جدول درجات الغليان للمركبات العضوية وانصهارها

الخصائص الفيزيائية للمركبات

عندما نواجه مركبًا جديدًا، فإن أول ما نلاحظه هو ما إذا كان صلبًا أم سائلًا أم غازيا، حيث أن ؛

• ذوبان المركب عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت) عادة ما يكون صلبًا ولكنه سيصبح سائلاً في يوم صيفي حار.
• معظم المركبات ذات الألوان العميقة هي مواد صلبة بلورية، لكن السوائل الملونة ليست شائعة.
• معظم الغازات عديمة اللون، مع استثناءات قليلة مثل الكلور (أصفر-أخضر).

هذه الخصائص تسمى الخصائص الفيزيائية لأنه لا يلزم تغيير كيميائي لملاحظتها.

القوى بين الجزيئات

الجزيء هو أصغر مجموعة يمكن ملاحظتها من الذرات المترابطة بشكل فريد والتي تمثل تكوين وخصائص مركب نقي، نظرًا لأن جميع العينات التي يمكن ملاحظتها من المركبات والمخاليط تحتوي على عدد كبير جدًا من الجزيئات ( حوالي 0 20 )، العديد من الخصائص الفيزيائية للمركبات المستخدمة لتحديدها (مثل نقاط الغليان ونقاط الانصهار وقابلية الذوبان) ترجع إلى التفاعلات بين الجزيئات.

جميع الذرات والجزيئات لها جاذبية ضعيفة لبعضها البعض، والمعروفة باسم جاذبية فان دير فال ، ويعود أصل هذه القوة الجاذبة إلى الجذب الإلكتروستاتيكي لإلكترونات جزيء أو ذرة لنواة أخرى.

إذا لم تكن هناك قوى فان دير فال، لكانت كل المادة موجودة في حالة غازية، كما أن هناك أيضًا قوى تنافر أصغر بين الجزيئات تزداد بسرعة على مسافات صغيرة جدًا بين الجزيئات.

نقاط غليان المركبات

درجة الحرارة تعتبر مقياسًا للطاقة الحركية لجميع الذرات والجزيئات في نظام معين ، والعديد من المركبات توجد بشكل طبيعي في صورة سوائل ومواد صلبة؛ وأنه حتى الغازات منخفضة الكثافة، مثل الهيدروجين والهيليوم، يمكن تسييلها عند درجة حرارة منخفضة وضغط عالٍ بدرجة كافية.

يوضح الجدول التالي بعض العوامل التي تؤثر على قوة عوامل الجذب بين الجزيئات :

صيغة كل إدخال تكون متبوعة بوزن معادلته بين قوسين ونقطة الغليان بالدرجات المئوية ، وتحتوي الجزيئات الكبيرة على عدد أكبر من الإلكترونات والنوى التي تخلق قوى جذب فان دير فال، لذلك عادةً ما تحتوي مركباتها على نقاط غليان أعلى من مثيلاتها مركبات تتكون من جزيئات أصغر، ومن المهم جدًا تطبيق هذه القاعدة على المركبات المتشابهة فقط.

يتكون الصف العلوي من جزيئات كروية تقريبًا، بينما تحتوي الأيزومرات الموجودة في الصف السفلي على جزيئات أسطوانية أو خطية الشكل. تكون القوى الجاذبة بين المجموعة الأخيرة أكبر بشكل عام.

ينتج عن ثنائيات الأقطاب الجزيئية الدائمة الناتجة عن الروابط التساهمية القطبية قوى جذب أكبر بين الجزيئات، بشرط أن يكون لديهم القدرة على الحركة للاصطفاف في الاتجاهات المناسبة.

تقارن المدخلات الأخيرة في الجدول الهيدروكربونات غير القطبية بمركبات متساوية الحجم لها روابط قطبية بالأكسجين والنيتروجين.

تشكل الهالوجينات أيضًا روابط قطبية للكربون، ولكنها تزيد أيضًا من الكتلة الجزيئية، مما يجعل من الصعب التمييز بين هذه العوامل.

جدول درجات غليان وانصهار المركبات العضوية

لا يمكن تصنيف نقاط انصهار المواد الصلبة البلورية بطريقة بسيطة مثل نقاط الغليان ، فالمسافة بين الجزيئات في الشبكة البلورية صغيرة ومنتظمة، مع وجود قوى بين الجزيئات تعمل على تقييد حركة الجزيئات بشكل أكثر شدة مما كانت عليه في الحالة السائلة.

الحجم الجزيئي مهم، لكن الشكل مهم أيضًا، لأن الجزيئات الفردية تحتاج إلى التوافق معًا بشكل تعاوني حتى تكون قوى الشبكة الجذابة كبيرة ، وتحتوي الجزيئات ذات الشكل الكروي عمومًا على نقاط انصهار عالية نسبيًا، والتي تقترب في بعض الحالات من نقطة الغليان.

