Jak zmieniają się właściwości fizyczne w szeregach homologicznych ?

1. Temperatura topnienia i wrzenia

Poznaliśmy już homologi wraz z szeregami, które tworzą. Okazuje się, że wśród takich szeregów homologicznych panują łatwe do przewidzenia trendy we właściwościach fizycznych, które dziś omówimy.

Zaczynamy od temperatury wrzenia (Twrz) i topnienia (Ttop). Są to parametry bezpośrednio powiązane z ilością ciepła, jaką musimy dostarczyć, aby spowodować wrzenie czy topnienie. Inaczej mówiąc, aby rozerwać wiązania międzycząsteczkowe (link), które trzymają cząsteczki w kupie (ciało stałe lub ciecz). 

Logiczne zatem, że im więcej takich oddziaływań występuje, tym więcej musimy ich przełamać, co przekłada się na to, że Twrz oraz Ttop będą rosły. Jak wiemy z postu o oddziaływaniach międzycząsteczkowych z reguły tendencja jest taka, że im większa masa molowa, tym więcej oddziaływań : ↑ Twrz oraz ↑ Ttop .

Zatem kiedy będziemy się przesuwać w szeregu homologicznym ,,w prawo” (czyli dodając kolejne to jednostki CH2) to spodziewamy się coraz wyższych temperatur wrzenia/topnienia. I faktycznie tak jest, co klasycznie możemy zaobserwować dla węglowodorów, np. alkanów.

Wykres zależności temperatury wrzenia od ilości atomów węgla w cząsteczce (czyli także masy molowej). Źródło.

Sprawdźmy czy ta zależność będzie także działać dla innych grup związków organicznych. W tabeli zebrałem kilka wartości temperatur topnienia (Ttop) i wrzenia (Twrz) dla pierwszych kilku alkoholi :

ZwiązekCH3OHCH3CH2OHCH3CH2CH2OHCH3CH2CH2CH2OH
Twrz65 ℃78 ℃97 ℃118 ℃
Ttop− 98 ℃− 114 ℃− 126 ℃− 90 ℃
Wartości temperatur topnienia i wrzenia dla pierwszych kilku alkoholi z szeregu homologicznego.

W przypadku temperatury wrzenia wszystko jest w porządku, znacznie gorzej jest z temperaturą topnienia. W rzeczywistości problem jest taki, że generalnie zmiany Ttop wcale nie są cechą charakterystyczną dla homologów[1]. Nawet w przypadku alkanów trzy pierwsze węglowodory są anomalią, dopiero potem obserwujemy trend, którego moglibyśmy się spodziewać (im dalszy homolog tym większa temperatura topnienia).

Na maturze generalnie ogólna zależność jest taka, że każdy kolejny homolog będzie miał większą temperaturę topnienia i wrzenia.

Uczymy się do matury.

2. Rozpuszczalność w wodzie

Każda jednostka CH2 , którą dodajemy do związku tworząc następne homologi, jest niepolarna. W takim razie im więcej takich jednostek, tym mniej polarny (bardziej niepolarny) robi się nasz związek. Jako, że woda jest polarna to spodziewamy się, że rozpuszczalność będzie się pogarszać, wraz z każdym następnym homologiem (,,polarne rozpuszcza się w polarnym”).

3. Wpływ rozgałęzienia łańcucha

Była już o tym mowa wcześniej, ale oprócz samej ilości atomów węgla i wodoru (a więc de facto jednostek −CH2) liczy się też to, w jaki sposób cząsteczka jest w ogóle złożona.

Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie neoptan-i-pentan-wzory-polstrukturalne-1.jpg
Dwa związki o dokładnie takiej samej masie molowej, ale innych temperaturach wrzenia.

Przedstawimy to nieco bardziej schematycznie, tłumacząc jednocześnie różnicę w temperaturach wrzenia.

Im większa powierzchnia na jakiej mogą oddziaływać na siebie dwie cząsteczki, tym więcej wiązań międzycząsteczkowych może się wytworzyć, co wpływa między innymi na temperaturę wrzenia.

[1] Niestety, ale jednak przewidywanie temperatury topnienia cząsteczek jest znacznie trudniejsze niż w przypadku temperatury wrzenia. Ciała stałe wykazują się większą sztywnością, atomy są znacznie bardziej osadzone w jednym miejscu (ufiksowane), a więc potrzebujemy dodatkowej energii, aby to przełamać. A wśród samych już ciał stałych nawet mamy rozbieżności, niektóre są bardziej sztywne niż inne. 

Leave a Reply

%d bloggers like this: