Back to chapter

11.4:

Moleküller Arası Kuvvetlerin Karşılaştırılması: Erime Noktası, Kaynama Noktası ve Karışabilirlik

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Comparing Intermolecular Forces: Melting Point, Boiling Point, and Miscibility

Languages

Share

Molar kütlesi artan moleküller neden kaynama noktalarında yükselme eğilimi gösterir? Fark, moleküller arası kuvvetlere bağlanabilir. Tüm maddelerin dispersiyon kuvveti moleküller arası en zayıf kuvvet vardır.Dispersiyon kuvvetlerinin gücü, atomların ne kadar kolay polarize edilebileceğine bağlıdır. Daha yüksek kütleli atomlar, daha fazla elektrona ve daha büyük elektron bulutlarına sahiptir ve elektronların daha serbest bir şekilde dağılması, dispersiyon kuvvetlerinde artışa yol açar. Kuvvetler ne kadar güçlü olursa, komşu atomlar arasındaki etkileşimleri kırmak için o kadar fazla enerji gerekir ve bu da daha yüksek kaynama noktalarına neden olur.Bu aynı zamanda alkan serisindeki molar kütlede bir artışın neden kaynama noktalarında ve erime noktalarında buna karşılık gelen bir artışa dönüştüğünü açıklar. Bununla birlikte, molar kütle tek başına dispersiyon kuvvetlerinin gücünü belirlemez. Aynı kütlelere sahip olmasına rağmen, n-pentan ve neopentan, şekillerinin farklı olmasının bir sonucu olarak farklı kaynama noktalarına sahiptir.Düz n-pentan, komşu moleküller ile etkileşime girmek için daha geniş bir yüzey alanı sağlarken, küresel neopentan daha küçük bir yüzey alanına ve dolayısıyla daha düşük dispersiyon kuvvetlerine sahiptir. Bu, daha düşük bir kaynama noktasına yol açar. Sıvıları karıştırırken moleküller arası kuvvetler çok önemlidir.Moleküller arası kuvvetleri benzer tip ve büyüklükteki sıvılar, tüm oranlarda tamamen çözünür veya karışabilir. Her ikisi de hidrojen bağı etkileşimleri sergileyen etanol ve suyu düşünün. Karıştırıldıktan sonra, etanol molekülleri su molekülleri ile hidrojen bağları oluşturabilir ve iki sıvı tamamen karışabilir.Bunun aksine, moleküller arası kuvvetlerin farklı tipleri ve büyüklüklerine sahip sıvılar çözünmez veya karışmaz. Dağılma ve hidrojen bağlama kuvvetlerine sahip polar su moleküllerini ve yalnızca dispersiyon kuvvetlerine sahip apolar heksan moleküllerini düşünün. Karıştırıldığında hekzan üst katmanı, su ise alt katmanı oluşturur.Hekzan içindeki daha zayıf dispersiyon kuvvetleri, sudaki daha güçlü hidrojen bağları ile rekabet edemez. Bu nedenle heksan ve su karışmaz.

11.4:

Moleküller Arası Kuvvetlerin Karşılaştırılması: Erime Noktası, Kaynama Noktası ve Karışabilirlik

Moleküller arası kuvvetler, moleküller arasında var olan çekici kuvvetlerdir. Maddelerin erime noktaları, kaynama noktaları ve çözünürlükleri (karışabilirlikleri) gibi çeşitli yığın özelliklerini belirlerler. Molar kütle, moleküler şekil ve polarite, bir molekül ailesi boyunca fiziksel özelliklerin büyüklüğünü etkileyen farklı moleküller arası kuvvetlerin gücünü etkiler.

Dağılma gibi geçici çekici kuvvetler, polar olsun veya olmasın tüm moleküllerde mevcuttur. Çok düşük sıcaklık (veya yüksek basınç) koşullarında gazların yoğunlaşmasına (sıvılaşmasına) ve sıvıların donmasına (katılaşmasına) neden olurlar. Dağılma kuvvetleri, elektronların atom çekirdeği etrafındaki asimetrik dağılımının neden olduğu geçici dipollerden kaynaklanır. Daha fazla sayıda elektrona (daha yüksek molar kütleye) sahip atomlar (veya moleküller), daha hafif atomlardan (veya moleküllerden) daha güçlü dağılım kuvvetleri gösterir. Halojenlerin erime noktası ve kaynama noktası eğilimi bu etkiyi göstermektedir. Florinden iyota doğru grupta aşağı hareket, artan atom boyutu (veya kütle) ile erime noktaları ve kaynama noktaları artar. Bu artış, dağılım kuvvetlerinin kuvvetinin, maddenin içindeki atomların veya moleküllerin elektronik yapısından nasıl etkilendiği dikkate alınarak rasyonelleştirilebilir. Daha büyük bir atomda, değerlik elektronları ortalama olarak çekirdeklerden daha küçük bir atomda olduğundan daha uzaktır. Böylece, daha az sıkı tutulurlar ve çekiciliği üreten geçici dipolleri daha kolay oluşturabilirler. Başka bir elektrostatik yükün (örneğin, yakındaki bir iyon veya polar molekül) bir molekülün yük dağılımını (elektron bulutu) bozmasının ne kadar kolay veya zor olduğunun ölçüsü, polarize edilebilirlik olarak bilinir.