هذا يعكس حقيقة أن الكرات يمكن أن تتجمع معًا بشكل أقرب من الأشكال الأخرى، وتعد حساسية البنية أو الشكل أحد أسباب استخدام نقاط الانصهار على نطاق واسع لتحديد مركبات معينة.

إن نقاط غليان الألكانات غير المتفرعة (البنتان عبر الديكان) تزداد بسلاسة مع الوزن الجزيئي، لكن نقاط الانصهار في سلاسل الكربون الزوجي تزيد أكثر من تلك الموجودة في سلاسل الكربون الفردي.

وتتراكم السلاسل ذات الأعضاء المتساوية معًا بطريقة موحدة بشكل أكثر إحكاما من السلاسل الفردية ، فالمركب الأخير، أيزومر الأوكتان، كروي تقريبًا وله نقطة انصهار عالية بشكل استثنائي (6 درجات فقط تحت نقطة الغليان.

ارتباط الهيدروجين بالمركبات العضوية

أقوى قوة بين الجزيئات تؤثر على الجزيئات المحايدة (غير المشحونة) هي رابطة الهيدروجين .

إذا قارنا نقاط غليان CH 4 الميثان 161 درجة مئوية، والأمونيا NH 33 – 3 درجة مئوية، والماء H 2 O-  100درجة مئوية وفلوريد الهيدروجينHF  – 19 درجة مئوية، فإننا نرى تباينًا أكبر لهذه الجزيئات ذات الحجم المماثل مما هو متوقع من بيانات المركبات القطبية.

تُظهر معظم الهيدرات البسيطة لعناصر المجموعة IV و V و VI و VII الارتفاع المتوقع في نقطة الغليان مع الكتلة الجزيئية، لكن هيدرات العناصر الأكثر كهرسلبية (النيتروجين والأكسجين والفلور) لها نقاط غليان عالية بشكل غير طبيعي لكتلتها.

تسمى عوامل الجذب ثنائية القطب القوية بشكل استثنائي التي تسبب هذا السلوك برابطة الهيدروجين ، ويشكل الهيدروجين روابط تساهمية قطبية لمزيد من الذرات الكهربية مثل الأكسجين، ولأن ذرة الهيدروجين صغيرة جدًا، يمكن للنهاية الإيجابية للرابطة ثنائية القطب (الهيدروجين) أن تقترب من المواقع الأساسية أو المحبة للنواة المجاورة بشكل أقرب من الروابط القطبية الأخرى.

تتناسب قوى كولومبك عكسًا مع القوة السادسة للمسافة بين ثنائيات الأقطاب، مما يجعل هذه التفاعلات قوية نسبيًا، على الرغم من أنها لا تزال ضعيفة ( ca. من 4 إلى 5 سعرات حرارية لكل مول) مقارنة بمعظم الروابط التساهمية ، وتعود الخصائص الفريدة للماء إلى حد كبير إلى الترابط الهيدروجيني القوي الذي يحدث بين جزيئاته.

في الرسم البياني التالي، تم تصوير الروابط الهيدروجينية كخطوط أرجوانية متقطعة.

يُطلق على الجزيء الذي يوفر هيدروجينًا قطبيًا لرابطة هيدروجينية اسم مانح ، ويُطلق على الجزيء الذي يوفر الموقع الغني بالإلكترون الذي ينجذب إليه الهيدروجين اسم المستقبل .

قد يعمل الماء والكحول كمانحين ومستقبلين، في حين أن الإيثرات والألدهيدات والكيتونات والإسترات يمكن أن تعمل فقط كمستقبلات. وبالمثل، فإن الأمينات الأولية والثانوية عبارة عن مانحين ومستقبلين، لكن الأمينات من الدرجة الثالثة تعمل فقط كمستقبلات.

بمجرد أن تكون قادرًا على التعرف على المركبات التي يمكن أن تظهر ارتباطًا هيدروجينًا بين الجزيئات، فإن نقاط الغليان العالية نسبيًا التي تظهرها تصبح مفهومة ، وتعمل البيانات الواردة في الجدول التالي على توضيح هذه النقطة :

نلاحظ أن

درجة غليان الكحول

“إيثانول” عند 78 درجة مئوية، تغلي الكحوليات بدرجة أكبر بكثير من الإيثرات ذات الحجم المماثل (أول مدخلين) ، ويظهر أيزومري 1º و 2º و 3º-amines ، على التوالي ، نقاط غليان متناقصة ، مع غليان أيزومرين رابطة الهيدروجين أعلى بكثير من 3º-أمينز (المدخلات 5 إلى 7).

