Siedegrade

Flüssigkeiten werden durch schwache Wechselwirkungen zwischen ihren Molekülen zusammengehalten. Um in die Gasphase überzugehen, muss ein Molekül genügend Energie aus Wärme oder anderen Quellen gewinnen, um diese Wechselwirkungen zu überwinden.

Betrachten wir einen geschlossenen Behälter mit einer reinen Flüssigkeit bei Raumtemperatur. Einige der Flüssigphasenmoleküle an der Oberfläche gewinnen genug Energie, um zu verdampfen, und ein Teil dieses Dampfes verliert Energie und kondensiert wieder zu Flüssigkeit. Wenn die Verdampfungs- und Kondensationsraten gleich sind, erreichen Flüssigkeit und Dampf ein Gleichgewicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Raum über der Flüssigkeit mit Dampf gesättigt, und es gibt keine Nettoveränderung in der Menge an Flüssigkeit und Dampf im Behälter. Der vom Dampf ausgeübte Druck wird als Dampfdruck bezeichnet.

Stellen Sie sich nun einen offenen Behälter mit Flüssigkeit vor. Hier kann der Dampf entweichen, so dass der Bereich über der Flüssigkeit nicht gesättigt wird. So könnte die Verdunstung so lange fortgesetzt werden, bis keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist. Wenn die Temperatur einer Flüssigkeit steigt, steigt auch die Verdampfungsrate und damit auch der Dampfdruck. Wenn genügend Wärme zugeführt wird, beginnen Moleküle, die tiefer in der Flüssigkeit liegen, zu verdampfen, was wir als sich bildende Dampfblasen sehen.

Dies wird als Sieden bezeichnet und beginnt, wenn der Dampfdruck der Verbindung dem atmosphärischen Druck entspricht. Die Temperatur, bei der dies geschieht, ist der Siedepunkt. Da jede reine Substanz unterschiedliche Arten und Stärken intermolekularer Wechselwirkungen aufweist, haben verschiedene Substanzen unterschiedliche Siedepunkte.

Werfen wir nun einen Blick darauf, wie sich intermolekulare Wechselwirkungen auf den Siedepunkt auswirken. Viele intermolekulare Wechselwirkungen betreffen Bereiche mit ungleichmäßiger Elektronendichte, die als Dipole bezeichnet werden. Alle Moleküle weisen kurzzeitige Schwankungen in ihrer Elektronenverteilung auf, so dass auch unpolare Moleküle zeitweise Dipole aufweisen können. Als Reaktion darauf bilden sich gegensätzliche Dipole in benachbarten Molekülen.

Die Anziehungskräfte zwischen temporären und induzierten Dipolen werden als Londoner Dispersionskräfte bezeichnet und sind die dominierenden Wechselwirkungen zwischen unpolaren Molekülen wie Kohlenwasserstoffen. Die Londoner Dispersionskräfte sind zwischen großen Molekülen mit vielen Elektronen stärker, da diese Moleküle ihre Elektronen schwach halten, was es für benachbarte Moleküle einfacher macht, ihre Elektronenverteilung zu beeinflussen.

Zum Beispiel hat ein unverzweigtes Alkan mit hohem Molekulargewicht einen höheren Siedepunkt als ein unverzweigtes Alkan mit niedrigerem Molekulargewicht. Darüber hinaus hat ein unverzweigtes Alkan aufgrund seiner größeren Oberfläche einen höheren Siedepunkt als ein verzweigtes Alkan mit vergleichbarem Molekulargewicht.

Moleküle mit polaren Bindungen haben permanente Dipole, die regelmäßige Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen ihnen ermöglichen. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind stärker als die Londoner Dispersionskräfte, so dass zum Kochen polarer Flüssigkeiten in der Regel mehr thermische Energie benötigt wird als unpolare Flüssigkeiten. Zum Beispiel liegt der Siedepunkt eines Chlorpentans, eines polaren Moleküls, bei 108 °C. Hexan, das in der Oberfläche ähnlich ist, aber keinen Dipol hat, hat einen niedrigeren Siedepunkt.

Moleküle, bei denen sowohl ein Wasserstoff kovalent an ein elektronegatives Atom gebunden ist, als auch ein elektronenziehendes Atom mit einem einsamen Elektronenpaar sind in der Lage, Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen. Wasserstoffbrückenbindungen sind stärker als Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Londoner Dispersionskräfte, so dass noch mehr thermische Energie benötigt wird, um sie zu überwinden. Zum Beispiel haben Propan und Ethanol ähnliche Molekulargewichte und Oberflächen. Der Siedepunkt von Propan ist jedoch viel niedriger als der von Ethanol, da Ethanolmoleküle miteinander Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können, während Propan dies nicht kann.

In diesem Labor verwenden Sie die Kapillarmethode, um den Siedepunkt von zwei organischen Lösungsmitteln zu bestimmen.