جدول درجات الغليان للمركبات العضوية وانصهارها

الخصائص الفيزيائية للمركبات

عند التعرف على مركب جديد، يتم التركيز في البداية على نوعه إذا كان صلبًا أم سائلًا أم غازيًا، لأن ذلك يعتبر مهمًا

• عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)، يكون هذا المركب عادةً في الحالة الصلبة، ولكنه يمكن أن يصبح سائلاً في الأيام الحارة الصيفية.
• تتميز معظم المركبات ذات الألوان العميقة بأنها صلبة بلورية، ولكن السوائل الملونة ليست شائعة.
• تكون معظم الغازات عديمة اللون، باستثناء قليل منها مثل الكلور الذي يكون أصفر-أخضر.

تسمى هذه الخصائص الفيزيائية لأنه لا يتطلب تغييرًا كيميائيًا 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.

تتميز جميع الذرات والجزيئات بجاذبية ضعيفة لبعضها البعض، والتي تعرف باسم جاذبية فان دير فال، وتعود أصل هذه القوة الجاذبة إلى الجذب الكهروستاتيكي بين الإلكترونات في جزيء أو ذرة ونواة أخرى.

في حالة عدم وجود قوى، فإن الجسيمات ستكون في حالة غازية، كما أن هناك قوى تنافر بين الجزيئات الصغيرة تزداد بسرعة على مسافات صغيرة جدًا بين الجزيئات.

نقاط غليان المركبات

مقياس حرارة النظام يعكس طاقة الحركة لكل ذرة وجزيء في النظام، وتظهر العديد من المركبات بشكل طبيعي على شكل سوائل أو صلبات، وحتى الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم يمكن تسييلها تحت ضغط عالٍ ودرجة حرارة منخفضة بما يكفي.

يوضح الجدول التالي بعض العوامل التي تؤثر على قوة جاذبية 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 ذات أشكال أسطوانية أو خطية، وتكون القوى الجاذبة بين هذه المجموعة أعلى بشكل عام.

تنتج الروابط التساهمية القطبية الثنائية بين الأقطاب الجزيئية الدائمة قوى جذب أكبر بين الجزيئات، شرط أن يكون لديها القدرة على الحركة للاصطفاف في الاتجاهات المناسبة.

يتم مقارنة المدخلات الأخيرة في جدول الهيدروكربونات غير القطبية مع المركبات ذات الحجم المتساوي التي تحتوي على روابط قطبية مثل الأوكسجين والنيتروجين.

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

جدول درجات غليان وانصهار المركبات العضوية

لا يمكنتصنيف نقاط انصهار المواد البلورية الصلبة بسهولة مثل نقاط الغليان، لأن المسافة بين الجزيئات في الشبكة البلورية صغيرة ومنتظمة، وتوجد قوى بين الجزيئات تعمل على تقييد حركتها بشكل أكثر شدة مما يحدث في الحالة السائلة.

إن الشكل الجزيئي مهم، بجانب الحجم الجزيئي، حيث تحتاج الجزيئات الفردية إلى التوافق التعاوني مع بعضها البعض حتى تتكون قوى الشبكة الجذابة الكبيرة، وتتمتع الجزيئات ذات الشكل الكروي عمومًا بنقطة انصهار عالية نسبيًا، والتي تقترب في بعض الحالات من نقطة الغليان.

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

تزداد نقاط الغليان للألكانات غير المتفرعة (مثل البنتان والهكسان) بسلاسة مع زيادة الوزن الجزيئي، أما نقاط الانصهار في السلاسل الكربونية ذات الأعداد الزوجية فتزيد أكثر من تلك الموجودة في السلاسل ذات الأعداد الفردية.

تتراكم السلاسل التي تحتوي على أعضاء متساوية معًا بشكل موحد أكثر إحكامًا من السلاسل الفردية، ويكوّن الأيزومر الأوكتان المركب النهائي كرة تقريبًا ويتميز بنقطة انصهار استثنائية عالية (6 درجات فقط تحت درجة الغليان).

ارتباط الهيدروجين بالمركبات العضوية

تؤثر رابطة الهيدروجين، التي تعتبر أقوى قوة بين الجزيئات، على الجزيئات المحايدة (غير المشحونة) .

في حال قارنا درجات غليان الميثان (CH4) وهي 161 درجة مئوية، والأمونيا (NH3) وهي 33 – 3 درجة مئوية، والماء (H2O) وهي 100 درجة مئوية، وفلوريد الهيدروجين (HF) وهو -19 درجة مئوية، نجد تباينا أكبر لهذه الجزيئات ذات الحجم المماثل بشكل أكبر مما هو متوقع من بيانات المركبات القطبية.

تُظهر معظم الهيدرات البسيطة لعناصر المجموعات الرابعة والخامسة والسادسة والسابعة ارتفاعًا متوقعًا في نقطة الغليان مع الكتلة الجزيئية، ولكن هيدرات العناصر الأكثر كهرسلبية (النيتروجين والأكسجين والفلور) تمتلك نقاط غليان عالية بشكل غير طبيعي مقارنة بكتلتها.

تسمى العوامل ثنائية القطب القوية بشكل استثنائي، وتسبب هذا السلوك بوجود رابطة هيدروجينية. يشكل الهيدروجين روابط تساهمية قطبية مع ذرات كهربية أخرى مثل الأكسجين. ونظرا لصغر حجم ذرة الهيدروجين، يمكن للطرف الإيجابي للرابطة الثنائية القطب (الهيدروجين) أن يقترب أكثر من المواقع الأساسية أو المحبة للنواة المجاورة بشكل أكبر 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.

