2.6: Міжмолекулярна сила та фізичні властивості органічних сполук

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24722

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

2.6.1 Міжмолекулярні сили

В органічній хімії дуже важливо розуміння фізичних властивостей органічних сполук, наприклад, температури кипіння (b.p.), молекулярної полярності та розчинності. Він надає нам корисну інформацію про справу з речовиною належним чином. Ці фізичні властивості, по суті, визначаються задіяними міжмолекулярними силами. Міжмолекулярні сили - це сила привабливості між молекулами, яка утримує молекули разом; це електрична сила в природі. Ми зупинимося на трьох типах міжмолекулярних сил: сили дисперсії, дипольно-дипольні сили і водневі зв'язки.

Дисперсійні сили

Дисперсійні сили (також звані Лондонськими силами) є результатом миттєвого диполя та індукованого диполя молекул. Для неполярних молекул постійне зсув і спотворення електронної щільності призводить до слабкого короткоживучого диполя в даний момент, який називається миттєвим диполем. Такі тимчасові диполі спонукають електрони в сусідній молекулі спотворюватися, а також розвивати відповідний власний перехідний диполь, який є індукованим диполем. В кінці всі неполярні молекули притягуються разом за допомогою двох типів тимчасових диполів, як показано на рис. 2.6а. Сила дисперсії слабка за своєю природою і є найслабшою міжмолекулярною силою. Однак, оскільки він застосовується до всіх типів молекул (це єдина міжмолекулярна сила для неполярних молекул), сили дисперсії також є найбільш фундаментальною міжмолекулярною силою.

Миттєвий і індукований диполь має g+і g- сторону на відміну від неполярної молекули — Малюнок 2.6a Миттєвий диполь та індукований диполь

Величина сил розсіювання залежить від двох факторів:

Відносна поляризуваність електронів. Просте розуміння поляризуемости полягає в тому, наскільки легко електрони спотворюються. Для більших атомів більше електронів у більшому просторі, тому електрони більш вільно утримуються і легше поляризуються, тому сила дисперсії сильніша. Як правило, чим більше молярна маса молекули, тим сильніше сила дисперсії.
Відносна площа поверхні молекули. Молекули з довшою, плоскою або циліндричною формою мають більшу площу поверхні порівняно з об'ємними, розгалуженими молекулами, і тому мають більш сильну силу дисперсії. Беручи для прикладу два конституційні ізомери C ₄ H ₁₀ (розділ 2.1.2), бутан та ізобутан, сила дисперсії бутану сильніша, ніж сила ізобутану.

лінійна форма, більша площа поверхні, сильніша сила дисперсії. Громіздка форма, менша площа поверхні, слабша сила дисперсії — Малюнок 2.6b Вплив форми та площі поверхні на силу дисперсії

Диполь-дипольна сила

Для полярних молекул молекули притягуються один до одного через постійного диполя, і цей тип сили притягання називається дипольно-дипольної силою. Як показано нижче на карті електростатичного потенціалу ацетону, один кінець ацетону має частковий негативний заряд (червоний), а інший - частковий позитивний заряд (синій). Диполь-дипольна сила - це сила тяжіння між позитивним кінцем однієї молекули і негативним кінцем сусідньої молекули.

Малюнок 2.6c Карта електростатичного потенціалу ацетону

водневі зв'язки

Перш за все, не дозволяйте імені ввести вас в оману! Хоча його називають «зв'язком», водневий зв'язок не є ковалентним зв'язком, це тип міжмолекулярної сили. Водневий зв'язок - це сила між атомом H, який пов'язаний з O, N або F (атоми з високою електронегативністю) і сусіднім електронегативним атомом,. Це може бути показано в загальному вигляді як:

Х—Х, Х: П, О, Ф — Малюнок 2.6d Водневий зв'язок

Найбільш поширеним прикладом водневого зв'язку є молекули води. Вода має дві O-H зв'язки, і обидва доступні як донори водневих зв'язків для сусідніх молекул. Це пояснює надзвичайно високий рівень б.п. води (100° C), враховуючи досить малу молярну масу 18,0 г/моль. Для порівняння, молекула метану СН ₄ з аналогічним розміром має b.p. -167,7 °С.

Молекули H2O, з'єднані між собою у формі шестикутника — Малюнок 2.6e Спрощена діаграма водневих зв'язків між молекулами води

Для органічних сполук важливу роль відіграють водневі зв'язки при визначенні властивостей з'єднань з OH або NH зв'язками, наприклад спирту (R-OH), карбонової кислоти (R-COOH), аміну (R-NH ₂) і аміду RCONH ₂.

