Temperatury wrzenia

Ciecze są utrzymywane razem przez słabe oddziaływania między ich cząsteczkami. Aby przejść do fazy gazowej, cząsteczka musi uzyskać wystarczającą ilość energii z ciepła lub innych źródeł, aby przezwyciężyć te interakcje.

Rozważmy zamknięty pojemnik z czystą cieczą w temperaturze pokojowej. Niektóre cząsteczki fazy ciekłej na powierzchni uzyskują wystarczającą ilość energii, aby odparować, a część tej pary traci energię i skrapla się z powrotem do cieczy. Gdy szybkość parowania i kondensacji jest taka sama, ciecz i para osiągają równowagę. W tym momencie przestrzeń nad cieczą jest nasycona parą i nie ma zmiany netto ilości cieczy i pary w pojemniku. Ciśnienie wywierane przez parę nazywane jest ciśnieniem pary.

Teraz rozważ otwarty pojemnik z płynem. W tym miejscu para może się ulatniać, zapobiegając nasyceniu obszaru nad cieczą. W ten sposób parowanie może trwać do momentu, gdy nie pozostanie płyn. Wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta szybkość parowania, a co za tym idzie, rośnie również prężność pary. Jeśli doda się wystarczającą ilość ciepła, cząsteczki znajdujące się głębiej w cieczy zaczynają parować, co widzimy jako tworzące się pęcherzyki pary.

Nazywa się to gotowaniem i rozpoczyna się, gdy prężność pary związku jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. Temperatura, w której to następuje, to temperatura wrzenia. Ponieważ każda czysta substancja ma różne rodzaje i siłę oddziaływań międzycząsteczkowych, różne substancje mają różne temperatury wrzenia.

Przyjrzyjmy się teraz, jak interakcje międzycząsteczkowe wpływają na temperaturę wrzenia. Wiele oddziaływań międzycząsteczkowych obejmuje obszary o nierównomiernej gęstości elektronów zwane dipolami. Wszystkie cząsteczki mają krótkie wahania w rozkładzie elektronów, więc nawet cząsteczki niepolarne mogą tymczasowo mieć dipole. W odpowiedzi w pobliskich cząsteczkach tworzą się przeciwstawne dipole.

Siły przyciągania między tymczasowymi i indukowanymi dipolami nazywane są siłami dyspersji londyńskiej i są dominującymi oddziaływaniami między cząsteczkami niepolarnymi, takimi jak węglowodory. Londyńskie siły dyspersyjne są silniejsze między dużymi cząsteczkami z wieloma elektronami, ponieważ cząsteczki te słabo utrzymują swoje elektrony, co ułatwia sąsiednim cząsteczkom wpływanie na ich rozkład elektronów.

Na przykład nierozgałęziony alkan o dużej masie cząsteczkowej ma wyższą temperaturę wrzenia niż nierozgałęziony alkan o niższej masie cząsteczkowej. Dodatkowo nierozgałęziony alkan ma wyższą temperaturę wrzenia niż rozgałęziony alkan o porównywalnej masie cząsteczkowej ze względu na większą powierzchnię.

Cząsteczki z wiązaniami polarnymi mają stałe dipole, umożliwiające regularne oddziaływania dipol-dipol między nimi. Oddziaływania dipol-dipol są silniejsze niż siły dyspersji Londona, więc zwykle potrzeba więcej energii cieplnej do zagotowania cieczy polarnych niż cieczy niepolarnych. Na przykład temperatura wrzenia jednego chloropentanu, cząsteczki polarnej, wynosi 108 °C. Heksan, który ma podobną powierzchnię, ale nie ma dipola, ma niższą temperaturę wrzenia.

Cząsteczki, w których zarówno wodór jest kowalencyjnie związany z bardziej elektroujemnym atomem, jak i atom wycofujący elektrony z samotną parą elektronów, są zdolne do wiązania wodorowego. Wiązania wodorowe są silniejsze niż oddziaływania dipol-dipol i siły dyspersji Londona, więc do ich pokonania potrzeba jeszcze więcej energii cieplnej. Na przykład propan i etanol mają podobną masę cząsteczkową i powierzchnię. Ale temperatura wrzenia propanu jest znacznie niższa niż etanolu, ponieważ cząsteczki etanolu mogą tworzyć ze sobą wiązania wodorowe, podczas gdy propan nie.

W tym laboratorium użyjesz metody kapilarnej do określenia temperatury wrzenia dwóch rozpuszczalników organicznych.