Erime Noktaları

Organik Kimyada Erime Noktaları

Bir bileşiğin erime noktası, katı fazın 1 atmosferlik standart bir basınçta sıvı faza geçtiği sıcaklıktır. Bir bileşiğin erime noktası, bir bileşiği tanımlamak için kullanılabilecek çözünürlük, yoğunluk, renk ve elektronegatiflik gibi fiziksel bir özelliktir. Bir bileşiğin erimeye başladığı tam sıcaklığı belirlemek zorlu bir iştir; Bu nedenle, bileşiklerin erime noktası bir aralık olarak rapor edilir. Erime noktası aralığının alt sınırı, sıvının ilk damlalarının gözlemlendiği sıcaklıktır. Aralığın üst sınırı, katı fazın tamamının sıvı faza geçtiği sıcaklıktır. Literatürde, bileşikleri tanımlamak için kullanılan kabul edilmiş değerlere sahip referans kılavuzları bulunmaktadır.

Moleküller Arası Kuvvetlerin Erime Noktaları Üzerindeki Etkisi

Bileşiğin erime noktasını etkileyen önemli bir faktör, bileşik içinde var olan moleküller arası kuvvetlerin türüdür. Moleküller arası kuvvetler, bir bileşiğin molekülleri arasında çekici veya iticidir. Katı fazda, bir bileşiğin molekülleri, moleküller birbirine yakın paketlendikçe organize bir kafes yapısı oluşturacaktır. Moleküller arası kuvvetin üç ana türü vardır:

1. Hidrojen bağı – Hidrojen bağı, bir elektronegatif oksijen ile bir hidrojen atomu arasındaki çekim kuvvetleri nedeniyle oluşan bir tür moleküller arası kuvvettir. Bu nedenle, bu tür moleküller arası kuvvetin mevcut olması için bileşiğin oksijen ve hidrojen içermesi gerekir. Bu nedenle, alkoller gibi hidroksil grupları içeren bileşikler kolayca hidrojen bağları oluşturur. Hidroksil grubu içinde, daha elektronegatif oksijen elektron yoğunluğunu kendisine doğru çektiğinde bir dipol oluşur ve oksijenin kısmi bir negatif yüke sahip olmasını sağlar. Bu aynı zamanda hidrojeni kısmi bir pozitif yükle bırakır. Yakındaki elektronegatif oksijenler, bir hidrojen bağı oluşturarak kısmi pozitif yüke çekilir. Üç tür moleküller arası kuvvetten hidrojen bağı en güçlü olanıdır.
2. Dipol-Dipol Etkileşimleri – Moleküller arası kuvvetin ikinci en güçlü türü olan dipol-dipol etkileşimleri, oksijen, nitrojen gibi elektronegatif atomlar ve klor ve flor gibi halojenürlerden herhangi birini içeren moleküllerde oluşur. Örneğin, flor içeren bir hidrokarbon molekülü, dipol-dipol etkileşimleri oluşturacaktır. Nasıl? Elektronegatif flor atomu, elektron yoğunluğunu kendisine doğru çekerek kısmi bir negatif yüke sahip olmasını sağlar. Bağlanan atom, karbon, bu elektron yoğunluğunun bir kısmını kaybeder ve böylece kısmi bir negatif yük kazanır. Bu, flor-karbon bağında geçici bir dipol oluşturur. Zıt yükler birbirini çekerken, kısmen negatif flor, başka bir komşu molekülün kısmen pozitif karbonuna çekilir ve bir dipol-dipol etkileşimi oluşturur.
3. London dağılma kuvvetleri – Bu tür bir etkileşim, van der Waals kuvvetlerinin bir şeklidir ve tüm bileşiklerde bulunur. London dağılma kuvvetleri, moleküller arası kuvvetlerin en zayıf türüdür. Dipol-dipol etkileşimleri gibi, molekül etrafında elektron yoğunluğunun yeniden dağılımı olur ve bu da geçici yüklerin oluşumuna neden olur. Dipol-dipol etkileşimlerinin aksine, Londra dispersiyon kuvvetlerinde oluşan dipoller çok zayıf ve minimaldir. Örneğin, metan, etan, pentan ve oktan gibi polar olmayan bileşikler, Londra dağılma kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girer. Molekülün yüzey alanı ve uzunluğu, çekici kuvvetlerin gücünü belirler, öyle ki daha fazla yüzey alanına sahip bileşikler, daha küçük bileşiklerden daha büyük London dispersiyon kuvvetlerine sahiptir. Bu nedenle, oktan metandan daha güçlü Londra dağılma kuvvetlerine sahip olacaktır.

Her tür moleküller arası kuvvetin farklı bir çekim gücü vardır. Bu nedenle, hidrojen bağları içeren bileşikler, moleküller arasındaki çekimi kırmak için yalnızca London dispersiyon kuvvetlerine sahip polar olmayan bir bileşikten daha fazla enerji gerektirir. Böylece, hidrojen bağlarının varlığı, bir bileşiğin erime noktasını arttırır.

Safsızlıkların erime noktaları üzerindeki etkisi

Erime noktalarının bildirilen literatür değerleri, söz konusu bileşiğin saf bir örneğine sahip olduğunuzu varsayar. Genellikle laboratuvarda veya bilinmeyen numunelerde, test edilen numuneler saf bileşikler değildir. Safsızlıklar, bir karışımın gözlemlenen erime noktasının, saf bileşiğin gerçek erime sıcaklığından daha düşük olmasına neden olur. Gözlemlenebilir aralık, saf maddeninkinden daha büyüktür.

