Punti di ebollizione e punti di fusione

La fusione osservabile e punti di ebollizione di diverse molecole organiche fornisce un’ulteriore illustrazione degli effetti delle interazioni non covalenti. Il principio generale coinvolto è semplice: più forti sono le interazioni non covalenti tra le molecole, maggiore è l’energia necessaria, sotto forma di calore, per separarle. Punti di fusione e di ebollizione più elevati significano forze intermolecolari non covalenti più forti.

Considera i punti di ebollizione di idrocarburi sempre più grandi. Più carboni significa una maggiore superficie possibile per l’interazione idrofobica e quindi punti di ebollizione più elevati.

Come ci si aspetterebbe, la forza del legame idrogeno intermolecolare e delle interazioni dipolo-dipolo si riflette in punti di ebollizione più alti. Basta guardare la tendenza per esano (solo interazioni di dispersione di Londra non polare ), 3-esanone (interazioni dipolo-dipolo) e 3-esanolo (legame idrogeno).

Di particolare interesse per i biologi (e praticamente qualsiasi altra cosa che è viva nell’universo) è l’effetto del legame dell’idrogeno nell’acqua. Poiché è in grado di formare reti strette di legami idrogeno intermolecolari, l’acqua rimane in fase liquida a temperature fino a 100 OC, (leggermente più basse in alta quota). Il mondo sarebbe ovviamente un posto molto diverso se l’acqua bollisse a 30 OC.

Esercizio

1. Sulla base delle loro strutture, classifica fenolo, benzene, benzaldeide e acido benzoico in termini di punto di ebollizione più basso al più alto.

Soluzione

Pensando alle interazioni intermolecolari non covalenti, possiamo anche prevedere i punti di fusione relativi. Tutti gli stessi principi si applicano: interazioni intermolecolari più forti provocano un punto di fusione più elevato. I composti ionici, come previsto, di solito hanno punti di fusione molto elevati a causa della forza delle interazioni ion-ion (ci sono alcuni composti ionici, tuttavia, che sono liquidi a temperatura ambiente). La presenza di gruppi polari e in particolare di legame idrogeno su composti organici porta generalmente a punti di fusione più elevati. La forma molecolare e la capacità di una molecola di imballare strettamente in un reticolo cristallino, hanno un effetto molto grande sui punti di fusione. La forma piatta di composti aromatici come il naftalene e il bifenile consente loro di impilare insieme in modo efficiente, e quindi gli aromatici tendono ad avere punti di fusione più elevati rispetto agli alcani o agli alcheni con pesi molecolari simili.

Confrontando i punti di fusione del benzene e del toluene, si può vedere che il gruppo metilico extra sul toluene interrompe la capacità della molecola di impilarsi, diminuendo così la forza cumulativa delle forze di dispersione intermolecolari di Londra.

Si noti inoltre che il punto di ebollizione per il toluene è 111 oC, ben al di sopra del punto di ebollizione del benzene (80 oC). Il fattore chiave per la tendenza del punto di ebollizione in questo caso è la dimensione (il toluene ha un altro carbonio), mentre per la tendenza del punto di fusione, la forma gioca un ruolo molto più importante. Ciò ha senso se si considera che la fusione comporta il “disimballaggio” delle molecole dalla loro matrice ordinata, mentre l’ebollizione comporta semplicemente la separazione tra loro dalla loro associazione (liquida) già sciolta.

Se stai seguendo un corso di laboratorio organico, potresti aver già appreso che le impurità in una sostanza cristallina causeranno un abbassamento del punto di fusione osservato rispetto a un campione puro della stessa sostanza. Questo perché le impurità interrompono la disposizione ordinata dell’imballaggio del cristallo e rendono più deboli le interazioni intermolecolari cumulative.