Temperatury wrzenia
Oznaczanie temperatury wrzenia
Podobnie jak temperatura topnienia, temperatura wrzenia jest właściwością fizyczną. Jeśli próbka jest czystym związkiem…
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.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
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.
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.