Kolayca deforme edilebilen bir yük bulutuna sahip bir molekülün çok polarize olabileceği ve büyük dağılım kuvvetlerine sahip olacağı söylenir; Bozulması zor olan bir yük bulutuna sahip olan biri çok kutuplanabilir değildir ve küçük dağılım kuvvetlerine sahip olacaktır. Moleküllerin şekilleri de aralarındaki dağılma kuvvetlerinin büyüklüklerini etkiler. Örneğin, n-pentan, izopentan ve neopentan izomerleri için kaynama noktaları sırasıyla 36 °C, 27 °C ve 9,5 °C’dir. Bu bileşikler aynı kimyasal formüle (C5H12) sahip moleküllerden oluşsa da, kaynama noktalarındaki fark, sıvı fazdaki dağılım kuvvetlerinin farklı olduğunu, en büyük n-pentan için ve en az neopentan için olduğunu göstermektedir. n-pentanın uzatılmış şekli, moleküller arasında temas için daha büyük bir yüzey alanı sağlar ve bu da buna karşılık olarak daha güçlü dispersiyon kuvvetleri ile sonuçlanır. İzopentanın daha kompakt şekli, moleküller arası temas için daha küçük bir yüzey alanı ve dolayısıyla daha zayıf dispersiyon kuvvetleri sunar. Neopentan molekülleri bu üçü arasında en kompakt olanıdır ve moleküller arası temas için en az mevcut yüzey alanını ve dolayısıyla en zayıf dağılım kuvvetlerini sunar.

Kutup maddeleri, dipol–dipol çekicilikleri sergiler. Bu çekimin etkisi, polar HCl moleküllerinin özelliklerini polar olmayan F2 molekülleriyle karşılaştırırken belirgindir. Hem HCl hem de F2 aynı sayıda atomdan oluşur ve yaklaşık olarak aynı moleküler kütleye sahiptir. 150 K sıcaklıkta, her iki maddenin molekülleri aynı ortalama KE’ye sahip olacaktır. Bununla birlikte, HCl molekülleri arasındaki dipol–dipol çekimleri, bunların bir sıvı oluşturmak üzere “birbirine yapışmasına” neden olmak için yeterlidir, oysa polar olmayan F2 molekülleri arasındaki nispeten zayıf dağılım kuvvetleri değildir ve bu nedenle bu madde, bu sıcaklıkta gaz halindedir. F2 (85 K) ile karşılaştırıldığında HCl’nin (188 K) daha yüksek normal kaynama noktası, polar olmayan F2 molekülleri arasındaki çekiciliğe kıyasla, HCl molekülleri arasındaki dipol–dipol çekimlerinin daha büyük gücünün bir yansımasıdır.

Özel bir dipol–dipol kuvvet türü olan —hidrojen bağları—, yoğunlaştırılmış fazların (sıvılar ve katılar) özellikleri üzerinde belirgin bir etkiye sahiptir. Örneğin, grup 15 (NH3, PH3, AsH3, ve SbH3), grup 16 (H2O, H2S, H2Se, ve H2Te) hidrürler ve grup 17 (HF, HCl, HBr, and HI) hidrürlerin ikili hidrürleri için kaynama noktalarındaki eğilimleri düşünün. Gruplar arasında ilerledikçe, moleküllerin kutupları biraz azalırken, moleküllerin boyutları önemli ölçüde artar. Giderek daha güçlü olan dispersiyon kuvvetlerinin etkisi, giderek daha zayıf olan dipol–dipol çekimlerinin etkisine hükmeder ve kaynama noktalarının istikrarlı bir şekilde arttığı gözlemlenir. Bu eğilimi kullanarak, her grup için en hafif hidrit için tahmin edilen kaynama noktaları yaklaşık −120 °C (NH3 için), −80 °C (H2O için) ve −110 °C (HF için) olacaktır. Bununla birlikte, bu bileşikler için ölçülen kaynama noktaları yaklaşık −33,34 °C (NH3 için), 100 °C (H2O için) ve 19,5 °C (HF için) olup, bunların tümü tahmin edilen trendlerden önemli ölçüde daha yüksektir. Saf tahminlerimiz ile gerçeklik arasındaki keskin zıtlık, hidrojen bağının gücüne dair ikna edici kanıtlar sağlıyor.

Polaritenin Karışabilirlik Üzerindeki Etkisi

Herhangi bir oranda homojen olarak karışabilen sıvıların karışabilir olduğu söyleniyor. Karışabilir sıvılar benzer kutuplara sahiptir. Örneğin, polar olan ve hidrojen bağlayabilen iki sıvı olan metanol (CH3OH) ve suyu (H2O) düşünün. Karıştırma sırasında, metanol ve su, moleküller arası hidrojen bağları yoluyla etkileşime girecek ve karışacaktır; bu nedenle karıştırılabilirler. Aynı şekilde, heksan (C6H14) ve brom (Br2) gibi polar olmayan sıvılar, dispersiyon kuvvetleri yoluyla birbirleriyle karışabilir. “benzer benzeri çözer” kimyasal aksiyomu, bileşiklerin karışabilirliğini tahmin etmek için faydalıdır. Kayda değer ölçüde karışmayan iki sıvı, karışmaz olarak adlandırılır. Örneğin, polar olmayan hekzan, polar suya karışmaz. Heksan ve su arasındaki nispeten zayıf çekici kuvvetler, su molekülleri arasındaki daha güçlü hidrojen bağlama kuvvetlerini yeterince aşamaz.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular forces. and Section 11.3: Solubility.