Alkane,van-der-Waals-Kräfte,Siedetemperatur?
Wir sollen begründet herleiten welche Temperatur höher ist:die von n-Octan oder 2,2-Dimethylhexan.
Hinweis:Strukturformeln benutzen
Ich verstehe das gar nicht.Hat das irgendwas mit den van-der-Waals-Kräften zu tun?
2 Antworten
Moin,
ja, im Prinzip schon.
Also: Die Siedetemperatur hängt im Wesentlichen von drei Dingen ab.
Erstens natürlich von der Masse der Moleküle. Es liegt auf der Hand, dass die Siedetemperatur steigt, wenn die Moleküle schwerer werden, denn es ist logisch, dass es mehr Energie erfordert, ein schwereres Teilchen so zu beschleunigen, dass es aus einer flüssigen Phase ausbrechen und in die Gasphase wechseln kann, nicht wahr? - Aber dieser Aspekt kann bei deinen Substanzen keine Rolle spielen, da beides Strukturisomere sind. Das heißt, sie haben beide die gleiche Summenformel, aber verschiedene Struktur. Da in ihnen aber die gleichen Atome "verbaut" sind, ist auch ihre Molekülmasse gleich (nämlich jeweils etwa 114 u).
Zweitens hängt die Siedetemperatur vom Luftdruck ab. Der Druck, der gegen die Oberfläche der Flüssigkeit ausgeübt wird, erschwert es den Flüssigkeitsteilchen, in den Gasraum überzutreten. Auch hier ist es leicht einsehbar, dass ein höherer Luftdruck den Wechsel in die Gasphase zunehmend erschwert, je höher er ist. Darum siedet Wasser auf Höhe des Meeresspiegels bei 100° C, aber auf einem hohen Berg schon bei sagen wir 97°C. - Doch auch das hilft dir nicht wirklich weiter, da du davon ausgehen kannst, dass in deiner Aufgabe nicht gemeint ist, dass die beiden Stoffe bei unterschiedlichem Luftdruck erhitzt werden sollen.
Drittens ist für die Siedetemperatur dann noch der Zusammenhalt der Moleküle untereinander entscheidend. Das heißt, wie stark halten sich die Moleküle einer Substanz untereinander fest.
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es können elektrostatische Anziehungskräfte geladener Teilchen (Ionen) sein, die sie zusammenhalten. Das ist bei deinen Substanzen nicht gegeben.
Es können Wasserstoffbrückenbindungen sein, die dadurch zustande kommen, dass polare Atombindungen zu Wasserstoffatomen diese positivieren, so dass Anziehungskräfte zu freien (nichtbindenden) Elektronenpaaren anderer Atome (Sauerstoff, Stickstoff) ausgebildet werden können. Auch das trifft auf deine Substanzen nicht zu.
Dann gibt es noch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, die dadurch entstehen, dass permanente Teilladungen in Molekülen vorliegen, die durch polare Atombindungen entstehen. Das kommt bei deinen Molekülen nicht wirklich vor, weil die Elektronegativitätsdifferenzen von Kohlenstoff (2,5) und Wasserstoff (2,2) nicht groß genug ist, um wirklich dauerhaft polare Atombindungen auszubilden.
Bleibt nur noch der Zusammenhalt aufgrund von van-der-Waals-Kräften. Diese kommen zustande, weil zeitweise Elektronendichteschwankungen in einem Molekül zu zeitweise auftretenden Dipolen führen können. Kommt ein solcher momentaner Dipol in die Nähe eines anderen Moleküls, führt sein Dipolmoment zu Induktion eines Dipols im anderen Molekül. Dadurch entsteht kurzzeitig eine Situation, dass die beiden Dipole zusammenhalten, weil sie mit ihren unterschiedlich teilgeladenen Seiten beieinander liegen (induzierte Dipol-Dipol-Wechselwirkung). Und genau das hält die Moleküle deiner Substanzen zusammen.
Nur warum sind die van-der-Waals-Kräfte bei n-Octan und 2,2-Dimethylhexan offenbar nicht gleich groß (n-Octan siedet bei 126° C, während 2,2-Dimethylhexan bei 107° C siedet)?! Das muss mit der Struktur der Moleküle zusammenhängen. Und tatsächlich können wir einen Unterschied ausmachen. Das n-Octan-Molekül ist im Grunde eine ausgestreckte Kohlenwasserstoffkette. Da kann man sich gut vorstellen, dass solche Molekülketten auch ab und zu über die gesamte Länge als induzierte Dipole aneinander hängen oder sogar in Clustern gestapelt vorliegen.
Beim 2,2-Dimethylhexan gibt es zwar auch einen kettenartigen Bereich, aber der ist erstens kürzer und zweitens gibt es den Bereich mit den Methylverzweigungen. Dieser Molekülbereich ist in seiner Gesamtheit eher kugelartig. Und in kugeligen Bereichen ist die Kontaktfläche zwischen zwei Molekülen viel kleiner als in einer kettenartigen Struktur. Eine kleinere Kontaktfläche bedeutet aber auch weniger Zusammenhalt zwischen den Molekülen, verstehst du?!
Fazit: Der Grund für die rund 20° C niedrigere Siedetemperatur von 2,2-Dimethylhexan im Vergleich mit n-Octan liegt daran, dass die mögliche Kontaktfläche zwischen den Molekülen kleiner ist, so dass induzierte Dipole einen schlechteren zwischenmolekularen Zusammenhalt durch auftretende van-der-Waals-Kräfte ermöglichen.
Ich hoffe, dass du es jetzt besser verstanden hast und dass diese ausführliche Darstellung sämtlicher Aspekte rund um die Siedetemperatur dich nicht allzu sehr genervt haben...
LG von der Waterkant.
probier's mal mit Gemütlichkeit.