Beste antwoord
Tetrachloormethaan (CCl4) bestaat uit niet-polair moleculen die interageren via dispersiekrachten, terwijl trichloormethaan (CHCl3) bestaat uit polaire moleculen die interageren via permanente dipool-permanente dipool (pd-pd) interacties.
Om te beantwoorden deze vraag is eenvoudig: CCl4 heeft een hoger kookpunt dan CHCl3 omdat de dispersiekrachten in CCl4 uitgebreid genoeg zijn om sterker te zijn dan pd-pd-interacties in CHCl3.
Nu, ik weet dat schoolboeken dat altijd zeggen de algemene vuistregel is dat pd-pd-interacties sterker zijn dan dispersiekrachten. Er zijn echter veel uitzonderingen op deze vuistregel, en dit komt door de verschillende andere factoren die de algehele sterkte van intermoleculaire krachten beïnvloeden.
Enkele factoren die de algehele sterkte van intermoleculaire krachten worden hieronder opgesomd:
- Sterkte van elke intermoleculaire interactie (dat wil zeggen wat leerboeken zeggen over één waterstofbrug> één pd-pd interactie> één verspreidingskracht)
- Uitgebreide intermoleculaire interacties (stel je intermoleculaire interacties voor als bindingen tussen moleculen, hoeveel van dergelijke bindingen kunnen worden gevormd tussen twee moleculen. Ik zal dit hieronder toelichten)
- Thermodynamische veranderingen zoals entropie (gedetailleerd uitgelegd in enkele van de andere antwoorden)
- Enz.
Door CCl4 en CHCl3 te vergelijken, heeft CCl4 een mooiere / meer symmetrische vorm. Daarom kunnen we verwachten dat de verpakking compacter is. Dit zou betekenen dat er in een monster van CCl4 aantoonbaar een groter contactoppervlak zou zijn tussen twee moleculen van CCl4. Een groter contactoppervlak zou dan de vorming van uitgebreidere intermoleculaire interacties mogelijk maken.
Dus in CCl4, ook al is de sterkte van elke intermoleculaire interactie zwakker in vergelijking met CHCl3, is de omvang van intermoleculaire interactie in CCl4 overtreft die in CHCl3 ver, zodat de algehele sterkte van intermoleculaire interacties in CCl4 sterker is dan die in CHCl3.
Om deze uitleg in perspectief te plaatsen, wordt hieronder een berekening met willekeurige waarden weergegeven:
Sterkte van één dispersiekracht = 4 Sterkte van één pd-pd interactie = 7 [Omdat pd-pd-interactie sterker is dan dispersiekracht]
Max. Nee. van intermoleculaire “bindingen” tussen twee moleculen van CCl4 = 50 Max. Nee. van intermoleculaire “bindingen” tussen twee moleculen van CHCl3 = 25 [Omdat CCl4 compacter kan worden verpakt]
Totale sterkte van intermoleculaire “bindingen” tussen twee moleculen van CCl4 = 50×4 = 200 Totale sterkte van intermoleculaire “bindingen” ”Tussen twee moleculen CHCl3 = 25×7 = 175
Ik hoop dat dit de dingen duidelijk verklaart.
Antwoord
Het kookpunt van een vloeistof kan de temperatuur zijn waarbij de temperatuur stopt met stijgen en er verschijnen bellen, maar voor een wetenschapper zou het iets meer moeten betekenen. Het is het punt waarop twee tegengestelde neigingen een evenwichtspunt bereiken, het moet als een evenwicht worden erkend. Als u uw kennis van thermodynamica toepast, moet u weten dat dG = dH – TdS = 0 of het punt waarop de enthalpie-verandering de entropieverandering in evenwicht brengt. dH = T dS. Met andere woorden T = dH / dS. Dus als tetrachloorkoolstof een hoger kookpunt heeft, zijn er twee mogelijke verklaringen: het ene is een enthalpie-effect, dat wijst op een mogelijke vloeistoffase-cohesie in tetrachloorkoolstof, maar we mogen het andere niet verwaarlozen, en het andere is een entropie-effect.
