Температуры кипения и плавления

Температура кипения

В уроке 9 мы научились определять, какие силы действуют между молекулами вещества. Теперь используем это для предсказаний. Чтобы жидкость закипела, её молекулы должны оторваться друг от друга и перейти в газ. Чем сильнее они притягиваются, тем больше энергии для этого нужно и тем выше температура кипения. Поэтому, сравнив силы притяжения между молекулами, можно предсказать, какое из двух веществ кипит выше, не заглядывая в справочник.

Как сравнить температуры кипения

1. Есть ли у вещества водородные связи (O–H, N–H)? Если у одного есть, а у другого нет, первое кипит гораздо выше.
2. Если одинаково — у кого больше групп O–H? Больше — выше.
3. Если одинаково — полярнее ли молекула? Полярнее — выше.
4. Если одинаково — больше ли молекула? Больше — выше. Сильнее ли разветвлена? Разветвлённее — ниже: меньше площадь контакта.

Примеры

1. Близкая масса, разные силы. Бутан-1-ол \(\ce{C4H9OH}\) (118 °C, водородные связи) ≫ диэтиловый эфир \(\ce{(C2H5)2O}\) (35 °C) ≈ пентан \(\ce{C5H12}\) (36 °C).

2. Число групп OH. Пропан-1-ол \(\ce{C3H7OH}\) — 97 °C; глицерин \(\ce{C3H5(OH)3}\) — около 290 °C.

3. Полярность. Бутан \(\ce{C4H10}\) (−0,5 °C) < ацетон \(\ce{(CH3)2CO}\) (56 °C): масса близка (58 г/моль у обоих), но ацетон полярен.

4. Разветвление. Бутан (−0,5 °C) > 2-метилпропан \(\ce{(CH3)3CH}\) (−12 °C): разветвлённая молекула компактнее, площадь контакта меньше.

Температура плавления: симметрия и упаковка

Для кипения из первой части урока важны только силы притяжения. При плавлении разрушается кристалл, и важно ещё, насколько плотно молекулы уложены: симметричные молекулы упаковываются лучше и плавятся выше.

Как сравнить температуры плавления

1. Сравните силы притяжения, как для кипения: водородные связи, полярность, размер.
2. Если они близки — сравните симметрию: более симметричная молекула лучше упаковывается и плавится выше.
3. Ионные соединения и цвиттер-ионы плавятся очень высоко (часто с разложением).

Примеры

1. Пентан и 2,2-диметилпропан \(\ce{C(CH3)4}\). Кипит выше пентан, а плавится — неопентан: −17 °C против −130 °C. Шарообразные молекулы плотно укладываются в кристалл.

2. Ксилолы \(\ce{C6H4(CH3)2}\). Пара-изомер самый симметричный и плавится при 13 °C; орто — при −25 °C, мета — при −48 °C.

3. Бут-2-ены \(\ce{CH3CH=CHCH3}\). Транс-изомер симметричнее и плавится выше: −106 °C против −139 °C у цис-изомера.

4. Ацетат натрия и уксусная кислота. \(\ce{CH3COONa}\) — ионный кристалл, плавится при 324 °C; \(\ce{CH3COOH}\) — при 17 °C.

5. Глицин. Существует в виде цвиттер-иона \(\ce{H3N+-CH2-COO-}\) и плавится с разложением выше 230 °C.