Moleküller Arası Etkileşimler ve Fiziksel Özelliklerin Öngörülmesi
Bu bölümü tamamladıktan sonra şunları yapabilmelisiniz:
• Moleküller arası kuvvetleri kullanarak potansiyel kimyasal ve fiziksel özellikleri ve sahne etkilerini tahmin edin.
• Moleküller arası kuvvetlerin fiziksel özellikleri nasıl etkileyebileceğini açıklayın.
• Moleküller arası etkileşimleri tanımlayın.
• Kaynama ve erime noktasının moleküller arası etkileşimlerden nasıl etkilendiğini açıklayın.
• Kaynama noktası ile buhar basıncı arasındaki ilişkiyi tanımlayın.
• İyonik bağın fiziksel özellikler üzerindeki etkilerini tartışın.
• Moleküller arası kuvvetlerin bazı kimyasal özellikleri nasıl etkilediğini açıklayın.
• Faz diyagramlarını tanımlayın.
Vaka Analizi
21 Eylül 2003, Miami Township, Ohio’da, yaklaşık olarak sabah 7:30’da, kriyojenik nitrik oksit damıtma ünitesinde bir alarm durumunu tanımlayan otomatik bir uyarı sinyali verildi. Alarm, havayla reaksiyona girerek nitrojen dioksit oluşturan nitrojen oksidin (her ikisi de zehirli gazlar) dışarı atılmasından kaynaklanıyordu. Havalandırma, damıtma kolonu içindeki artan sıcaklığın bir sonucu olan bir basınç artışından kaynaklanmıştır.
Tesisin güneybatısında sürüklenen ve dağılan kolondan kırmızımsı-sarı kahverengi bir bulut görüldü. Olay yeri inceleme ekipleri bir vakum pompası hattını kapatarak sızıntıyı durdurdu ve kolon ve vakum pompasında kalan nitrik oksidi çıkarmaya başladı. Bu süreç, Eylül 1998’de benzer bir sızıntı meydana geldikten sonra öğrenildi. Nitrik oksit sızıntısı tespit edildikten sonra dikkat çekildi.
İlk havalandırma alarmından 3,5 saat sonra, yaklaşık olarak sabah 10:00’da damıtma kolonu patlayarak havaya 1000 fit enkaz gönderdi.
20 fit yarıçaplı 8 fit derinliğinde bir krater, patlamanın neden olduğu, 52.000 librelik bir karbon monoksit muhafaza gemisini temelinden kaldırdığı ve 10 fit ittiği. (Karbon monoksit kabı patlamadı.) Bu noktada itfaiye, karbon monoksit kabının patlaması durumunda yerel polis teşkilatı tarafından bir mil tahliye ve koruma yarıçapı talep etti.
Kriyojenik nitrik oksitin tehlikeleri, düşük sıcaklık ve ısınma üzerine sıvının gaz haline genleşme olasılığı ve ayrıca yüksek şoka duyarlı bir patlayıcı olmasıdır. Kriyojenik nitrik oksit damıtma 1970’lerin ortalarından beri birkaç patlama ile gerçekleştirilmiştir.
Nitrik oksitin patlaması iyi anlaşılmamıştır, ancak çoğu durumda sistem içindeki safsızlıklara, sıcaklık ve kolon içindeki basınç gradyanlarına atfedilir. Bir patlamada, tesisteki hasar o kadar büyüktü ki, kolonun kurtarılan enkazı o kadar küçüktü (veya eksikti ki) tam yeri ve nedeni belirlenemiyordu.
Damıtma kolonu, bilimsel ve genetik endüstrilerinde kullanılan karbon-13, oksijen-18 ve azot-15’i elde etmek için kararlı izotopları diğerlerinden ayırma işleminin önemli bir parçasıdır. Nitrik oksit, kükürt dioksit, nitrik asit ve suyun reaksiyona girmesiyle üretilir.
Moleküller arası etkileşim örnekleri
Molekül içi ve moleküller arası etkileşimler
Moleküller arası zayıf etkileşimler
Atomlar arası etkileşimler
Moleküller arası etkileşimler sıralaması
London kuvvetleri
Kovalent olmayan moleküller arası etkileşimler
Moleküller arası bağlar nelerdir
Oksit daha sonra izotopu tükenmiş olan nitrik oksit ile birleştirilir ve asit atığı kanalizasyona boşaltılır. Saf nitrik oksit gazı, kolonun üstünde bir kondansatör ile kapatılmış 300 fit uzunluğunda bir tertibat olan “kazan” kolonuna beslenir. Uygun damıtma için sıcaklık ve basınç kontrol edilir. İşlemin sonunda, kararlı izotopla zenginleştirilmiş nitrik asit, paslanmaz çelik bir borudan çıkarılır.
Tesis inşa edildiğinde, çiftlik arazisi ile çevrili kırsal bir ortamda bulunuyordu. Zamanla, topluluk bu tesisin çevresinde büyümüştü. Zamanla imar değişiklikleri, tesisi mevcut imar koşullarına uygun hale getirdi. Bu, böyle bir tesisin çevresinde bir topluluk büyüdükçe ortaya çıkan kamu güvenliği risklerini dikkate almadı. Olay sırasındaki endişelerden biri, 52.000 kiloluk karbon monoksit kabının arızalanma olasılığıydı. Bu, ürünün hasarlı proses kolonunun içine ve dışına aktarılması sırasında potansiyel kriyojenik nitrik oksit sızıntıları ile ilişkilidir.
