Kaynama noktaları

Sıvılar, molekülleri arasındaki zayıf etkileşimlerle bir arada tutulur. Gaz fazına geçmek için, bir molekülün bu etkileşimlerin üstesinden gelmek için ısıdan veya diğer kaynaklardan yeterli enerji kazanması gerekir.

Oda sıcaklığında saf bir sıvının kapalı bir kabını düşünelim. Yüzeydeki sıvı faz moleküllerinin bir kısmı buharlaşmak için yeterli enerji kazanır ve bu buharın bir kısmı enerji kaybeder ve tekrar sıvıya yoğunlaşır. Buharlaşma ve yoğuşma oranları aynı olduğunda, sıvı ve buhar dengeye ulaşır. Bu noktada, sıvının üzerindeki boşluk buharla doyurulur ve kap içindeki sıvı ve buhar miktarında net bir değişiklik olmaz. Buharın uyguladığı basınca buhar basıncı denir.

Şimdi, açık bir sıvı kabı düşünün. Burada buhar dışarı çıkabilir ve sıvının üzerindeki alanın doymasını önleyebilir. Böylece, sıvı kalmayana kadar buharlaşma devam edebilir. Bir sıvının sıcaklığı arttıkça buharlaşma hızı da artar ve dolayısıyla buhar basıncı da artar. Yeterli ısı eklenirse, sıvının daha derinlerindeki moleküller buharlaşmaya başlar ve bu da buhar kabarcıkları oluşumu olarak görürüz.

Buna kaynama denir ve bileşiğin buhar basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda başlar. Bunun meydana geldiği sıcaklık kaynama noktasıdır. Her saf madde, moleküller arası etkileşimlerin farklı türlerine ve güçlerine sahip olduğundan, farklı maddelerin farklı kaynama noktaları vardır.

Şimdi, moleküller arası etkileşimlerin kaynama noktasını nasıl etkilediğine bir göz atalım. Birçok moleküller arası etkileşim, dipol adı verilen eşit olmayan elektron yoğunluğuna sahip alanları içerir. Tüm moleküllerin elektron dağılımlarında kısa dalgalanmalar vardır, bu nedenle polar olmayan moleküller bile geçici olarak dipollere sahip olabilir. Buna karşılık, yakındaki moleküllerde karşıt dipoller oluşur.

Geçici ve indüklenmiş dipoller arasındaki çekici kuvvetlere London dispersiyon kuvvetleri denir ve bunlar hidrokarbonlar gibi polar olmayan moleküller arasındaki baskın etkileşimlerdir. London dağılım kuvvetleri, çok elektronlu büyük moleküller arasında daha güçlüdür, çünkü bu moleküller elektronlarını zayıf tutar ve komşu moleküllerin elektron dağılımlarını etkilemesini kolaylaştırır.

Örneğin, yüksek moleküler ağırlıklı dallanmamış bir alkan, daha düşük moleküler ağırlıklı dallanmamış bir alkandan daha yüksek bir kaynama noktasına sahiptir. Ek olarak, dallanmamış bir alkan, daha yüksek yüzey alanı nedeniyle karşılaştırılabilir bir moleküler ağırlığa sahip dallı bir alkandan daha yüksek bir kaynama noktasına sahiptir.

Polar bağlara sahip moleküllerin kalıcı dipolleri vardır, bu da aralarında düzenli dipol-dipol etkileşimlerini sağlar. Dipol-dipol etkileşimleri London dispersiyon kuvvetlerinden daha güçlüdür, bu nedenle polar sıvıları kaynatmak genellikle polar olmayan sıvılardan daha fazla termal enerji gerektirir. Örneğin, polar bir molekül olan bir kloropentanın kaynama noktası 108 °C'dir. Yüzey alanı benzer olan ancak dipol içermeyen heksan, daha düşük bir kaynama noktasına sahiptir.

Hem daha elektronegatif bir atoma kovalent olarak bağlı bir hidrojene sahip moleküller hem de yalnız bir çift elektrona sahip elektron çeken bir atom hidrojen bağı yapabilir. Hidrojen bağları, dipol-dipol etkileşimlerinden ve London dağılım kuvvetlerinden daha güçlüdür, bu nedenle bunların üstesinden gelmek için daha da fazla termal enerji gerekir. Örneğin, propan ve etanol benzer moleküler ağırlıklara ve yüzey alanlarına sahiptir. Ancak propanın kaynama noktası etanolünkinden çok daha düşüktür çünkü etanol molekülleri birbirleriyle hidrojen bağları oluşturabilirken propan oluşturamaz.

Bu laboratuvarda, iki organik çözücünün kaynama noktasını belirlemek için kılcal damar yöntemini kullanacaksınız.