2-Hexadecanon und Hexadecansäure sehen. Mit zunehmender Stärke der intermolekularen Wechselwirkungen, die jedem Molekül zur Verfügung stehen, steigt auch der Schmelzpunkt.

Intermolekulare Kräfte sind nicht der einzige Faktor, der den Schmelzpunkt einer Substanz bestimmt. Seine Reinheit beeinflusst seine Schmelz- und Gefrierpunkte erheblich, was als "Gefrierpunkt-Depression" bezeichnet wird. Dieser Effekt bedeutet, dass eine Lösung einen niedrigeren Gefrierpunkt hat als das reine Lösungsmittel. Deshalb werden die Straßen mit Salz bestreut, wenn es sehr kalt wird. Wenn sich Wasser auf der Straße ansammelt, löst sich das Salz schnell auf und bildet eine Lösung mit einem viel niedrigeren Gefrierpunkt als reines Wasser.

Bei einem Festkörper werden Verunreinigungen in die Gitterstruktur eingearbeitet. Diese Bereiche weisen oft schwächere intermolekulare Wechselwirkungen auf, wodurch Teile der Struktur leichter zu stören sind. Im Vergleich zu einem reinen Feststoff beginnt das Schmelzen also bei einer niedrigeren Temperatur und erfolgt über einen breiteren Temperaturbereich.

In diesem Labor messen Sie die Schmelzpunkte von zwei bekannten organischen Verbindungen und analysieren dann ein Gemisch, um zu untersuchen, wie sich Verunreinigungen auf den Schmelzpunktbereich auswirken.