Schmelzpunkte

Schmelzpunkte in der organischen Chemie

Der Schmelzpunkt einer Verbindung ist die Temperatur, bei der die feste Phase bei einem Standarddruck von 1 Atmosphäre in die flüssige Phase übergeht. Der Schmelzpunkt einer Verbindung ist eine physikalische Eigenschaft wie Löslichkeit, Dichte, Farbe und Elektronegativität, die zur Identifizierung einer Verbindung verwendet werden kann. Die genaue Temperatur zu bestimmen, bei der eine Verbindung zu schmelzen beginnt, ist eine schwierige Aufgabe. Aus diesem Grund wird der Schmelzpunkt von Verbindungen als Bereich angegeben. Die untere Grenze des Schmelzpunktbereichs ist die Temperatur, bei der die ersten Tropfen Flüssigkeit beobachtet werden. Die Obergrenze des Bereichs ist die Temperatur, bei der die gesamte feste Phase in die flüssige Phase übergegangen ist. In der Literatur gibt es Referenzleitfäden mit akzeptierten Werten, die zur Identifizierung von Verbindungen verwendet werden.

Die Wirkung intermolekularer Kräfte auf die Schmelzpunkte

Ein wichtiger Faktor, der den Schmelzpunkt der Verbindung beeinflusst, ist die Art der intermolekularen Kräfte, die in der Verbindung vorhanden sind. Intermolekulare Kräfte sind zwischen den Molekülen einer Verbindung entweder anziehend oder abstoßend. In der festen Phase bilden die Moleküle einer Verbindung eine organisierte Gitterstruktur, da die Moleküle dicht beieinander liegen. Es gibt drei Haupttypen von intermolekularen Kräften:

1. Wasserstoffbrückenbindung – Wasserstoffbrückenbindung ist eine Art intermolekularer Kraft, die aufgrund der Anziehungskräfte zwischen einem elektronegativen Sauerstoff und einem Wasserstoffatom auftritt. Damit diese Art von intermolekularer Kraft vorhanden ist, muss die Verbindung daher Sauerstoff und Wasserstoff enthalten. Daher bilden Verbindungen, die Hydroxylgruppen enthalten, wie z. B. Alkohole, leicht Wasserstoffbrückenbindungen. Innerhalb der Hydroxylgruppe bildet sich ein Dipol, wenn der elektronegative Sauerstoff die Elektronendichte zu sich zieht, wodurch der Sauerstoff eine teilweise negative Ladung hat. Dadurch bleibt auch der Wasserstoff teilweise positiv geladen. In der Nähe befindliche elektronegative Sauerstoffe werden von der partiellen positiven Ladung angezogen und bilden eine Wasserstoffbrückenbindung. Von den drei Arten intermolekularer Kräfte ist die Wasserstoffbrückenbindung die stärkste.
2. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen – Die zweitstärkste Art der intermolekularen Kraft, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, bilden sich in Molekülen, die elektronegative Atome wie Sauerstoff, Stickstoff und alle Halogenide wie Chlor und Fluor enthalten. Zum Beispiel bildet ein Kohlenwasserstoffmolekül, das Fluor enthält, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Wie? Das elektronegative Fluoratom zieht die Elektronendichte zu sich heran, wodurch es eine teilweise negative Ladung hat. Das verbindende Atom, Kohlenstoff, verliert einen Teil dieser Elektronendichte und erhält so eine teilweise negative Ladung. Dadurch bildet sich ein temporärer Dipol an der Fluor-Kohlenstoff-Bindung. Wenn sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wird das teilweise negative Fluor vom teilweise positiven Kohlenstoff eines anderen Nachbarmoleküls angezogen, wodurch eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung entsteht.
3. Londoner Dispersionskräfte – Diese Art der Wechselwirkung ist eine Form der Van-der-Waals-Kräfte und ist in allen Verbindungen vorhanden. Die Londoner Dispersionskräfte sind die schwächste Art der intermolekularen Kräfte. Wie bei Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kommt es zu einer Umverteilung der Elektronendichte um das Molekül, was zur Bildung temporärer Ladungen führt. Im Gegensatz zu Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind die in London gebildeten Dispersionskräfte sehr schwach und minimal. Zum Beispiel interagieren unpolare Verbindungen wie Methan, Ethan, Pentan und Oktan über die Londoner Dispersionskräfte. Die Oberfläche und Länge des Moleküls bestimmt die Stärke der Anziehungskräfte, so dass Verbindungen mit mehr Oberfläche größere Londoner Dispersionskräfte aufweisen als kleinere Verbindungen. Daher hätte Oktan stärkere Londoner Ausbreitungskräfte als Methan.

Jede Art von intermolekularer Kraft hat eine unterschiedliche Anziehungsstärke. Daher benötigen Verbindungen, die Wasserstoffbrückenbindungen enthalten, mehr Energie, um die Anziehungskraft zwischen Molekülen zu brechen, als eine unpolare Verbindung, die nur Londoner Dispersionskräfte hat. Somit erhöht das Vorhandensein von Wasserstoffbrückenbindungen den Schmelzpunkt einer Verbindung.

Die Wirkung von Verunreinigungen auf die Schmelzpunkte

In der Literatur wird davon ausgegangen, dass Sie eine reine Probe der betreffenden Verbindung haben. Oft im Labor oder in unbekannten Proben handelt es sich bei den untersuchten Proben nicht um reine Verbindungen. Verunreinigungen führen dazu, dass der beobachtete Schmelzpunkt einer Mischung niedriger ist als die tatsächliche Schmelztemperatur der reinen Verbindung. Der beobachtbare Bereich ist größer als der der reinen Substanz.

In einer reinen Verbindung besteht der Feststoff aus einer gleichmäßigen und geordneten Struktur und benötigt eine bestimmte Temperatur, um die Struktur auseinander zu brechen, damit die Verbindung in die flüssige Phase übergehen kann. In einem Gemisch, das Verunreinigungen enthält, besteht die feste Phase aus einer unorganisierten Struktur. Dadurch wird viel weniger Energie benötigt, um in die flüssige Phase überzugehen, wodurch der Schmelzpunkt gesenkt wird. Dieses Phänomen wird als Schmelzpunktssenkung bezeichnet. Je mehr Verunreinigungen sich in der Probe befinden, desto breiter ist der Schmelzpunktbereich und desto niedriger ist die Schmelztemperatur.

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 zu überwinden, oder von den intermolekularen Kräften, 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 signifikant unterschiedlichen Elektronegativitäten sind polar. Zum Beispiel ist eine typische Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung polar, aber eine typische Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung ist es 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.