Bu bölümde belirtilen ilkeleri kullanarak aşağıdaki soruları yanıtlayın:
1. Ne oldu?
2. Ne olacak veya olabilir?
3. Şimdi ve bundan 30 dakika sonra neyi değiştirebilirsin?
Moleküller içinde meydana gelebilecek bağları öğrendiniz. Bu kimyasal bağ, elementler veya element grupları arasında elektronların aktarılmasının veya paylaşılmasının bir sonucudur. Elektronlar bir atomdan diğerine tamamen aktarıldığında, kimyasal bağ iyoniktir çünkü bağa dahil olan atomlar yüklenir.
Kovalent bağda elektronlar iki atom arasında paylaşılır. Atomlar arasındaki elektron yoğunluğunun dağılımına bağlı olarak, kovalent bağ polar veya polar olmayan olarak sınıflandırılabilir. Elektron yoğunluğu iki atom arasında eşit olarak dağıldığında bağ polar değildir. Elektron yoğunluğu bir atoma diğerinden daha yakın olduğunda, bağ polardır.
Ayrıca Lewis yapılarını kullanarak moleküllerdeki elektron dağılımını nasıl temsil edeceğinizi ve ardından bağlanma modeline ve bağlanmayan elektron çiftlerinin sayısına göre bir molekülün yaklaşık şeklini nasıl belirleyeceğinizi öğrendiniz. Moleküller içinde meydana gelebilecek bağları öğrendiniz.
Bu kimyasal bağ, elementler veya element grupları arasında elektronların aktarılmasının veya paylaşılmasının bir sonucudur. Elektronlar bir atomdan diğerine tamamen aktarıldığında, kimyasal bağ iyoniktir çünkü bağa dahil olan atomlar yüklenir. Kovalent bağda elektronlar iki atom arasında paylaşılır. Atomlar arasındaki elektron yoğunluğunun dağılımına bağlı olarak, kovalent bağ polar veya polar olmayan olarak sınıflandırılabilir. Elektron yoğunluğu iki atom arasında eşit olarak dağıldığında bağ polar değildir. Elektron yoğunluğu bir atoma diğerinden daha yakın olduğunda, bağ polardır.
Ayrıca Lewis yapılarını kullanarak moleküllerdeki elektron dağılımını nasıl temsil edeceğinizi ve ardından bağlanma modeline ve bağlanmayan elektron çiftlerinin sayısına göre bir molekülün yaklaşık şeklini nasıl belirleyeceğinizi öğrendiniz. Bir molekül, bir molekülün genel bir dipole sahip olup olmadığı belirlenebilir.
Bileşikleri polar veya polar olmayan olarak sınıflandırma yeteneği, ortak fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlemek için önemlidir. Bu bölümde, moleküller arasında var olabilecek etkileşimlere tanıtılacak ve moleküller arasında bulunan etkileşim türlerini malzemelerde gözlenen fiziksel özelliklerle ilişkilendireceksiniz.
Moleküller arasında var olabilen etkileşimlere moleküller arası kuvvetler denir. Moleküller arası kuvvetler, molekül içi kuvvetlerden veya gerçek kimyasal bağlardan belirgin şekilde farklıdır. Kimyasal bağların güçleri değişebilir, bazı kimyasal bağlar diğerlerinden daha kolay kırılabilir. Aynı şey moleküller arası kuvvetlerin gücü için de geçerlidir. Bazı malzemeler diğerlerinden daha güçlü moleküller arası kuvvetler sergiler.
Genel olarak, moleküller arası kuvvetlerin güçleri, moleküller arası kuvvetlerden veya gerçek kimyasal bağlardan çok daha zayıftır. Bu noktayı açıklamak için, kaynamanın basit fiziksel değişimini ele alalım. Bir madde sıvıdan gaza geçtiğinde, malzemeyi bir arada tutan kuvvetler, moleküller arası etkileşimler bozulur. Ancak, o malzemeyi oluşturan moleküller bozulmadan kalır. Atomları bir arada tutan gerçek kimyasal bağlar kırılmaz. Kimyasal bağları kırmak için çok daha fazla enerji gerekir.
Saf Malzemelerde Moleküller Arası Kuvvetler
Moleküller arası kuvvetlerin tümü, elektrostatik etkileşimlerin veya zıt yükler arasındaki çekimin sonucudur. Bu nedenle, bir molekülün polar mı yoksa polar olmayan mı olacağını tahmin edebilmek çok önemlidir. En zayıftan en güçlüye (yaklaşık olarak eşit molar kütle varsayılarak) saf malzemelerde bulunabilen moleküller arası kuvvetler, dağılım kuvvetleri, dipol-dipol etkileşimleri, hidrojen bağı ve iyonik bağlardır. (Not: Moleküller arası kuvvetin ek bir türü vardır, iyon-dipol etkileşimi. Bu etkileşim saf bir numunede gözlemlenmez.)
