Точки кипения

Жидкости удерживаются вместе за счет слабых взаимодействий между их молекулами. Чтобы перейти в газовую фазу, молекула должна получить достаточно энергии от тепла или других источников, чтобы преодолеть эти взаимодействия.

Рассмотрим закрытую емкость с чистой жидкостью комнатной температуры. Некоторые молекулы жидкой фазы на поверхности получают достаточно энергии для испарения, а часть этого пара теряет энергию и конденсируется обратно в жидкость. Когда скорости испарения и конденсации одинаковы, жидкость и пар достигают равновесия. В этот момент пространство над жидкостью насыщается паром, и количество жидкости и пара в емкости не меняется. Давление, оказываемое паром, называется давлением пара.

Теперь рассмотрим открытую емкость с жидкостью. Здесь пар может выходить, предотвращая насыщение области над жидкостью. Таким образом, испарение может продолжаться до тех пор, пока не останется жидкости. По мере того как температура жидкости увеличивается, увеличивается и скорость испарения, а следовательно, и давление пара. Если добавить достаточное количество тепла, молекулы, находящиеся глубже в жидкости, начинают испаряться, что мы видим как образование пузырьков пара.

Это называется кипячением, и оно начинается, когда давление пара соединения становится равным атмосферному. Температура, при которой это происходит, называется точкой кипения. Поскольку каждое чистое вещество имеет разные типы и силу межмолекулярных взаимодействий, разные вещества имеют разную температуру кипения.

Теперь давайте рассмотрим, как межмолекулярные взаимодействия влияют на температуру кипения. Многие межмолекулярные взаимодействия связаны с областями с неравномерной электронной плотностью, называемыми диполями. Все молекулы имеют кратковременные флуктуации в распределении электронов, поэтому даже неполярные молекулы могут временно иметь диполи. В ответ на это в соседних молекулах образуются противоположные диполи.

Силы притяжения между временными и индуцированными диполями называются лондонскими дисперсионными силами, и они являются доминирующими взаимодействиями между неполярными молекулами, такими как углеводороды. Дисперсионные силы Лондона сильнее между большими молекулами с большим количеством электронов, потому что эти молекулы слабо удерживают свои электроны, что облегчает соседним молекулам влияние на их распределение электронов.

Например, высокомолекулярный неразветвленный алкан имеет более высокую температуру кипения, чем низкомолекулярный неразветвленный алкан. Кроме того, неразветвленный алкан имеет более высокую температуру кипения, чем разветвленный алкан с сопоставимой молекулярной массой, из-за его большей площади поверхности.

Молекулы с полярными связями имеют постоянные диполи, что обеспечивает регулярное диполь-дипольное взаимодействие между ними. Диполь-дипольные взаимодействия сильнее, чем дисперсионные силы Лондона, поэтому для кипячения полярных жидкостей обычно требуется больше тепловой энергии, чем для неполярных. Например, температура кипения одного хлорпентана, полярной молекулы, составляет 108 °C. Гексан, который похож по площади поверхности, но не имеет диполя, имеет более низкую температуру кипения.

К водородной связи способны молекулы как с водородом, ковалентно связанным с более электроотрицательным атомом, так и с атомом, снимающим электроны, с одной парой электронов. Водородные связи прочнее, чем диполь-дипольные взаимодействия и дисперсионные силы Лондона, поэтому для их преодоления требуется еще больше тепловой энергии. Например, пропан и этанол имеют схожую молекулярную массу и площадь поверхности. Но температура кипения пропана намного ниже, чем у этанола, потому что молекулы этанола могут образовывать водородные связи друг с другом, в то время как пропан — нет.

В этой лаборатории вы будете использовать капиллярный метод для определения температуры кипения двух органических растворителей.