تمثل الروابط الهيدروجينية في الرسم البياني التالي بخطوط أرجوانية متقطعة.

يُطلق على الجزيء الذي يحتوي على ذرة هيدروجين قطبية ويساهم في تكوين روابط هيدروجينية اسم “المانح”، ويُطلق على الجزيء الذي يحتوي على الموقع الغني بالإلكترون والذي يتفاعل مع الهيدروجين اسم “المستقبل .

يمكن للماء والكحول أن يعمل كمانحين ومستقبلين، في حين أن الإيثرات والألدهيدات والكيتونات والإسترات يمكن أن تعمل فقط كمستقبلات. وبالمثل، فإن الأمينات الأولية والثانوية هي مانحون ومستقبلون، لكن الأمينات من الدرجة الثالثة تعمل فقط كمستقبلات فقط.

عندما تتمكن من التعرف على المركبات التي يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية بين الجزيئات، ستصبح النقاط العالية النسبية لدرجة الغليان التي تعرضها أكثر وضوحًا. تساعد البيانات المدرجة في الجدول التالي في توضيح هذه النقطة

نلاحظ أن درجة غليان الكحول `إيثانول` عند 78 درجة مئوية، وتغلي الكحوليات بدرجة أكبر بكثير من الإيثرات ذات الحجم المماثل (المدخلين الأولين). ويظهر الأيزوميرات 1º و 2º و 3º-amines، على التوالي، نقاط غليان متناقصة، مع غليان الأيزوميرات رابطة الهيدروجين أعلى بكثير من 3º-أمينز (المدخلات 5 إلى 7).

تظهر روابط الهيدروجين O-H-O أقوى بشكل واضح من روابط الهيدروجين N-H-N، ويمكن رؤية ذلك بمقارنة البروبانول مع الأمينات، وعلاوة على ذلك، يزيد وجود وظيفتي ربط هيدروجين في المركب من درجة الغليان أكثر.

تترابط الأنواع القاتمة ببعضها البعض عن طريق رابطات هيدروجينية وتشكل هذه الرابطات المكون الرئيسي للحالة السائلة. وإذا كان هذا التمثيل دقيقًا لتكوين هذا المركب، فمن المتوقع أن تكون نقطة غليانه مشابهة لتلك المرتبطة بمركب يحتوي على صيغة C 4 H 8 O 4 (وزن الصيغة = 120).

يوجد تقريب مناسب لهذا المركب في رباعي ميثوكسي ميثان (CH 3 O) 4C، والذي يكون بحجم أكبر قليلاً (وزن الصيغة = 136) ودرجة غليانها 114 درجة مئوية. لذا يبدوأن الهيكل ثنائي الأبعاد المرتبط بالهيدروجين هو تمثيل جيد لحمض الأسيتيك في الحالة المكثفة.

على الرغم من ضعف رابطة الهيدروجين بشكل نسبي (حوالي 4-5 كيلوكالوري لكل مول)، فإن وجود العديد من هذه الروابط يمكن أن يؤدي إلى تكوين هيكل قوي 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، حيث يتحلل بعضها قبل الذوبان، ولكن الغالبية تتبلور وتذوب دون أي تغيير في التركيب الجزيئي.

عند تسخين مركب بلوري نقي أو تبريد سائل، يتغير درجة حرارة العينة بشكل منتظم مع الوقت، ومع ذلك، إذا تم ذوبان المادة الصلبة أو تجمد السائل، يتوقف التغير في درجة الحرارة وتبقى درجة حرارة العينة ثابتة حتى يتم استكمال تغيير الحالة.

يمثل الجزء الأخضر المرحلة الصلبة، والجزء الأزرق الفاتح المرحلة السائلة، والجزء الأحمر يمثل التوازن بين المرحلتين السائلة والصلبة عند درجة حرارة ثابتة، كما هو موضح في الصورة

تُعد درجة حرارة الانصهار (أو نقطة التجمد) نقطة ثابتة وقابلة للتكرار، وتعتمد على الضغط الخارجي الثابت. ويتوقف طول الجزء الأفقي على حجم العينة، ويجب إضافة (أو إزالة) كمية الحرارة المتناسبة مع حرارة الانصهار قبل اكتمال تغيير الطور.

تنخفض نقطة تجمد المذيب عند إضافة مادة مذابة، مثل محلول ملحي، مقارنة بالماء. ولذلك، إذا تم خلط بلورتين (A وB) جيدًا، فإن نقطة الانصهار لهذا الخليط عادة ما تنخفض وتتسع، مقارنة بنقطة الانصهار الحادة والمميزة لكل مكون نقي.

يوفر هذا وسيلة مفيدة لتحديد هوية مركبات عضوية صلبة، حيث يتم توثيق نقاط انصهار العديد من المركبات واستخدامها كاختبار شائع للنقاء.

يوضح مخطط الطور الموجود على اليمين سلوك نقطة الانصهار للمخاليط النقية التي تتراوح من A النقية على اليسار إلى B النقية على اليمين

عينة صغيرة من المركب B في عينة من المركب A تقلل (أو تزيد) من نقطة انصهار A؛ كما ينطبق الأمر بالعكس في عينة B التي تحتوي على مركب A. ويطلق على أدنى نقطة انصهار للخليط اسم نقطة الانصهار e.

على سبيل المثال، إذا كان الحمض (A) هو حمض السيناميك وله نقطة انصهار 137 درجة مئوية، والحمض (B) هو حمض البنزويك وله نقطة انصهار 122 درجة مئوية، فإن نقطة انصهار الخليط (A وB) تكون 82 درجة مئوية، وتحت درجة حرارة الانصهار، 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.