Сравнение межмолекулярных сил: точка плавления, точка кипения и смешиваемость

Межмолекулярные силы – это силы притяжения, которые существуют между молекулами. Они определяют несколько свойств объёмных материалов, таких как точки плавления, точки кипения и растворимость веществ. Молярная масса, молекулярная форма и полярность влияют на силу различных межмолекулярных сил, которые влияют на величину физических свойств в семействе молекул.

Во всех молекулах присутствуют временные силы притяжения-дисперсии, полярные или неполярные. Они вызывают конденсацией газов (ликера) и замерзание (застывание) жидкостей при очень низкой температуре (или высоком давлении). Силы рассеивания возникают из временных диполей, вызванных асимметричным распределением электронов вокруг ядра атома. Атомы (или молекулы) с большим количеством электронов (с более высокой молярной массой) имеют более сильные дисперсионные силы, чем более легкие атомы (или молекулы). Этот эффект проявляется в точке плавления и точке кипения галогенов. При движении вниз по группе от фтора до йода точки плавления и кипения увеличиваются с увеличением размера атома (или массы). Это увеличение может быть рационализировано с учетом того, как сила сил дисперсии зависит от электронной структуры атомов или молекул в веществе. В более крупном атоме валентность электронов в среднем дальше от ядер, чем в меньшем атоме. Таким образом, они менее плотно удерживаются и могут легче образовывать временные диполи, которые создают аттракцион. Мера того, насколько легко или трудно другое электростатическое напряжение (например, близлежащий ион или полярная молекула) исказить распределение заряда молекулы (ее электронное облако), известна как поляризуемость.

Молекула, которая имеет облако заряда, которое легко исказено, очень поляризуется и будет иметь большие силы дисперсии; одна с заряженным облаком, который трудно исказить, не очень поляризуется и будет иметь небольшие силы дисперсии. Формы молекул также влияют на величины сил дисперсии между ними. Например, точки кипения изомеров n-пентана, изопентана и неопентана составляют 36 °C, 27 °C и 9.5 °C соответственно. Несмотря на то, что эти соединения состоят из молекул с той же химической формулой, C5H1₂, разница в точках кипения позволяет предположить, что дисперсионные силы в жидкой фазе отличаются, являясь наибольшими для n-пентана и наименее для неопентана. Удлинённая форма n-пентана обеспечивает большую площадь поверхности, доступную для контакта между молекулами, что приводит к соответственно более сильным дисперсионным силам. Более компактная форма изопентана обеспечивает меньшую площадь поверхности, доступную для межмолекулярного контакта, и, следовательно, более слабые силы дисперсии. Молекулы неопентана являются наиболее компактными из трех, обеспечивая наименьшую доступную площадь поверхности для межмолекулярного контакта и, следовательно, слабую дисперсионную силу.

Полярные вещества демонстрируют диполи-диполи аттракционы. Эффект этого притяжения очевиден при сравнении свойств полярных молекул HCl с неполярными молекулами F₂. И HCl, и F₂ состоят из одного и того же числа атомов и имеют примерно одинаковую молекулярную массу. При температуре 150 к молекулы обоих веществ будут иметь одинаковый средний показатель KE. Однако дипольных аттракционов между молекулами HCl достаточно, чтобы они “слились”, образуя жидкость, в то время как относительно слабые силы дисперсии между неполярными молекулами F₂ не являются, и поэтому это вещество газообразно при этой температуре. Более высокая нормальная точка кипения HCl (188 K) по сравнению с F₂ (85 K) является отражением большей силы дипольных аттракционов между молекулами HCl по сравнению с аттракциями между неполярными молекулами F₂.

Особый тип диполь–дипольных взаимодействий – водородные связи – оказывает существенное влияние на свойства конденсированных фаз (жидкостей и твердых веществ). Например, рассмотрим тенденции в точках кипения для двоичных гидридов группы 15 (NH₃, PH₃, AsH₃ и SbH₃), гидридов группы 16 (H2O, H2S, H2Se и H2Te) и гидридов группы 17 (HF, HCl, HBR и HI). При прогрессирующем снижении групп полярность молекул немного уменьшается, в то время как размеры молекул существенно увеличиваются. Влияние все более сильных дисперсионных сил преобладает над все более слабыми дипольными аттракциями, и точки кипения постоянно увеличиваются. При использовании этой тенденции прогнозируемые точки кипения для самого легкого гидрида для каждой группы будут составлять около -120°C (для NH₃), -80°C (для H2O) и -110°C (для HF). Тем не менее, измеренные точки кипения для этих соединений составляют около 33.34 °C (для NH₃), 100 °C (для H2O) и 19.5 °C (для HF), все из которых значительно выше прогнозируемых трендов. Резкий контраст между нашими предсказаниями naïve и реальностью дает убедительные доказательства прочности водородного соединения.

Влияние полярности на нечитаемость

Говорят, что жидкости, которые могут смешиваться по однородности в любой пропорции, смешиваются. Смешивающиеся жидкости имеют схожие полярности. Рассмотрим, например, метанол (CH3OH) и воду (H2O), две жидкости, которые полярны и способны к водородному соединению. При смешивании метанол и вода будут взаимодействовать через межмолекулярные водородные связи и смесь; таким образом, они смешиваются. Аналогично, неполярные жидкости, такие как гексайн (C6H1₄) и бром (BR₂), смешиваются друг с другом посредством сил рассеивания. Химическая аксиома “как растворяется подобно” полезна для прогнозирования смешиваемости соединений. Две жидкости, которые в значительной степени не смешиваются, называются несмешиваемыми. Например, неполярный гексайн несмешивается с полярной водой. Относительно слабый силы притяжения между гексаном и водой не позволяет адекватно преодолеть более сильные силы связывания водорода между молекулами воды.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.1: Межмолекулярные силы. И раздел 11.3: Растворимость.