Температуры плавления

Температуры плавления в органической химии

Температура плавления соединения — это температура, при которой твердая фаза переходит в жидкую фазу при стандартном давлении в 1 атмосферу. Температура плавления соединения — это физическое свойство, такое как растворимость, плотность, цвет и электроотрицательность, которое может быть использовано для идентификации соединения. Определение точной температуры, при которой соединение начинает плавиться, является сложной задачей; Из-за этого температура плавления соединений сообщается в виде диапазона. Нижняя граница диапазона температур плавления – это температура, при которой наблюдаются первые капли жидкости. Верхняя граница диапазона — это температура, при которой вся твердая фаза переходит в жидкую фазу. В литературе существуют справочники с принятыми значениями, которые используются для идентификации соединений.

Влияние межмолекулярных сил на температуру плавления

Одним из основных факторов, влияющих на температуру плавления соединения, является тип межмолекулярных сил, которые существуют внутри соединения. Межмолекулярные силы могут быть либо притягивающими, либо отталкивающими между молекулами соединения. В твердой фазе молекулы соединения образуют организованную решетчатую структуру, поскольку молекулы упакованы близко друг к другу. Существует три основных типа межмолекулярных сил:

1. Водородная связь - это тип межмолекулярной силы, которая возникает из-за сил притяжения между электроотрицательным кислородом и атомом водорода. Следовательно, чтобы этот тип межмолекулярной силы присутствовал, соединение должно содержать кислород и водород. Поэтому соединения, содержащие гидроксильные группы, такие как спирты, легко образуют водородные связи. Внутри гидроксильной группы диполь образуется, когда более электроотрицательный кислород притягивает к себе электронную плотность, в результате чего кислород имеет частичный отрицательный заряд. Это также оставляет водород с частичным положительным зарядом. Близлежащие электроотрицательные кислороды притягиваются к частичному положительному заряду, образуя водородную связь. Из трех типов межмолекулярных сил водородная связь является самой сильной.
2. Диполь-дипольные взаимодействия – второй по силе тип межмолекулярных взаимодействий, диполь-дипольные взаимодействия формируются в молекулах, содержащих электроотрицательные атомы, такие как кислород, азот и любой из галогенидов, таких как хлор и фтор. Например, молекула углеводорода, содержащая фтор, будет образовывать диполь-дипольные взаимодействия. Как? Электроотрицательный атом фтора будет притягивать к себе электронную плотность, в результате чего у него будет частичный отрицательный заряд. Связующий атом, углерод, теряет часть этой электронной плотности и, таким образом, получает частичный отрицательный заряд. Это образует временный диполь на фтор-углеродной связи. По мере притяжения противоположных зарядов частично отрицательный фтор притягивается к частично положительному углероду другой соседней молекулы, образуя диполь-дипольное взаимодействие.
3. Лондонские дисперсионные силы – этот тип взаимодействия является формой сил Ван-дер-Ваальса и присутствует во всех соединениях. Дисперсионные силы Лондона являются самым слабым типом межмолекулярных сил. Как и при диполь-дипольных взаимодействиях, происходит перераспределение электронной плотности вокруг молекулы, что приводит к образованию временных зарядов. В отличие от диполь-дипольных взаимодействий, диполи, образующиеся при дисперсионных силах Лондона, очень слабы и минимальны. Например, неполярные соединения, такие как метан, этан, пентан и октановое число, взаимодействуют через дисперсионные силы Лондона. Площадь поверхности и длина молекулы определяют силу сил притяжения, так что соединения с большей площадью поверхности имеют большие дисперсионные силы Лондона, чем меньшие соединения. Следовательно, октановое число будет иметь более сильные дисперсионные силы Лондона, чем метан.

Каждый тип межмолекулярной силы имеет разную силу притяжения. Таким образом, соединениям, содержащим водородные связи, требуется больше энергии для преодоления притяжения между молекулами, чем неполярному соединению, которое обладает только дисперсионными силами Лондона. Таким образом, наличие водородных связей повышает температуру плавления соединения.

Влияние примесей на температуру плавления

Опубликованные в литературе значения температур плавления предполагают, что у вас есть чистый образец рассматриваемого соединения. Часто в лаборатории или на неизвестных образцах испытуемые образцы не являются чистыми соединениями. Примеси приводят к тому, что наблюдаемая температура плавления смеси оказывается ниже, чем фактическая температура плавления чистого соединения. Наблюдаемый диапазон больше, чем у чистого вещества.

В чистом соединении твердое вещество состоит из однородной и упорядоченной структуры и требует определенного количества температуры для разрушения структуры для перехода соединения в жидкую фазу. В смеси, содержащей примеси, твердая фаза состоит из дезорганизованной структуры. Для этого требуется гораздо меньше энергии для перехода в жидкую фазу, что снижает температуру плавления. Это явление известно как депрессия температуры плавления. Чем больше примесей в образце, тем шире диапазон температур плавления и тем ниже температура 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.