Saf bir bileşikte katı, düzgün ve düzenli bir yapıdan oluşur ve bileşiğin sıvı faza geçmesi için yapıyı parçalamak için belirli bir miktarda sıcaklık gerektirir. Safsızlık içeren bir karışımda, katı faz düzensiz bir yapıdan oluşur. Bu, sıvı faza geçmek için çok daha az enerji gerektirir, böylece erime noktasını düşürür. Bu fenomen erime noktası depresyonu olarak bilinir. Numunedeki safsızlıklar ne kadar fazlaysa, erime noktası aralığı o kadar geniş ve erime sıcaklığı o kadar düşük olur.

Bir maddenin erime noktası, o maddenin katı fazdan sıvı faza geçmeye başladığı sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta sıvı ve katı fazlar denge halindedir. Ek ısı ile madde tamamen eriyecektir. Fakat bir maddenin erime noktasını ne belirler? Katıları ve sıvıları düşünelim. Bir katının molekülleri birbirlerini kafes adı verilen katı, düzenli bir yapıda tutarken, bir sıvının molekülleri daha zayıf etkileşimlere sahiptir ve hareket eder.

Bir katının ısıtılması, enerjiyi moleküllere aktarır. Yeterli enerji ile moleküller kendilerini kafes içinde tutan kuvvetlerin üstesinden gelir ve hareket etmeye başlarlar. Başka bir deyişle, bir katıyı yeterince ısıtırsak, bir sıvıya erir. Bu nedenle, erime noktası, moleküller arasındaki kuvvetlerin üstesinden gelmek için gereken enerjiye veya onları kafes içinde tutan moleküller arası kuvvetler 'ye bağlıdır. Moleküller arası kuvvetler ne kadar güçlüyse, o kadar fazla enerji gerekir, bu nedenle erime noktası o kadar yüksek olur.

Birçok moleküller arası kuvvet, moleküldeki atomların elektronları ne kadar güçlü çektiğine veya elektronegatifliklerine bağlıdır. Azot, oksijen, flor ve klor oldukça elektronegatifken, karbon, hidrojen ve kükürt sadece orta derecede elektronegatiftir. Önemli ölçüde farklı elektronegatifliklere sahip atomlar arasındaki bağlar polar. Örneğin, tipik bir karbon-oksijen bağı polardır, ancak tipik bir karbon-hidrojen bağı polar değildir.

Bir molekülün elektronları, en elektronegatif atomlarının etrafında daha fazla zaman harcar, bu da ona o tarafta hafif bir negatif yük ve diğer tarafta hafif bir pozitif yük verir. Buna dipol denir. Dipol, aynı moleküldeki eşit ve zıt bir dipol tarafından iptal edilmezse, molekülün kalıcı bir dipolü vardır ve polardır.

Şimdi, üç önemli moleküller arası kuvveti tartışalım: hidrojen bağı, dipol-dipol etkileşimleri ve London dağılım kuvvetleri. Hidrojen bağı, yalnız bir elektron çiftine sahip elektron çeken bir atom ile daha elektronegatif bir atoma bağlı bir hidrojen arasında meydana gelir. Hidrojen bağları en güçlü moleküller arası kuvvetler arasındadır.

Dipol-dipol etkileşimleri polar moleküller arasında meydana gelir. Çekici bir dipol-dipol etkileşiminde, bir dipolün negatif tarafı başka bir dipolün pozitif tarafı ile hizalanır. Dipol-dipol etkileşimleri genellikle hidrojen bağlarından daha zayıftır.

London dağılım kuvvetleri, bir molekülün elektron dağılımındaki kısa, rastgele kaymalardan gelir ve bu da yakındaki moleküllerde karşılık gelen kaymalara neden olur. Bu rastgele kaymalar her molekülde meydana gelir, bu nedenle bu, polar olmayan moleküller için mevcut olan birkaç etkileşimden biridir. Londra dağılma kuvvetleri, en zayıf moleküller arası kuvvetler arasındadır.

Daha önce, daha güçlü moleküller arası kuvvetlerin daha yüksek erime noktalarına karşılık geldiğini tahmin etmiştik. Bunu hekzadekan, 2-heksadekanon ve hekzadekanoik asit ile hareket halinde görebiliriz. Her molekül için mevcut olan moleküller arası etkileşimlerin gücü arttıkça erime noktası da artar.

Moleküller arası kuvvetler, bir maddenin erime noktasını belirleyen tek faktör değildir. Saflığı, 'donma noktası depresyonu' adı verilen bir etkiyle erime ve donma noktalarını önemli ölçüde etkiler. Bu etki, bir çözeltinin saf çözücüden daha düşük bir donma noktasına sahip olduğu anlamına gelir. Bu yüzden sokaklar çok soğuduğunda tuz serpilir. Sokakta herhangi bir su toplanırsa, tuz hızla çözülür ve saf sudan çok daha düşük donma noktasına sahip bir çözelti elde edilir.

Bir katıda, safsızlıklar kafes yapısına dahil edilir. Bu alanlar genellikle daha zayıf moleküller arası etkileşimlere sahiptir ve bu da yapının bazı kısımlarının bozulmasını kolaylaştırır. Bu nedenle, saf bir katı ile karşılaştırıldığında, erime daha düşük bir sıcaklıkta başlar ve daha geniş bir sıcaklık aralığında gerçekleşir.

Bu laboratuvarda, bilinen iki organik bileşiğin erime noktalarını ölçecek ve ardından safsızlıkların erime noktası aralığını nasıl etkilediğini keşfetmek için bir karışımı analiz edeceksiniz.