נקודות התכה

נקודת ההתכה של חומר היא הטמפרטורה שבה החומר מתחיל להשתנות מהפאזה המוצקה לשלב הנוזלי. בטמפרטורה זו, הפאזה הנוזלית והמוצקה נמצאות בשיווי משקל. עם חום נוסף, החומר יימס לחלוטין. אבל מה קובע את נקודת ההתכה של חומר? בואו נחשוב על מוצקים ונוזלים. מולקולות של מוצק מחזיקות זו את זו במבנה קשיח ומסודר שנקרא סריג, בעוד שלמולקולות של נוזל יש אינטראקציות חלשות יותר והן נעות ממקום למקום.

חימום מוצק מעביר אנרגיה למולקולות. עם מספיק אנרגיה, המולקולות מתגברות על הכוחות שמחזיקים אותן בסריג ומתחילות לנוע. במילים אחרות, אם אנחנו מחממים מוצק מספיק, הוא נמס לתוך נוזל. לכן, נקודת ההיתוך תלויה באנרגיה הדרושה כדי להתגבר על הכוחות בין המולקולות, או הכוחות הבין-מולקולריים, המחזיקים אותם בסריג. ככל שהכוחות הבין-מולקולריים חזקים יותר, כך נדרשת יותר אנרגיה, ולכן נקודת ההיתוך גבוהה יותר.

כוחות בין-מולקולריים רבים תלויים במידת העוצמה שבה אטומים במולקולה מושכים אלקטרונים – או באלקטרושליליות שלהם. חנקן, חמצן, פלואור וכלור הם אלקטרושליליים מאוד, בעוד פחמן, מימן וגופרית הם אלקטרושליליים במידה בינונית בלבד. קשרים בין אטומים בעלי אלקטרושליליות שונות באופן משמעותי הם קוטביים. לדוגמה, קשר פחמן-חמצן טיפוסי הוא קוטבי, אך קשר פחמן-מימן טיפוסי אינו כזה.

אלקטרונים של מולקולה מבלים זמן רב יותר סביב האטומים האלקטרושליליים ביותר שלה, מה שמעניק לה מטען שלילי קל בצד זה ומטען חיובי קל בצד השני. זה נקרא דיפול. אם הדיפול אינו מבוטל על ידי דיפול שווה ומנוגד באותה מולקולה, למולקולה יש דיפול קבוע והוא קוטבי.

כעת, בואו נדון בשלושה כוחות בין-מולקולריים חשובים: קשרי מימן, אינטראקציות דיפול-דיפול וכוחות פיזור בלונדון. קשרי מימן מתרחשים בין אטום נסוג אלקטרונים עם זוג אלקטרונים בודד לבין מימן הקשור לאטום אלקטרושלילי יותר. קשרי מימן הם בין הכוחות הבין-מולקולריים החזקים ביותר.

אינטראקציות דיפול-דיפול מתרחשות בין מולקולות קוטביות. באינטראקציה אטרקטיבית של דיפול-דיפול, הצד השלילי של דיפול אחד מתיישר עם הצד החיובי של דיפול אחר. אינטראקציות דיפול-דיפול הן בדרך כלל חלשות יותר מקשרי מימן.

כוחות הפיזור של לונדון מגיעים משינויים קצרים ואקראיים בפיזור האלקטרונים של מולקולה, הגורמים לתזוזות מקבילות במולקולות סמוכות. שינויים אקראיים אלה מתרחשים בכל מולקולה, ולכן זוהי אחת האינטראקציות הבודדות הזמינות למולקולות לא קוטביות. כוחות הפיזור בלונדון הם בין הכוחות הבין-מולקולריים החלשים ביותר.

מוקדם יותר, חזינו כי כוחות בין-מולקולריים חזקים יותר תואמים לנקודות התכה גבוהות יותר. אנו יכולים לראות זאת בפעולה עם הקסדקאן, 2-הקסדקאנון וחומצה הקסדקנית. ככל שעוצמת האינטראקציות הבין-מולקולריות הזמינות לכל מולקולה גדלה, כך גדלה גם נקודת ההיתוך.

כוחות בין-מולקולריים אינם הגורם היחיד שקובע את נקודת ההתכה של חומר. טוהרו משפיע באופן משמעותי על נקודות ההתכה וההקפאה שלו באפקט הנקרא "דיכאון נקודת הקפאה". משמעות אפקט זה היא כי תמיסה יש נקודת הקפאה נמוכה יותר מאשר ממס טהור עושה. לכן מפזרים ברחובות מלח כשקר מאוד. אם מים נאספים ברחוב, המלח מתמוסס במהירות ויוצר תמיסה עם נקודת קיפאון נמוכה בהרבה ממים טהורים.

במוצק, זיהומים משולבים במבנה הסריג. באזורים אלה יש לעתים קרובות אינטראקציות בין-מולקולריות חלשות יותר, מה שהופך חלקים מהמבנה לקלים יותר לשיבוש שלהם. לכן, בהשוואה למוצק טהור, ההתכה מתחילה בטמפרטורה נמוכה יותר ומתרחשת בטווח טמפרטורות רחב יותר.

במעבדה זו תמדוד את נקודות ההתכה של שתי תרכובות אורגניות ידועות ולאחר מכן תנתח תערובת כדי לחקור כיצד זיהומים משפיעים על טווח נקודות ההתכה.