נקודות רתיחה
קביעת נקודת רתיחה
בדומה לנקודת ההתכה, נקודת הרתיחה היא תכונה פיזית. אם המדגם הוא תרכובת טהורה, אז נקודת הרתיחה יכולה לשמש כדי לקבוע את הזהות של התרכוב…
נוזלים מוחזקים יחד על ידי אינטראקציות חלשות בין המולקולות שלהם. כדי לעבור לשלב הגז, מולקולה חייבת לקבל מספיק אנרגיה מחום או ממקורות אחרים כדי להתגבר על אינטראקציות אלה.
בואו ניקח בחשבון מיכל סגור של נוזל טהור בטמפרטורת החדר. חלק ממולקולות הפאזה הנוזלית על פני השטח מקבלות מספיק אנרגיה כדי להתאדות, וחלק מהאדים האלה מאבדים אנרגיה ומתעבים בחזרה לנוזל. כאשר שיעורי האידוי והעיבוי זהים, הנוזל והאדים מגיעים לשיווי משקל. בשלב זה, החלל שמעל הנוזל רווי באדים, ואין שינוי נטו בכמות הנוזלים והאדים במיכל. הלחץ המופעל על ידי האדים נקרא לחץ אדים.
עכשיו, לשקול מיכל פתוח של נוזל. כאן האדים יכולים לברוח, ולשמור על האזור שמעל הנוזל מלהיות רווי. לכן, אידוי יכול להימשך עד שלא נשאר נוזל. ככל שטמפרטורת הנוזל עולה, כך עולה קצב האידוי, ולכן גם לחץ האדים. אם מוסיפים מספיק חום, מולקולות עמוקות יותר בנוזל מתחילות להתאדות, מה שאנו רואים כבועות של אדים נוצרות.
זה נקרא רתיחה, וזה מתחיל כאשר לחץ האדים של התרכובת שווה ללחץ האטמוספרי. הטמפרטורה שבה זה קורה היא נקודת הרתיחה. מכיוון שלכל חומר טהור יש סוגים שונים ועוצמות שונות של אינטראקציות בין-מולקולריות, לחומרים שונים יש נקודות רתיחה שונות.
כעת, בואו נסתכל על האופן שבו אינטראקציות בין-מולקולריות משפיעות על נקודת הרתיחה. אינטראקציות בין-מולקולריות רבות מערבות אזורים בעלי צפיפות אלקטרונים לא אחידה הנקראים דיפולים. לכל המולקולות יש תנודות קצרות בפיזור האלקטרונים שלהן, כך שאפילו למולקולות לא קוטביות יכולות להיות דיפולים באופן זמני. בתגובה, נוצרים דיפולים מנוגדים במולקולות סמוכות.
הכוחות המושכים בין דיפולים זמניים ומושרים נקראים כוחות פיזור בלונדון, והם יחסי הגומלין הדומיננטיים בין מולקולות לא קוטביות כמו פחמימנים. כוחות הפיזור בלונדון חזקים יותר בין מולקולות גדולות בעלות אלקטרונים רבים מכיוון שמולקולות אלה מחזיקות את האלקטרונים שלהן חלש, מה שמקל על מולקולות שכנות להשפיע על התפלגות האלקטרונים שלהן.
לדוגמה, לאלקן לא מסועף במשקל מולקולרי גבוה יש נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר לאלקן לא מסועף במשקל מולקולרי נמוך יותר. בנוסף, לאלקן לא מסועף יש נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר לאלקן מסועף עם משקל מולקולרי דומה בשל שטח הפנים הגבוה יותר שלו.
למולקולות בעלות קשרים קוטביים יש דיפולים קבועים, המאפשרים אינטראקציות סדירות בין דיפול לדיפול. אינטראקציות דיפול-דיפול חזקות יותר מכוחות הפיזור בלונדון, ולכן בדרך כלל נדרשת יותר אנרגיה תרמית כדי להרתיח נוזלי קוטב מאשר נוזלים לא קוטביים. לדוגמה, נקודת הרתיחה של כלורופנטאן אחד, מולקולה קוטבית, היא 108 מעלות צלזיוס. להקסאן, הדומה בשטח הפנים אך חסר דיפול, יש נקודת רתיחה נמוכה יותר.
