融点

物質の融点は、その物質が固相から液相に変化し始める温度です。この温度では、液相と固相は平衡状態にあります。追加の熱で、物質は完全に溶けます。しかし、物質の融点を決定するものは何ですか?固体と液体について考えてみましょう。固体の分子は格子と呼ばれる硬く規則的な構造で互いに保持し合っていますが、液体の分子は相互作用が弱く、動き回っています。

固体を加熱すると、エネルギーが分子に伝達されます。十分なエネルギーがあれば、分子は格子内に保持されている力を克服し、動き回り始めます。つまり、固体を十分に加熱すると、溶けて液体になるのです。したがって、融点は、分子間の力、または分子を格子に保持する分子間力に打ち勝つのに必要なエネルギーに依存します。分子間力が強いほど、より多くのエネルギーが必要になるため、融点が高くなります。

多くの分子間力は、分子内の原子が電子を引き付ける強さ、または電子陰性度に依存します。窒素、酸素、フッ素、塩素は電気陰性度が高く、炭素、水素、硫黄は中程度の電気陰性度です。電気陰性度が大きく異なる原子間の結合は極性です。たとえば、典型的な炭素-酸素結合は極性ですが、典型的な炭素-水素結合は極性ではありません。

分子の電子は、最も電気陰性な原子の周りでより多くの時間を費やし、その側にわずかな負の電荷を与え、反対側にわずかな正の電荷を与えます。これをダイポールと呼びます。双極子が同じ分子内の等しく反対の双極子によって打ち消されない場合、分子は永久双極子を持ち、極性です。

それでは、水素結合、双極子-双極子相互作用、ロンドン分散力という3つの重要な分子間力について見ていきましょう。水素結合は、孤立電子対を持つ電子吸引原子と、より電気陰性な原子に結合した水素との間で発生します。水素結合は、最も強力な分子間力の1つです。

双極子-双極子相互作用は極性分子間で発生します。引力的な双極子-双極子相互作用では、一方の双極子の負の側が別の双極子の正の側に整列します。双極子-双極子相互作用は、一般に水素結合よりも弱いです。

ロンドン分散力は、分子の電子分布の短いランダムなシフトから発生し、それに対応する近くの分子のシフトを引き起こします。これらのランダムなシフトはすべての分子で発生するため、これは非極性分子が利用できる数少ない相互作用の1つです。ロンドンの分散力は、最も弱い分子間力の一つです。

以前、私たちは、より強い分子間力はより高い融点に対応すると予測しました。これは、ヘキサデカン、2-ヘキサデカノン、およびヘキサデカン酸で実際に見られます。各分子が利用できる分子間相互作用の強度が増すと、融点も増加します。

物質の融点を決定する要因は、分子間力だけではありません。その純度は、「凝固点低下」と呼ばれる効果で、融点と凝固点に大きく影響します。この効果は、溶液の凝固点が純粋な溶媒よりも低いことを意味します。だから、とても寒くなると通りに塩がまかれます。路上に水が溜まると、塩はすぐに溶けて、純水よりもはるかに低い凝固点の溶液になります。

固体では、不純物が格子構造に取り込まれます。これらの領域は、分子間相互作用が弱いことが多く、構造の一部を破壊しやすくなります。したがって、純粋な固体と比較して、溶融はより低い温度で始まり、より広い温度範囲で発生します。

このラボでは、2つの既知の有機化合物の融点を測定し、混合物を分析して、不純物が融点範囲にどのように影響するかを調査します。