3.4 : Właściwości fizyczne alkanów

A series of unbranched alkanes in which successive members differ by a −CH₂− group is called a homologous series, and each alkane in this series is a homologue.

Alkanes are nonpolar due to the small electronegativity difference between carbon and hydrogen, implying that only weak dispersion forces exist between their molecules.

The strength of these forces increases proportionally with carbon chain length. The first four alkanes are gases at room temperature and atmospheric pressure; moderate carbon chains, from C₅to C₁₇, are liquids. Homologues beyond C₁₇ are solids.

Dispersion forces also influence the different physical properties of alkanes.

Within a homologous series, as surface area increases, the dispersion forces between molecules also increase. Because more energy is required to separate the molecules, the boiling points of unbranched alkanes rise with each additional carbon.

Unlike straight-chain alkanes, branched alkanes are compact and more spherical, which reduces the area of interaction and the strength of the intermolecular forces. Therefore, compared to the unbranched form, branched isomers boil at lower temperatures.

While the boiling points of straight-chain alkanes rise gradually with the number of carbons, their melting points do not increase steadily. Instead, the trend alternates between the even and odd members of the homologous series.

In the crystalline state, even alkanes pack closely in a zig-zag arrangement. Consequently, the molecules experience stronger attractions, leading to higher melting points.

In comparison, odd alkanes pack less tightly due to their parallel arrangement, resulting in weaker interactions and lower melting points.

The melting points of branched alkanes are dictated by their molecular symmetries.

Branched alkanes with substantial symmetry melt at temperatures higher than the unbranched hydrocarbon. In comparison, asymmetrical branching leads to a lower melting point.

Alkanes are insoluble in water due to their inability to form hydrogen bonds. Additionally, as their densities are lower than 1 g/cm³, they float on water.

Alkany są cząsteczkami niepolarnymi ze względu na obecność tylko atomów węgla i wodoru. Różnica elektroujemności między węglem i wodorem jest minimalna, dlatego alkany mają zerowy moment dipolowy. Prowadzi to do występowania jedynie sił dyspersji pomiędzy cząsteczkami. Siła sił dyspersyjnych zależy od pola powierzchni cząsteczek, na które one działają. Ponieważ pole powierzchni wzrasta wraz z długością cząsteczki alkanów o prostym łańcuchu, siły dyspersji również rosną w poprzek homologu wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.

Siły dyspersyjne wpływają na właściwości fizyczne alkanów i zmieniają ich stan fizyczny. W zależności od liczby atomów węgla alkany o prostych łańcuchach występują w różnych stanach fizycznych w danej temperaturze i ciśnieniu. Zatem temperatura wrzenia alkanów o łańcuchu prostym jest wprost proporcjonalna do długości ich łańcucha i z kolei jest proporcjonalna do sił dyspersyjnych. W przeciwieństwie do tego, temperatura topnienia wykazuje zachowanie nieparzyste i parzyste, tj. nieparzyste i parzyste alkany tworzą inny trend temperatury topnienia wraz ze wzrostem długości łańcucha.

Izomery alkanów o rozgałęzionych łańcuchach wykazują znaczne różnice we właściwościach ze względu na różnice w ich kształcie i wielkości w porównaniu z alkanami o łańcuchu prostym. Na przykład w pentanie temperatura topnienia różni się drastycznie pomiędzy formami o łańcuchu prostym i rozgałęzionym. Prostołańcuchowy n-pentan topi się w temperaturze -129,8°C, natomiast rozgałęziona forma izopentanu topi się w -161,0°C. Neopentan, symetrycznie rozgałęziony izomer, topi się w znacznie wyższej temperaturze -16,5°C.

Tagi

Physical Properties Alkanes Nonpolar Molecules Carbon And Hydrogen Atoms Dipole Moment Dispersion Forces Surface Area Molecular Length Homologue Boiling Point Melting Point Odd even Behavior Branched chain Isomers Shape And Size

3.4 : Właściwości fizyczne alkanów

Tagi

PLAYLIST