Koolstoftetrachloride heeft een groter effectief volume, wat weliswaar het Van der Waals-contact zou vergroten, maar dipoolkrachten en waterstofbruggen zijn doorgaans veel sterker in een molecuul zoals chloroform, wat de aanleiding was voor uw vraag. Dus we moeten de entropie wat nauwkeuriger bekijken. Wat een kookpunt verhoogt, zijn niet alleen de bindende energieën, het is het entropiespel, en thermodynamische entropie is gelijk aan “Thermal Waarschijnlijkheid “.
Over het algemeen zorgen zwaardere atomen ervoor dat energieniveaus dichter bij elkaar komen te liggen, wat de entropie verlaagt. Translationele modi die de belangrijkste bijdrage leveren aan de entropie van gassen in CCl4, zijn dichter bij elkaar geplaatst dan in CHCl3. Eenvoudig gezegd betekent dit dat de thermische kans op meer energetische moleculen wordt verlaagd voor tetrachloorkoolstof.
(Er is een klein entropievoordeel aan CHCl3, ook omdat het een grotere volumewinst oplevert, maar dat is maar heel klein, en het wordt gecompenseerd door wat PV-werk dat we sowieso negeren. Het andere volume effect is het tijdelijke dipooleffect, maar dat is waarschijnlijk niet belangrijk in vergelijking met het entropie-effect van molecuulgewicht.)
We kunnen homologen voor kookpunten vergelijken: CHCl3: 61,2 CCl4: 76,3 CHBr3: 149,1 CBr4 : 189.5
Ik deed een snelle berekening door deze BPs in Kelvin te delen door de vierkantswortels van molecuulgewichten en ik kreeg:
FW aangepaste BP CHCl3: 30.598 CCl4: 21.978 CHBr3: 34.048 CBr4 : 24.403
en toen ik de verschillen op rij (~ 8.63) of kolomgewijs (~ 3.43) uitwerkte, kreeg ik uitstekende overeenkomsten, waarvan ik dacht dat ze behoorlijk indrukwekkend waren 🙂 Wat ik heb gedaan is opschalen de afstanden tussen energieniveaus, om het speelveld gelijk te maken, zodat je het directe verband kunt zien tussen entropie en energieniveau-afstanden. (het aantal toestanden en ontaardingen hebben ook invloed op de kans op bezetting in algemene termen, maar ze komen hier niet voor).
Als we de werkelijke latente warmte bij het koken gebruiken in plaats van de standaardwaarden, dan kunnen we bereken een entropie voor de evenwichten zelf: CHCl3: 29,240 / 334 = 87,5 CCl4: 29,820 / 349 = 85,4 en ze zijn redelijk dichtbij zoals je kunt zien, omdat de temperatuur de verschillende afstanden in de energieniveaus heeft gecompenseerd, en dit bewijst ook dat de cohesieve energieën de temperatuurverschillen in faseverandering niet bepalen .:
(“Orde en wanorde” is slechts een ruwe correlatie met entropie. Thermische waarschijnlijkheid is beter gezegd, het heeft rechtstreeks betrekking op energieniveau-probabilitieten, die rechtstreeks verband houden met de onderlinge afstand, omdat dit van invloed is op de Boltzmann-distributiestatistieken, die de richting van verandering bepalen . De tweede wet van thermische waarschijnlijkheid drijft systemen naar meer energie staten, grotere afstanden, minder degeneratie. Deze algemene toename van de graden van dynamische vrijheid komt overeen met een gevoel van orde. Waarschijnlijkheid is een relatieve term. Biologie is een waarschijnlijkheid van de tweede orde, waar energiefluxen worden opgezet door de eerste orde stroom. Darwinistische processen opereren dus in een omgekeerde waarschijnlijkheidsruimte, waar entropieverlaging gunstig is voor dynamisch gehandhaafde niet-evenwichtsverschijnselen . )