Bedste svar
Tetrachlormethan (CCl4) består af ikke-polær molekyler, der interagerer via dispersionskræfter, mens trichlormethan (CHCl3) består af polære molekyler, der interagerer via permanente dipol-permanente dipol-interaktioner (pd-pd).
For at svare dette spørgsmål ganske enkelt, CCl4 har et højere kogepunkt end CHCl3, fordi dispersionskræfter i CCl4 er omfattende nok til at være stærkere end pd-pd-interaktioner i CHCl3.
Nu ved jeg, at lærebøger altid siger, at den generelle tommelfingerregel er, at pd-pd-interaktioner er stærkere end dispersionskræfter. Der er dog mange undtagelser fra denne tommelfingerregel, og dette skyldes de forskellige andre faktorer, der påvirker den samlede styrke af intermolekylære kræfter.
Nogle af de faktorer, der påvirker den samlede styrke af intermolekylære kræfter er anført nedenfor:
- Styrken af hver intermolekylær interaktion (dvs. hvad lærebøger siger om en hydrogenbinding> en pd-pd interaktion> en spredningskraft)
- Intermolekylære interaktioner (forestil dig intermolekylære interaktioner som “bindinger” mellem molekyler, hvor mange af sådanne “bindinger” der kan dannes mellem to molekyler. Jeg vil uddybe dette nedenfor)
- Termodynamiske ændringer såsom entropi (forklaret detaljeret i nogle af de andre svar)
- Etc
Sammenligning af CCl4 og CHCl3, CCl4 har en pænere / mere symmetrisk form. Derfor kan vi forvente, at pakningen bliver mere kompakt. Dette ville betyde, at der i en prøve af CCl4 uden tvivl ville være et større overfladeareal for kontakt mellem to molekyler af CCl4. Et større kontaktflade ville derefter muliggøre dannelse af mere omfattende intermolekylære interaktioner.
Så i CCl4, selvom styrken af hver intermolekylær interaktion er svagere sammenlignet med CHCl3, er omfanget af intermolekylær interaktion i CCl4 langt overstiger det i CHCl3, således at den samlede styrke af intermolekylære interaktioner i CCl4 er stærkere end den i CHCl3.
For at sætte denne forklaring i perspektiv vises en beregning ved hjælp af vilkårlige værdier nedenfor:
Styrke af en dispersionskraft = 4 Styrke af en pd-pd-interaktion = 7 [Fordi pd-pd-interaktion er stærkere end dispersionskraft]
Maks. ingen. af intermolekylære “bindinger” mellem to molekyler CCl4 = 50 Maks. ingen. af intermolekylære “bindinger” mellem to molekyler af CHCl3 = 25 [Fordi CCl4 kan pakkes mere kompakt]
Samlet styrke af intermolekylære “bindinger” mellem to molekyler af CCl4 = 50×4 = 200 Samlet styrke af intermolekylære “bindinger ”Mellem to molekyler CHCl3 = 25×7 = 175
Håber dette forklarer tingene tydeligt.
Svar
Væskens kogepunkt kan være den temperatur, ved hvilken temperaturen holder op med at stige, og der vises bobler, men for en videnskabsmand skal det betyde noget mere. Det er det punkt, hvor to modsatrettede tendenser når et balancepunkt, det skal anerkendes som en ligevægt. Hvis du anvender din viden om termodynamik, skal du vide, at dG = dH – TdS = 0 eller det punkt, hvor entalpiændring balancerer entropiændring. dH = T dS. Med andre ord T = dH / dS. Så hvis carbontetrachlorid har et højere kogepunkt, så er der to mulige forklaringer, den ene er en entalpieffekt, der peger på en mulig væskefasesamhørighed i carbontetrachlorid, men vi må ikke forsømme den anden, og den anden er en entropieffekt.
Carbon Tetrachloride har et større effektivt volumen, hvilket øger Van der Waals-kontakten, det er sandt, men dipolkræfter og hydrogenbindinger er typisk meget stærkere i et molekyle som chloroform, hvilket motiverede dit spørgsmål. Så vi er nødt til at se nærmere på entropien. Hvad der hæver et kogepunkt er ikke kun bindingsenergierne, det er entropispil, og termodynamisk entropi svarer til “Termisk Sandsynlighed “.
Generelt medfører tungere atomer, at energiniveauerne placeres tættere sammen, hvilket sænker entropien. Translationsformer, som er de største bidragydere til entropien af gasser i CCl4, er tættere placeret end i CHCl3. Enkelt sagt betyder dette, at den termiske sandsynlighed for mere energiske molekyler sænkes for carbontetrachlorid.
(Der er en lille entropifordel ved CHCl3 også fordi det giver en større volumenforøgelse, men det er kun meget lille, og det modvirkes af noget PV-arbejde, som vi alligevel ignorerer. Det andet volumen effekt er den midlertidige dipoleffekt, men det er usandsynligt, at det er vigtigt i sammenligning med entropieffekten af molekylvægt.)
Vi kan sammenligne homologer til kogepunkter: CHCl3: 61,2 CCl4: 76,3 CHBr3: 149,1 CBr4 : 189.5
Jeg lavede en hurtig beregning ved at dividere disse BPer i kelvin med kvadratrødderne af molekylvægte, og jeg fik:
FW justeret BP CHCl3: 30,598 CCl4: 21,978 CHBr3: 34,048 CBr4 : 24.403
og da jeg udarbejdede forskellene rækkevis (~ 8.63) eller kolonnemæssigt (~ 3.43) fik jeg fremragende aftaler, som jeg syntes var ret imponerende 🙂 Hvad jeg har gjort er at skalere afstandene mellem energiniveauer, for at udjævne spillereglerne, og så kan du se den direkte forbindelse mellem entropi og energiniveauafstand. (antal stater og degenerater påvirker også sandsynligheden for besættelse generelt, men de figurerer ikke her).
Hvis vi bruger de faktiske latente opvarmninger ved kogning, snarere end standardværdierne, kan vi beregne en entropi for ligevægten selv: CHCl3: 29,240 / 334 = 87,5 CCl4: 29,820 / 349 = 85,4 og de er ret tætte som du kan se, fordi temperaturen har kompenseret for de forskellige mellemrum i energiniveauerne, og dette viser også at de sammenhængende energier ikke bestemmer faseforandringstemperaturforskelle .:
(“Orden og uorden” er kun en grov sammenhæng med entropi. Termisk sandsynlighed er en bedre sætning, den vedrører direkte sandsynlighedsniveauer på energiniveau, som direkte vedrører afstanden mellem dem, fordi dette påvirker Boltzmann-fordelingsstatistikkerne, der bestemmer ændringsretningen . Den anden lov om termisk sandsynlighed driver systemer mod mere energi stater, bredere afstand, mindre degenerering. Denne generelle stigning i grader af dynamisk frihed svarer til en følelse af orden. Sandsynlighed er et relativt udtryk. Biologi er en sandsynlighed for anden ordens hvor energistrømmen oprettes ved første ordens flow. Så Darwinistiske processer fungerer i et omvendt sandsynlighedsrum, hvor entropisænkning er gunstig for dynamisk vedligeholdte ikke-ligevægtsfænomener . )