物質沸點高低是由構成物質質點間作用力大小決定的。物質質點間作用力包括分子間作用力和各種化學鍵。以下從兩大方面談幾點比較物質沸點高低的方法。
一. 從分子間作用力大小比較物質沸點高低
1. 據碳原子數判斷
對於有機同系物來說,因結構相似,碳原子數越多,分子越大,范德瓦爾斯力就越大,沸點也就越高。
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2. 根據支鏈數目判斷
在有機同分異構體中,支鏈越多,分子就越近於球形,分子間接觸面積就越小,沸點就越低。
如:正戊烷>異戊烷>新戊烷。
3. 根據取代基的位置判斷
例如,二甲苯有三種同分異構體:鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯。我們可以這樣理解,把這些分子看作一個球體,這三種分子的體積依次增大,分子間的距離也增大,因而分子間作用力減小,熔沸點就降低。因此它們的沸點依次降低。
4. 根據相對分子質量判斷
對於一些結構相似的物質,因此相對分子質量大小與分子大小成正比,故相對分子質量越大,分子間作用力就越大,沸點就越高。
如:
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5. 據分子極性判斷
對於分子大小與相對分子質量大小都相近的共價化合物來說,分子極性越大,分子間作用力就越大,沸點就越高。
如:CO>N2。
6. 根據氫鍵判斷
因為氫鍵>范德瓦爾斯力,所以由氫鍵構成的物質沸點高於由范德瓦爾斯力構成的物質。
如:乙醇>氯乙烷;HF>HI>HBr>HCl。
一般情況下,HF、H2O、NH3等分子間存在氫鍵。
二. 從化學鍵的強弱比較物質沸點高低
對於原子晶體、離子晶體和分子晶體來說,構成這些晶體的化學鍵強弱,不僅能幫助判斷物質熔點、硬度大小,還能用來判斷物質沸點高低。
1. 根據晶體類型判斷
一般來說,不同類型晶體的熔沸點的高低順序為:原子晶體>離子晶體>分子晶體,而金屬晶體的溶沸點有高有低。這是由於不同類型晶體的微粒間作用不同,其熔沸點也不相同。原子晶體間靠共價鍵結合,一般熔沸點最高;離子晶體陰、陽離子間靠離子鍵結合,一般熔沸點較高;分子晶體分子間靠范德瓦爾斯力結合,一般熔沸點較低;金屬晶體中金屬鍵的鍵能有大有小,因而金屬晶體熔沸點有高有低。
如:金剛石>食鹽>幹冰。
2. 根據微粒半徑判斷
(1)對於金屬晶體和原子晶體來說,當晶體類型相同時,物質沸點高低可由質點微粒半徑大小來判斷。即:質點半徑越小,質點間鍵長就越短,鍵就越難斷裂,晶體的沸點就越高。
如:金屬晶體類:,故沸點。同理可得堿金屬從沸點逐漸降低。
原子晶體類:,故沸點。
(2)對於離子晶體,其沸點高低與晶格能大小基本上成正比。為瞭便於學生接受,我們可從庫侖定律:進行解釋。即陰陽離子所帶電荷越多,離子鍵就越強,沸點就越高;離子核間距離越大,離子鍵越弱,物質沸點越低。
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3. 根據物質狀態判斷
即物質沸點高低按常溫下的狀態:固體>液體>氣體。
如:。
物質的沸點在化學學習中也有重要的應用,以下從六個方面談物質沸點在化學中的應用。
(1)理解物質的物理性質
應用物質的沸點可以判斷物質在常溫(25℃時)下的狀態,判斷氣體被液化的難易及液態物質的揮發性大小等。
物質的沸點相對較高者,則該物質較易被液化。如SO2(沸點-10℃)、NH3(-33.35℃)、Cl2(-34.5℃)被液化由易到難的順序是SO2、NH3、Cl2。物質的沸點越低,則越容易揮發(氣化),如液溴(58.78℃)、苯(80.1℃)易揮發、濃硫酸(338℃)難揮發等。
(2)推測物質的晶體類型
分子晶體是由較小的分子間作用力而形成,故熔沸點較低;離子晶體是由離子間較強的離子鍵而形成,故熔沸點一般較高;原子晶體是由原子間較強的共價鍵而形成,故熔沸點很高。如白磷的熔點是44.1℃、沸點是280℃可推測是分子晶體;NaCl的熔點是801℃、沸點是1413℃可推測是離子晶體;晶體矽的熔點是1410℃、沸點是2355℃可推測是原子晶體等。
(3)根據物質的沸點不同對混合物進行分離
如工業上所用的氮氣,通常是利用氮氣的沸點(-195.8℃)比氧氣的沸點(-183℃)低而控制溫度對液態空氣加以分離制得;石油工業利用石油中各組分的沸點不同,通過控制加熱的溫度來分離各組分;釀酒工業利用酒精的沸點(78℃)比水的沸點(100℃)低而采用蒸餾的方法分離酒精和水等。
(4)應用物質的沸點不同,通過控制反應溫度來控制化學反應的方向
①高沸點的酸制備低沸點的酸。如用高沸點的H2SO4制備低沸點的HCl、HF、HNO3等;用高沸點的H3PO4制備低沸點的HBr、HI等。
②控制反應溫度使一些特殊反應得以發生。如:,已知鈉的混點(882.9℃)高於鉀的沸點(774℃),故可以通過控制溫度使鉀呈氣態,鈉呈液態,應用化學平衡移動原理,反應時不斷將鉀的蒸氣脫離反應體系,則平衡向右移動,反應得以發生。
③選擇合適的物質做傳熱介質來控制加熱的溫度。如果需要100℃以下的溫度,可選擇水浴加熱;如果需要100~200℃的溫度,可選擇油浴加熱。
(5)解釋某些化學現象
①如為什麼有些液體混合時隻能將其中一種液體滴入另一種液體中,而不能反向滴加?這是因為這些液體混合時,會放出大量的熱,為防止少量低沸點液體因沸騰而飛濺,應將高沸點的液體滴入低沸點的液體中並不斷攪拌。如濃硫酸的稀釋,應將濃硫酸慢慢加入水中,並不斷攪拌;制乙烯時,應將濃硫酸慢慢滴入乙醇中,並不斷攪拌;制硝基苯時,應將濃硫酸慢慢滴入濃硝酸中,並不斷攪拌。
②又如工業上利用電解法冶煉Mg時,為什麼不選擇MgO為原料而是選擇MgCl2為原料?這是因為MgO的熔點太高(2800℃),能耗大,而MgCl2的熔點低(712℃),能耗小。又如工業上用Al2O3為原料通過電解法冶煉Al時,為什麼要加入冰晶石?這是因為Al2O3的熔點高(2045℃),而加入冰晶石後可以使Al2O3在1000℃左右溶解在冰晶石中。
(6)判斷有機物分子結構特點
利用前面所述的比較物質沸點高低的方法來判斷。