Temperatury topnienia

Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której substancja ta zaczyna zmieniać się z fazy stałej w fazę ciekłą. W tej temperaturze faza ciekła i stała są w równowadze. Przy dodatkowym cieple substancja całkowicie się stopi. Ale co decyduje o temperaturze topnienia substancji? Pomyślmy o ciałach stałych i cieczach. Cząsteczki ciała stałego utrzymują się nawzajem w sztywnej, uporządkowanej strukturze zwanej siatką, podczas gdy cząsteczki cieczy mają słabsze oddziaływania i poruszają się.

Ogrzewanie ciała stałego przenosi energię na cząsteczki. Przy wystarczającej ilości energii cząsteczki pokonują siły utrzymujące je w sieci i zaczynają się poruszać. Innymi słowy, jeśli wystarczająco podgrzejemy ciało stałe, topi się ono w ciecz. Tak więc temperatura topnienia zależy od energii potrzebnej do pokonania sił między cząsteczkami lub sił międzycząsteczkowych, utrzymujących je w sieci. Im silniejsze są siły międzycząsteczkowe, tym więcej energii jest potrzebne, a więc tym wyższa jest temperatura topnienia.

Wiele sił międzycząsteczkowych zależy od tego, jak silnie atomy w cząsteczce przyciągają elektrony - lub od ich elektroujemności. Azot, tlen, fluor i chlor są wysoce elektroujemne, podczas gdy węgiel, wodór i siarka są tylko umiarkowanie elektroujemne. Wiązania między atomami o znacznie różniących się elektroujemnościach są polarne. Na przykład typowe wiązanie węgiel-tlen jest polarne, ale typowe wiązanie węgiel-wodór nie jest.

Elektrony cząsteczki spędzają więcej czasu wokół jej najbardziej elektroujemnych atomów, nadając jej lekki ładunek ujemny po tej stronie i lekki ładunek dodatni po drugiej stronie. Nazywa się to dipolem. Jeśli dipol nie jest znoszony przez równy i przeciwny dipol w tej samej cząsteczce, cząsteczka ma stały dipol i jest polarna.

Omówmy teraz trzy ważne siły międzycząsteczkowe: wiązania wodorowe, oddziaływania dipol-dipol i siły dyspersji Londona. Wiązanie wodorowe zachodzi między atomem wycofującym elektrony z samotną parą elektronów a wodorem związanym z bardziej elektroujemnym atomem. Wiązania wodorowe należą do najsilniejszych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Oddziaływania dipol-dipol zachodzą między cząsteczkami polarnymi. W przyciągającym oddziaływaniu dipol-dipol ujemna strona jednego dipola wyrównuje się z dodatnią stroną innego dipola. Oddziaływania dipol-dipol są na ogół słabsze niż wiązania wodorowe.

Londyńskie siły dyspersyjne wynikają z krótkich, przypadkowych przesunięć w rozkładzie elektronów cząsteczki, które powodują odpowiednie przesunięcia w pobliskich cząsteczkach. Te losowe przesunięcia zachodzą w każdej cząsteczce, więc jest to jedna z niewielu interakcji dostępnych dla cząsteczek niepolarnych. Londyńskie siły dyspersyjne należą do najsłabszych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Wcześniej przewidywaliśmy, że silniejsze siły międzycząsteczkowe odpowiadają wyższym temperaturom topnienia. Możemy to zobaczyć w działaniu w przypadku heksadekanonu, 2-heksadekanonu i kwasu heksadekanowego. Wraz ze wzrostem siły oddziaływań międzycząsteczkowych dostępnych dla każdej cząsteczki wzrasta również temperatura topnienia.

Siły międzycząsteczkowe nie są jedynym czynnikiem określającym temperaturę topnienia substancji. Jego czystość znacząco wpływa na temperaturę topnienia i zamarzania w efekcie zwanym "obniżeniem temperatury zamarzania". Efekt ten oznacza, że roztwór ma niższą temperaturę zamarzania niż czysty rozpuszczalnik. Dlatego ulice są posypywane solą, gdy robi się bardzo zimno. Jeśli na ulicy zbierze się woda, sól szybko się rozpuszcza, tworząc roztwór o znacznie niższej temperaturze zamarzania niż czysta woda.

W ciele stałym zanieczyszczenia są włączane do struktury sieci. Obszary te często mają słabsze oddziaływania międzycząsteczkowe, co sprawia, że części struktury są łatwiejsze do zakłócenia. Tak więc, w porównaniu z czystym ciałem stałym, topnienie rozpoczyna się w niższej temperaturze i zachodzi w szerszym zakresie temperatur.

W tym laboratorium zmierzysz temperaturę topnienia dwóch znanych związków organicznych, a następnie przeanalizujesz mieszaninę, aby zbadać, jak zanieczyszczenia wpływają na zakres temperatur topnienia.