Три основні типи міжмолекулярних сил узагальнені та порівнюються в таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 Короткий опис трьох основних міжмолекулярних сил

Полярні проти неполярних молекул

Як зазначено в таблиці 2.6, природа молекулярної полярності визначає типи сили (ів), що застосовуються до певної речовини. Тож тут ми будемо обговорювати, як визначити, чи є молекула полярною чи неполярною.

Полярність з'єднання можна визначити за його формулою і формою.

Для двоатомних молекул молекулярна полярність така ж, як і полярність зв'язку. Це означає, що всі гомоядерні молекули, такі як H ₂_{, N 2}, O ₂, F ₂, є неполярними через їх неполярний зв'язок, тоді як всі гетероядерні молекули, такі як HF, HCl, є полярними.

Для багатоатомних молекул молекулярна полярність залежить від форми (див. VSEPR у розділі 1.5) молекули також. Давайте подивимося приклади Н ₂ О і СО ₂.

Н2О має форму вигину (полярну), а СО2 має лінійну форму (неполярну) — Малюнок 2.6f Полярний і неполярний

І Н ₂ О, і СО ₂ мають дві полярні зв'язки. H ₂ O знаходиться у зігнутій формі, тому полярності зв'язку двох O-H зв'язків складаються, щоб надати молекулярну полярність цілої молекули (показано вище), тому H ₂ O - полярна молекула. З іншого боку, форма CO ₂ є лінійною, а полярності зв'язків двох зв'язків C = O скасовуються, тому вся молекула CO ₂ неполярна.

Є й інші приклади неполярних молекул, де полярність зв'язку скасовується, такі як BF ₃, cCl ₄, PCL ₅, xEO ₄ тощо.

Для органічних сполук вуглеводні (C _x H _y) завжди неполярні. В основному це пов'язано з невеликою різницею електронегативності між атомами вуглецю та атомами водню, що робить C-H зв'язки технічно неполярними зв'язками.

Для інших органічних сполук, які містять функціональні групи з гетероатомами, як R-O-R, C=O, OH, NH, всі вони є полярними молекулами.

Діаграма тут (рис. 2.6g) дає підсумок всіх дискусій щодо молекулярних полярностей.

Неполярні включають гомоядерні двоатомні, багатоатомні та вуглеводні, і полярні є гомоядерними двоатомними, багатоатомними та органічними — Малюнок 2.6g Резюме молекулярних полярностей

Крім трьох типів міжмолекулярних сил, існує ще одна взаємодія, яка дуже важлива для розуміння фізичної властивості сполуки, яка є іон-дипольною силою.

Іонно-дипольна сила

Іонно-дипольна сила не класифікується як міжмолекулярна сила, однак це тип важливої нековалентної сили, яка відповідає за взаємодію між іонами та іншими полярними речовинами. Простий приклад - розчинення іонного твердого речовини, або солі, у воді. Коли кухонна сіль (NaCl) розчиняється у воді, взаємодії між іонами і молекулами води досить сильні, щоб подолати іонний зв'язок, який утримує іони в кристалічній решітці. В результаті катіони і аніони відокремлюються повністю, і кожен іон оточений скупченням молекул води. Це називається процесом сольватії. Сольватія відбувається через сильну іонно-дипольну силу. Багато солей, або іонних сполук, розчиняються у воді через таких взаємодій.

2.6.2 Фізичні властивості та міжмолекулярні сили

Розуміння міжмолекулярних сил допомагає нам зрозуміти і пояснити фізичні властивості речовин, оскільки саме міжмолекулярні сили враховують фізичні властивості, такі як фази, температури кипіння, температури плавлення, в'язкості тощо Для цілей органічної хімії ми зосередимося на кипінні точка (b.p.) і розчинність.

Температура кипіння (b.p):

Тенденція температури кипіння різних речовин безпосередньо корелює із сумарними міжмолекулярними силами. Взагалі кажучи, чим сильніше загальна міжмолекулярна сила, прикладена до певної речовини, тим вище температура кипіння речовини. Температура кипіння - це температура, при якій рідка фаза речовини випаровується, перетворюючись на газ. Для того, щоб випаровувати рідину, необхідно подолати міжмолекулярні сили, які утримують молекули разом. Чим сильніше сили, тим більше енергії потрібно для подолання сил, і потрібна більш висока температура, що призводить тим самим до більш високої температури кипіння.

