Температуры плавления

Температура плавления вещества — это температура, при которой это вещество начинает переходить из твердой фазы в жидкую фазу. При этой температуре жидкая и твердая фазы находятся в равновесии. При дополнительном нагреве вещество полностью расплавится. Но от чего зависит температура плавления вещества? Давайте подумаем о твердых и жидких телах. Молекулы твердого тела удерживают друг друга в жесткой упорядоченной структуре, называемой решеткой, в то время как молекулы жидкости имеют более слабые взаимодействия и движутся.

Нагревание твердого тела передает энергию молекулам. Обладая достаточным количеством энергии, молекулы преодолевают силы, удерживающие их в решетке, и начинают вращаться. Другими словами, если мы достаточно нагреем твердое тело, оно превратится в жидкость. Таким образом, температура плавления зависит от энергии, необходимой для преодоления сил между молекулами, или межмолекулярных сил, удерживающих их в решетке. Чем сильнее межмолекулярные силы, тем больше энергии требуется, поэтому тем выше температура плавления.

Многие межмолекулярные силы зависят от того, насколько сильно атомы в молекуле притягивают электроны, или от их электроотрицательности. Азот, кислород, фтор и хлор являются высокоэлектроотрицательными, в то время как углерод, водород и сера являются умеренно электроотрицательными. Связи между атомами со значительно различающимися электроотрицательностями являются полярными. Например, типичная углерод-кислородная связь является полярной, а типичная углерод-водородная связь — нет.

Электроны молекулы проводят больше времени вокруг ее наиболее электроотрицательных атомов, придавая ей небольшой отрицательный заряд с одной стороны и небольшой положительный заряд с другой. Это называется диполем. Если диполь не нейтрализуется равным и противоположным диполем в той же молекуле, то молекула имеет постоянный диполь и является полярной.

Теперь давайте обсудим три важные межмолекулярные силы: водородные связи, диполь-дипольные взаимодействия и дисперсионные силы Лондона. Водородная связь происходит между атомом, захватывающим электроны с единственной парой электронов, и водородом, связанным с более электроотрицательным атомом. Водородные связи являются одними из самых сильных межмолекулярных сил.

Между полярными молекулами происходят диполь-дипольные взаимодействия. При притягивающем диполь-дипольном взаимодействии отрицательная сторона одного диполя выравнивается с положительной стороной другого диполя. Диполь-дипольные взаимодействия обычно слабее, чем водородные связи.

Дисперсионные силы Лондона возникают в результате коротких, случайных сдвигов в распределении электронов молекулы, которые вызывают соответствующие сдвиги в соседних молекулах. Эти случайные сдвиги происходят в каждой молекуле, так что это одно из немногих взаимодействий, доступных для неполярных молекул. Дисперсионные силы Лондона являются одними из самых слабых межмолекулярных сил.

Ранее мы предсказывали, что более сильные межмолекулярные силы соответствуют более высоким температурам плавления. Мы можем наблюдать это в действии с гексадеканом, 2-гексадеканоном и гексадекановой кислотой. По мере увеличения силы межмолекулярных взаимодействий, доступных каждой молекуле, увеличивается и температура плавления.

Межмолекулярные силы — не единственный фактор, определяющий температуру плавления вещества. Его чистота значительно влияет на температуру плавления и замерзания, что называется «депрессией точки замерзания». Этот эффект означает, что раствор имеет более низкую температуру замерзания, чем чистый растворитель. Именно поэтому улицы посыпают солью, когда становится очень холодно. Если на улице собирается какая-либо вода, соль быстро растворяется, образуя раствор с гораздо более низкой температурой замерзания, чем чистая вода.

В твердом веществе примеси встраиваются в решетчатую структуру. Эти области часто имеют более слабые межмолекулярные взаимодействия, что делает части структуры более подверженными разрушению. Таким образом, по сравнению с чистым твердым телом, плавление начинается при более низкой температуре и происходит в более широком диапазоне температур.

В этой лаборатории вы измерите температуру плавления двух известных органических соединений, а затем проанализируете смесь, чтобы выяснить, как примеси влияют на диапазон температур плавления.