物质的沸点高低主要由构成物质的质点之间的作用力大小所决定,这些作用力包括分子间作用力和各种化学键。以下从两个方面详细探讨比较物质沸点高低的方法。
一. 通过分子间作用力大小来比较物质沸点的高低
1. 根据碳原子数量进行判断
对于有机同系物而言,由于它们的结构相似,碳原子数量越多,分子体积就越大,范德瓦尔斯力也就越强,因此沸点会随之升高。
例如:
2. 根据支链数量进行判断
在有机同分异构体中,支链数量越多,分子形状就越接近球形,分子之间的接触面积就会减小,从而导致沸点降低。
例如:正戊烷的沸点高于异戊烷,而异戊烷的沸点又高于新戊烷。
3. 根据取代基的位置进行判断
以二甲苯为例,它有三种同分异构体:邻二甲苯、间二甲苯和对二甲苯。我们可以将这些分子视为球体,随着体积的增大,分子之间的距离也会增加,从而导致分子间作用力减弱,沸点随之降低。因此,这三种同分异构体的沸点依次递减。
4. 根据相对分子质量进行判断
对于一些结构相似的物质,相对分子质量的大小与分子大小成正比,因此相对分子质量越大,分子间作用力就越强,沸点也会相应升高。
例如:
5. 根据分子极性进行判断
对于分子大小和相对分子质量相近的共价化合物,分子极性越大,分子间作用力就越强,沸点也会越高。
例如:CO的沸点高于N2。
6. 根据氢键进行判断
由于氢键比范德瓦尔斯力更强,因此由氢键构成的物质的沸点会高于主要由范德瓦尔斯力构成的物质。
例如:乙醇的沸点高于氯乙烷;HF的沸点高于HI,高于HBr,高于HCl。
通常情况下,HF、H2O、NH3等分子之间存在氢键。
二. 通过化学键的强弱来比较物质沸点的高低
对于原子晶体、离子晶体和分子晶体而言,构成这些晶体的化学键强弱不仅影响物质的熔点和硬度,还能用来判断物质的沸点。
1. 根据晶体类型进行判断
一般来说,不同类型晶体的熔沸点顺序为:原子晶体>离子晶体>分子晶体,而金属晶体的熔沸点则差异较大。这是由于不同类型晶体的微粒间作用力不同,导致其熔沸点也有所差异。原子晶体之间通过共价键结合,通常具有最高的熔沸点;离子晶体通过离子键结合,通常具有较高的熔沸点;分子晶体通过范德瓦尔斯力结合,通常具有较低的熔沸点;金属晶体中金属键的键能差异较大,因此金属晶体的熔沸点也各不相同。
例如:金刚石的熔点高于食盐,而食盐的熔点又高于干冰。
2. 根据微粒半径进行判断
(1)对于金属晶体和原子晶体,当晶体类型相同时,物质的沸点高低可以通过质点微粒半径大小来判断。即:质点半径越小,质点间键长就越短,键就越难断裂,晶体的沸点就越高。
例如:金属晶体类:,故沸点。同理可得碱金属从沸点逐渐降低。
原子晶体类:,故沸点。
(2)对于离子晶体,其沸点高低与晶格能大小基本上成正比。为了便于学生理解,我们可以从库仑定律:进行解释。即阴阳离子所带电荷越多,离子键就越强,沸点就越高;离子核间距离越大,离子键越弱,物质的沸点越低。
例如:。
3. 根据物质状态进行判断
即物质沸点高低按常温下的状态:固体>液体>气体。
例如:。
物质的沸点在化学学习中具有重要的应用,以下从六个方面探讨物质沸点在化学中的应用。
(1)理解物质的物理性质
应用物质的沸点可以判断物质在常温(25℃时)下的状态,判断气体被液化的难易程度以及液态物质的挥发性大小等。
物质的沸点相对较高者,则该物质较易被液化。如SO2(沸点-10℃)、NH3(-33.35℃)、Cl2(-34.5℃)被液化由易到难的顺序是SO2、NH3、Cl2。物质的沸点越低,则越容易挥发(气化),如液溴(58.78℃)、苯(80.1℃)易挥发、浓硫酸(338℃)难挥发等。
(2)推测物质的晶体类型
分子晶体是由较小的分子间作用力而形成,故熔沸点较低;离子晶体是由离子间较强的离子键而形成,故熔沸点一般较高;原子晶体是由原子间较强的共价键而形成,故熔沸点很高。如白磷的熔点是44.1℃、沸点是280℃可推测是分子晶体;NaCl的熔点是801℃、沸点是1413℃可推测是离子晶体;晶体硅的熔点是1410℃、沸点是2355℃可推测是原子晶体等。
(3)根据物质的沸点不同对混合物进行分离
如工业上所用的氮气,通常是利用氮气的沸点(-195.8℃)比氧气的沸点(-183℃)低而控制温度对液态空气加以分离制得;石油工业利用石油中各组分的沸点不同,通过控制加热的温度来分离各组分;酿酒工业利用酒精的沸点(78℃)比水的沸点(100℃)低而采用蒸馏的方法分离酒精和水等。
(4)应用物质的沸点不同,通过控制反应温度来控制化学反应的方向
①高沸点的酸制备低沸点的酸。如用高沸点的H2SO4制备低沸点的HCl、HF、HNO3等;用高沸点的H3PO4制备低沸点的HBr、HI等。
②控制反应温度使一些特殊反应得以发生。如:,已知钠的混点(882.9℃)高于钾的沸点(774℃),故可以通过控制温度使钾呈气态,钠呈液态,应用化学平衡移动原理,反应时不断将钾的蒸气脱离反应体系,则平衡向右移动,反应得以发生。
③选择合适的物质做传热介质来控制加热的温度。如果需要100℃以下的温度,可选择水浴加热;如果需要100~200℃的温度,可选择油浴加热。
(5)解释某些化学现象
①如为什么有些液体混合时只能将其中一种液体滴入另一种液体中,而不能反向滴加?这是因为这些液体混合时,会放出大量的热,为防止少量低沸点液体因沸腾而飞溅,应将高沸点的液体滴入低沸点的液体中并不断搅拌。如浓硫酸的稀释,应将浓硫酸慢慢加入水中,并不断搅拌;制乙烯时,应将浓硫酸慢慢滴入乙醇中,并不断搅拌;制硝基苯时,应将浓硫酸慢慢滴入浓硝酸中,并不断搅拌。
②又如工业上利用电解法冶炼Mg时,为什么不选择MgO为原料而是选择MgCl2为原料?这是因为MgO的熔点太高(2800℃),能耗大,而MgCl2的熔点低(712℃),能耗小。又如工业上用Al2O3为原料通过电解法冶炼Al时,为什么要加入冰晶石?这是因为Al2O3的熔点高(2045℃),而加入冰晶石后可以使Al2O3在1000℃左右溶解在冰晶石中。
(6)判断有机物分子结构特点
利用前面所述的比较物质沸点高低的方法来判断。