Точки кипения
Определение температуры кипения
Подобно температуре плавления, температура кипения является физическим свойством. Если образец является чистым соедине…
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.
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.
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.