Punti di fusione

Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale tale sostanza inizia a passare dalla fase solida alla fase liquida. A questa temperatura, le fasi liquida e solida sono in equilibrio. Con ulteriore calore, la sostanza si scioglierà completamente. Ma cosa determina il punto di fusione di una sostanza? Pensiamo ai solidi e ai liquidi. Le molecole di un solido si tengono l'una con l'altra in una struttura rigida e ordinata chiamata reticolo, mentre le molecole di un liquido hanno interazioni più deboli e si muovono.

Il riscaldamento di un solido trasferisce energia alle molecole. Con abbastanza energia, le molecole superano le forze che le tengono nel reticolo e iniziano a muoversi. In altre parole, se riscaldiamo abbastanza un solido, si scioglie in un liquido. Quindi, il punto di fusione dipende dall'energia necessaria per superare le forze tra le molecole, o le forze intermolecolari, che le trattengono nel reticolo. Più forti sono le forze intermolecolari, maggiore è l'energia richiesta, quindi più alto è il punto di fusione.

Molte forze intermolecolari dipendono dalla forza con cui gli atomi nella molecola attraggono gli elettroni o dalla loro elettronegatività. L'azoto, l'ossigeno, il fluoro e il cloro sono altamente elettronegativi, mentre il carbonio, l'idrogeno e lo zolfo sono solo moderatamente elettronegativi. I legami tra atomi con elettronegatività significativamente diverse sono polari. Ad esempio, un tipico legame carbonio-ossigeno è polare, ma un tipico legame carbonio-idrogeno non lo è.

Gli elettroni di una molecola trascorrono più tempo intorno ai suoi atomi più elettronegativi, dandogli una leggera carica negativa su quel lato e una leggera carica positiva sull'altro lato. Questo è chiamato dipolo. Se il dipolo non è annullato da un dipolo uguale e uno contrario nella stessa molecola, la molecola ha un dipolo permanente ed è polare.

Ora, discutiamo tre importanti forze intermolecolari: legame idrogeno, interazioni dipolo-dipolo e forze di dispersione di London. Il legame idrogeno si verifica tra un atomo che si ritira di elettroni con una coppia solitaria di elettroni e un idrogeno legato a un atomo più elettronegativo. I legami idrogeno sono tra le forze intermolecolari più forti.

Le interazioni dipolo-dipolo si verificano tra molecole polari. In un'interazione dipolo-dipolo attrattivo, il lato negativo di un dipolo si allinea con il lato positivo di un altro dipolo. Le interazioni dipolo-dipolo sono generalmente più deboli dei legami idrogeno.

Le forze di dispersione di Londra derivano da brevi cambiamenti casuali nella distribuzione elettronica di una molecola, che causano cambiamenti corrispondenti nelle molecole vicine. Questi spostamenti casuali avvengono in ogni molecola, quindi questa è una delle poche interazioni disponibili per le molecole non polari. Le forze di dispersione di Londra sono tra le forze intermolecolari più deboli.

In precedenza, avevamo previsto che forze intermolecolari più forti corrispondevano a punti di fusione più elevati. Possiamo vederlo in azione con l'esadecano, il 2-esadecanone e l'acido esadecanoico. All'aumentare della forza delle interazioni intermolecolari disponibili per ciascuna molecola, aumenta anche il punto di fusione.

Le forze intermolecolari non sono l'unico fattore che determina il punto di fusione di una sostanza. La sua purezza influisce in modo significativo sui suoi punti di fusione e congelamento in un effetto chiamato "depressione del punto di congelamento". Questo effetto significa che una soluzione ha un punto di congelamento più basso rispetto al solvente puro. Ecco perché le strade vengono cosparse di sale quando fa molto freddo. Se dell'acqua si raccoglie per strada, il sale si dissolve rapidamente per creare una soluzione con un punto di congelamento molto più basso rispetto all'acqua pura.

In un solido, le impurità sono incorporate nella struttura reticolare. Queste aree hanno spesso interazioni intermolecolari più deboli, rendendo parti della struttura più facili da distruggere. Quindi, rispetto a un solido puro, la fusione inizia a una temperatura più bassa e avviene in un intervallo di temperature più ampio.

In questo laboratorio, misurerai i punti di fusione di due composti organici noti e quindi analizzerai una miscela per esplorare come le impurità influenzano l'intervallo del punto di fusione.