Приклад:

Всі три сполуки тут мають схожі молярні маси, тому сили розсіювання знаходяться на аналогічному рівні. Однак три сполуки мають різну молекулярну полярність. Бутан - неполярна речовина, яка має лише сили дисперсії, пропаналь - це полярна молекула з як силами дисперсії, так і з дипольно-дипольними силами, а пропанол - полярна молекула з OH-зв'язком, тому всі три типи сил застосовуються до. Тому загальна кількість міжмолекулярних сил найсильніше для пропанолу, а найслабше - для бутану, який знаходиться в тому ж порядку, що і їх кипіння.

Розчинність:

Загальне правило розчинності підсумовується виразом «like розчиняється як». Це означає, що одна речовина може розчинятися в іншому з подібною полярністю, і як наслідок, з аналогічними міжмолекулярними силами. Більш конкретно:

Неполярні речовини зазвичай розчинні в неполярних розчинниках.
Полярні та іонні речовини зазвичай розчинні в полярних розчинниках.
Полярні і неполярні речовини нерозчинні один одному.

Визначення полярності речовини вже було узагальнено в більш ранній частині цього розділу (рис.2.6г). Вода, метанол та етанол є прикладами дуже полярних розчинників, які можуть утворювати водневі зв'язки. Ефір, кетон, галогенід і ефіри також є полярними розчинниками, але не такими полярними, як вода або метанол. До неполярних розчинників відносяться вуглеводні, такі як гексан, бензол, толуол тощо.

Однак для деяких органічних сполук може бути не так просто назвати його полярним або неполярним, оскільки частина сполуки може бути полярною, а інша частина може бути неполярною. Це часто описується як гідрофільний або гідрофобний.

Гідрофобний (гідро, вода; фобний: боїться або уникати) означає, що він не любить воду, або не розчиняється у воді;
Гідрофільний (гідро, вода; фільний: люблячий або шукає) означає, що він любить воду, або розчинний у воді.

вуглеводневий гідрофобний (неполярний), а група СООН - гідрофільна (полярна) — Малюнок 2.6h Гідрофобні та гідрофільні

Вуглеводнева частина органічної сполуки гідрофобна, оскільки вона неполярна і тому d не розчиняється в полярній воді. Функціональна група OH, COOH, NH ₂ тощо є полярною і тому є гідрофільною. З гідрофобними і гідрофільними частинами, присутніми в органічній сполуці, загальна полярність залежить від того, яка частина є основною. Якщо вуглецевий ланцюг короткий (1 ~ 3 вуглецю), гідрофільний ефект полярної групи є основним, тому вся сполука розчинна у воді; з вуглецевими ланцюгами 4 ~ 5 вуглецю гідрофобний ефект починає долати гідрофільний ефект, і розчинність у воді втрачається.

Відмінності розчинності різних спиртів наочно демонструють цю тенденцію; зі збільшенням довжини вуглецевого ланцюга розчинність спирту у воді різко зменшується (табл. 2.7):

Алкоголь	Розчинність у воді (г/100 мл)
метанол, етанол, пропанол (СН ₃ ОН, СН ₃ СН ₂ ОН, СН ₃ СН ₂ СН ₂ ОН)	змішаний (Розчинити у всіх пропорціях)
1-бутанол (СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₂ ОН)	9
1-пентанол (СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ ОН)	2.7
1-октанол (СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ ОН)	0,06

Таблиця 2.7 Розчинність різних спиртів у воді

Для органічних сполук, які є нерозчинними у воді, вони іноді можуть бути перетворені в «похідне солі» за допомогою належної реакції, і, таким чином, можуть стати водорозчинними. Цей метод зазвичай використовується в лабораторіях для поділу органічних сполук.

Приклад:

Бензойна кислота не розчиняється у воді, тоді як бензойна сіль розчинна у воді. — Малюнок 2.6i Перетворення нерозчинної органічної сполуки в розчинну похідну солі

Застосування кислотно-лужних реакцій - найпоширеніший спосіб досягнення таких цілей. Як показано в наведеному вище прикладі, додаючи в бензойну кислоту сильну основу, відбувається кислотно-лужна реакція і бензойна кислота перетворюється в її сіль, бензоат натрію, який є водорозчинним (через іонно-дипольної сили, як ми дізналися раніше). Таким чином, бензойна кислота може бути введена у водну (водну) фазу і відокремлена від інших органічних сполук, які не мають подібних властивостей.