أيضًا ، O – H – O روابط الهيدروجين أقوى بشكل واضح من الروابط الهيدروجينية N – H – N، كما نرى من خلال مقارنة البروبانول بالأمينات ، كما أن وجود وظيفتي ارتباط هيدروجين في مركب يرفع درجة الغليان أكثر.

تعتبر الأنواع القاتمة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة رابطتين هيدروجينيتين مكونًا رئيسيًا للحالة السائلة ، فإذا كان هذا تمثيلًا دقيقًا لتكوين هذا المركب، فإننا نتوقع أن تكون نقطة غليانه مكافئة لتلك الخاصة بمركب C 4 H 8 O 4 (وزن الصيغة = 120).

وهناك تقريب مناسب لمثل هذا المركب في رباعي ميثوكسي ميثان (CH 3 O) 4C، وهي في الواقع أكبر قليلاً (وزن الصيغة = 136) ودرجة غليانها 114 درجة مئوية وهكذا، يبدو أن الهيكل المرتبط بالهيدروجين ثنائي الأبعاد يمثل تمثيلًا جيدًا لحمض الأسيتيك في الحالة المكثفة.

على الرغم من أن رابطة الهيدروجين ضعيفة نسبيًا ( حوالي 4 إلى 5 كيلو كالوري لكل مول)، عند وجود العديد من هذه الروابط، يمكن أن يكون الهيكل الناتج قويًا جدًا ، وتمنح الروابط الهيدروجينية بين ألياف السليلوز قوة كبيرة للخشب والمواد ذات الصلة.

نقاط انصهار المركبات العضوية

تحتوي معظم المركبات العضوية على نقاط انصهار أقل من 200 درجة مئوية ، يتحلل بعضها قبل الذوبان، لكن الغالبية تخضع للذوبان والتبلور المتكرر دون أي تغيير في التركيب الجزيئي.

عندما يتم تسخين مركب بلوري نقي، أو تبريد سائل، يكون التغيير في درجة حرارة العينة مع الوقت منتظمًا تقريبًا ومع ذلك، إذا انصهرت المادة الصلبة، أو تجمد السائل، يحدث انقطاع وتبقى درجة حرارة العينة ثابتة حتى اكتمال تغيير الطور.

كما في الصورة، يمثل الجزء الأخضر المرحلة الصلبة، والأزرق الفاتح السائل، والأحمر يمثل توازن السائل / الصلب غير المتغير في درجة الحرارة :

بالنسبة لمركب معين، تمثل درجة الحرارة هذه نقطة الانصهار (أو نقطة التجمد)، وهي ثابتة قابلة للتكرار طالما أن الضغط الخارجي لا يتغير. يعتمد طول الجزء الأفقي على حجم العينة، حيث يجب إضافة (أو إزالة) كمية الحرارة المتناسبة مع حرارة الانصهار قبل اكتمال تغيير الطور.

نقطة تجمد المذيب تنخفض بواسطة مادة مذابة، على سبيل المثال محلول ملحي مقارنة بالماء ، فإذا تم خلط مركبين بلوريين (A & B) جيدًا، فإن نقطة الانصهار لهذا الخليط عادة ما تنخفض وتتسع، بالنسبة إلى نقطة الانصهار الحادة المميزة لكل مكون نقي.

يوفر هذا وسيلة مفيدة لتحديد هوية أو عدم هوية مركبين أو أكثر، حيث يتم توثيق نقاط انصهار العديد من المركبات العضوية الصلبة واستخدامها بشكل شائع كاختبار للنقاء.

ويوضح مخطط الطور الموجود على اليمين سلوك نقطة الانصهار للمخاليط التي تتراوح من النقي A على اليسار إلى B النقي على اليمين :

كمية صغيرة من المركب B في عينة من المركب A تقلل (وتوسع) نقطة انصهارها؛ وينطبق الشيء نفسه على عينة B تحتوي على العنوان A. وتسمى أقل نقطة انصهار للمزيج، e نقطة الانصهار.

على سبيل المثال، إذا كان A هو حمض سيناميك، و mp 137 C ، و B هو حمض البنزويك، mp 122 درجة مئوية، فإن نقطة الانصهار هي 82 درجة مئوية ، وتحت درجة حرارة الخط المتساوي، يكون الخليط صلبًا بالكامل، ويتكون من تكتل من الصلب A والصلب B.

فوق درجة الحرارة هذه يكون الخليط إما سائلًا أو خليطًا صلبًا سائلًا، ويختلف تركيبه ، ففي بعض الحالات النادرة للمركبات غير القطبية ذات الحجم والبنية البلورية المتشابهة، يتم تكوين محلول صلب حقيقي لواحد في الآخر، بدلاً من تكتل ، ويحدث الذوبان أو التجميد على نطاق واسع من درجات الحرارة ولا توجد نقطة سهلة الانصهار.