מולקולות עם מימן הקשור באופן קוולנטי לאטום אלקטרושלילי יותר ואטום מושך אלקטרונים עם זוג אלקטרונים בודד מסוגלות להיקשר למימן. קשרי מימן חזקים יותר מאינטראקציות דיפול-דיפול ומכוחות פיזור בלונדון, ולכן נדרשת אנרגיה תרמית רבה עוד יותר כדי להתגבר עליהם. לדוגמה, פרופאן ואתנול יש משקלים מולקולריים דומים ושטחי פנים. אבל נקודת הרתיחה של פרופאן נמוכה בהרבה מזו של אתנול מכיוון שמולקולות אתנול יכולות ליצור קשרי מימן זו עם זו, בעוד פרופאן אינו יכול.
במעבדה זו, תשתמש בשיטה נימית כדי לקבוע את נקודת הרתיחה של שני ממסים אורגניים.
נוזלים מוחזקים יחד על ידי אינטראקציות חלשות בין המולקולות שלהם. כדי לעבור לשלב הגז, מולקולה חייבת לקבל מספיק אנרגיה מחום או ממקורות אחרים כדי להתגבר על אינטראקציות אלה.
בואו ניקח בחשבון מיכל סגור של נוזל טהור בטמפרטורת החדר. חלק ממולקולות הפאזה הנוזלית על פני השטח מקבלות מספיק אנרגיה כדי להתאדות, וחלק מהאדים האלה מאבדים אנרגיה ומתעבים בחזרה לנוזל. כאשר שיעורי האידוי והעיבוי זהים, הנוזל והאדים מגיעים לשיווי משקל. בשלב זה, החלל שמעל הנוזל רווי באדים, ואין שינוי נטו בכמות הנוזלים והאדים במיכל. הלחץ המופעל על ידי האדים נקרא לחץ אדים.
עכשיו, לשקול מיכל פתוח של נוזל. כאן האדים יכולים לברוח, ולשמור על האזור שמעל הנוזל מלהיות רווי. לכן, אידוי יכול להימשך עד שלא נשאר נוזל. ככל שטמפרטורת הנוזל עולה, כך עולה קצב האידוי, ולכן גם לחץ האדים. אם מוסיפים מספיק חום, מולקולות עמוקות יותר בנוזל מתחילות להתאדות, מה שאנו רואים כבועות של אדים נוצרות.
זה נקרא רתיחה, וזה מתחיל כאשר לחץ האדים של התרכובת שווה ללחץ האטמוספרי. הטמפרטורה שבה זה קורה היא נקודת הרתיחה. מכיוון שלכל חומר טהור יש סוגים שונים ועוצמות שונות של אינטראקציות בין-מולקולריות, לחומרים שונים יש נקודות רתיחה שונות.
כעת, בואו נסתכל על האופן שבו אינטראקציות בין-מולקולריות משפיעות על נקודת הרתיחה. אינטראקציות בין-מולקולריות רבות מערבות אזורים בעלי צפיפות אלקטרונים לא אחידה הנקראים דיפולים. לכל המולקולות יש תנודות קצרות בפיזור האלקטרונים שלהן, כך שאפילו למולקולות לא קוטביות יכולות להיות דיפולים באופן זמני. בתגובה, נוצרים דיפולים מנוגדים במולקולות סמוכות.
הכוחות המושכים בין דיפולים זמניים ומושרים נקראים כוחות פיזור בלונדון, והם יחסי הגומלין הדומיננטיים בין מולקולות לא קוטביות כמו פחמימנים. כוחות הפיזור בלונדון חזקים יותר בין מולקולות גדולות בעלות אלקטרונים רבים מכיוון שמולקולות אלה מחזיקות את האלקטרונים שלהן חלש, מה שמקל על מולקולות שכנות להשפיע על התפלגות האלקטרונים שלהן.
לדוגמה, לאלקן לא מסועף במשקל מולקולרי גבוה יש נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר לאלקן לא מסועף במשקל מולקולרי נמוך יותר. בנוסף, לאלקן לא מסועף יש נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר לאלקן מסועף עם משקל מולקולרי דומה בשל שטח הפנים הגבוה יותר שלו.
למולקולות בעלות קשרים קוטביים יש דיפולים קבועים, המאפשרים אינטראקציות סדירות בין דיפול לדיפול. אינטראקציות דיפול-דיפול חזקות יותר מכוחות הפיזור בלונדון, ולכן בדרך כלל נדרשת יותר אנרגיה תרמית כדי להרתיח נוזלי קוטב מאשר נוזלים לא קוטביים. לדוגמה, נקודת הרתיחה של כלורופנטאן אחד, מולקולה קוטבית, היא 108 מעלות צלזיוס. להקסאן, הדומה בשטח הפנים אך חסר דיפול, יש נקודת רתיחה נמוכה יותר.
מולקולות עם מימן הקשור באופן קוולנטי לאטום אלקטרושלילי יותר ואטום מושך אלקטרונים עם זוג אלקטרונים בודד מסוגלות להיקשר למימן. קשרי מימן חזקים יותר מאינטראקציות דיפול-דיפול ומכוחות פיזור בלונדון, ולכן נדרשת אנרגיה תרמית רבה עוד יותר כדי להתגבר עליהם. לדוגמה, פרופאן ואתנול יש משקלים מולקולריים דומים ושטחי פנים. אבל נקודת הרתיחה של פרופאן נמוכה בהרבה מזו של אתנול מכיוון שמולקולות אתנול יכולות ליצור קשרי מימן זו עם זו, בעוד פרופאן אינו יכול.
במעבדה זו, תשתמש בשיטה נימית כדי לקבוע את נקודת הרתיחה של שני ממסים אורגניים.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the relationship between vapor pressure and boiling point?
Boiling occurs when the vapor pressure of a liquid equals atmospheric pressure. As temperature increases, more molecules gain energy to escape the liquid phase, raising vapor pressure. When vapor pressure matches the surrounding atmospheric pressure, bubbles form throughout the liquid, marking the boiling point. This temperature varies by compound and atmospheric conditions.
Q2: How do intermolecular forces affect a compound's boiling point?
Stronger intermolecular forces require more thermal energy to overcome, resulting in higher boiling points. Hydrogen bonding is the strongest, followed by dipole-dipole interactions, then London dispersion forces. For example, ethanol boils at 78°C due to hydrogen bonding, while propane boils at -42°C because it lacks this interaction despite similar molecular weight.
Q3: Why do larger nonpolar molecules have higher boiling points than smaller ones?
Larger molecules with more electrons experience stronger London dispersion forces because their electrons are held more loosely, making them easier for neighboring molecules to polarize. High molecular weight unbranched alkanes have higher boiling points than lower molecular weight alkanes. Additionally, unbranched structures have greater surface area, enabling stronger intermolecular attractions.
Q4: What happens during evaporation and condensation in a closed container?
In a sealed container, liquid molecules at the surface gain energy and evaporate into the gas phase, while vapor molecules lose energy and condense back to liquid. When these rates become equal, the system reaches equilibrium, and the space above the liquid becomes saturated with vapor. The pressure exerted by this vapor is called vapor pressure, and no net change in liquid or gas amount occurs.
Q5: How does atmospheric pressure influence the boiling point of a liquid?
Boiling occurs when vapor pressure equals atmospheric pressure. At higher elevations where atmospheric pressure is lower, liquids boil at lower temperatures because less heat is needed to raise vapor pressure to match the reduced atmospheric pressure. Conversely, at sea level with higher atmospheric pressure, more heat is required to reach the boiling point.
Q6: What is the capillary method and how does it determine boiling point?
The capillary method uses an inverted empty glass capillary tube inserted into a pure liquid. As the liquid heats, vapor pressure increases, forcing air out and creating bubbles. When cooled, liquid enters the tube once vapor pressure equals atmospheric pressure inside it. The temperature at which liquid enters the capillary marks the boiling point of the compound.
Q7: Why does a polar molecule like chloropentane have a higher boiling point than nonpolar hexane?
Chloropentane has permanent dipoles enabling dipole-dipole interactions, which are stronger than the London dispersion forces in nonpolar hexane. Although both molecules have similar surface area, the stronger intermolecular forces in chloropentane require more thermal energy to overcome, resulting in a boiling point of 108°C compared to hexane's lower boiling point.