Температурна поведінка органічних сполук

Органічні сполуки завжди містять елемент вуглець, причому атоми вуглецю сполучаються з іншими атомами вуглецю або з атомами інших елементів ковалентними зв'язками. Завдяки цим ковалентним зв'язкам з іншими елементами, такими як водень, кисень або галогени, утворюються молекули. Тому зв'язки C-C або C-H стійкі за звичайної (кімнатної) температури.
Проте для багатьох органічних сполук характерна низька термостійкість. Такі сполуки згоряють або обвуглюються вже при нагріванні до кількох сотень градусів Цельсія. Ця низька, порівняно з багатьма солями й металами, термічна стабільність зумовлена слабким полярним характером зв'язків C-C та C-H.

Хоча в утворенні органічних сполук, окрім вуглецю, беруть участь лише кілька інших елементів, як-от водень чи кисень, із понад сотні елементів періодичної системи, існує кілька мільйонів різних органічних сполук. Ця особливість (порівняно з неорганічними сполуками) полягає в тому, що атоми вуглецю в органічних сполуках можуть практично необмежено сполучатися в ланцюги, кільця або тривимірні каркаси. Крім того, атоми вуглецю можуть утворювати між собою подвійні й потрійні зв'язки.

Спостереження 1: Температурна поведінка циклогексану

• При нагріванні циклогексану у водяній бані спостерігають, що циклогексан кипить приблизно за 80°C.
• При спалюванні циклогексану в чаші для випарювання можна спостерігати, що циклогексан горить світним полум'ям.

Спостереження 2: Температурна поведінка камфори та глюкози

• При нагріванні камфори в пробірці (над газовим пальником) можна спостерігати, що камфора при нагріванні плавиться, а потім сублімує. При уважному розгляді процесу видно, що при повільному нагріванні камфора сублімує без плавлення і знову осідає як тверда речовина на верхніх, холодніших частинах пробірки. Дуже швидким нагріванням камфору можна розплавити ще до повного сублімування.
• Натомість при нагріванні глюкози можна спостерігати, що глюкоза при нагріванні плавиться, а при подальшому нагріванні поволі обвуглюється.

Опрацювання результатів 1: Температурна поведінка циклогексану (1/2)

Температура кипіння циклогексану

На відміну від (сильно) іонних зв'язків неорганічних солей, органічні сполуки, як правило, містять ковалентні зв'язки, які значно "слабші" за іонні. Сильне розділення зарядів у неорганічних солях через електростатичні сили призводить до утворення кристалічної ґратки, у якій окремі молекули не розрізняються.
На противагу цьому ковалентні зв'язки без сильного розділення зарядів дають (дискретні) молекули, які зв'язані між собою лише слабкими міжмолекулярними силами. Уже за низьких температур молекули можуть зміщуватися одна відносно одної - речовина плавиться.
При подальшому підвищенні температури міжмолекулярні сили повністю долаються, речовина починає кипіти й переходить у газуватий стан, у якому окремі молекули не зв'язані між собою жодною взаємодією. Тому циклогексан і має низьку температуру кипіння - близько 80°C.

Опрацювання результатів 1: Температурна поведінка циклогексану (2/2)

Горіння циклогексану

Органічні сполуки - ендотермічні, метастабільні сполуки. Це означає, що вони можуть окиснюватися киснем повітря з виділенням енергії до стабільних кінцевих продуктів, таких як вуглекислий газ і вода (як при горінні циклогексану). За нормальних умов ця реакція (горіння) загальмована, і щоб вона відбулася, спершу потрібна активація. У прикладі досліду - приблизно через підпалювання палаючою дерев'яною скіпкою.

Опрацювання результатів 2: Температурна поведінка камфори та глюкози (1/2)

Сублімація камфори

Як пояснено на прикладі циклогексану, уже "низька" температура призводить до зміщення окремих молекул, унаслідок чого речовина плавиться. Агрегатний стан залежить при цьому від енергії окремих молекул. Оскільки ця енергія завжди розподілена статистично, навіть у твердому стані частина молекул має енергію, потрібну для переходу в газуватий стан. Це означає, що над кожним твердим тілом органічної речовини існує певний тиск пари. Якщо через підвищення температури тиск пари твердої речовини стає таким великим, що досягає атмосферного тиску, речовина переходить у газуватий стан без плавлення. Речовина (як у випадку камфори) сублімує.
При повільному нагріванні камфора сублімує без плавлення і знову осідає як тверда речовина на верхніх, холодніших частинах пробірки. Дуже швидким нагріванням речовину можна розплавити ще до повного сублімування, якщо підводити енергію швидше, ніж вона відводиться перенесенням речовини під час сублімації. Тоді над твердим тілом досягається тиск насиченої пари й може існувати рідка фаза.

Опрацювання результатів 2: Температурна поведінка камфори та глюкози (2/2)

Обвуглювання глюкози

Як уже пояснено для циклогексану, ковалентні зв'язки без сильного розділення зарядів дають (дискретні) молекули, які зв'язані між собою лише слабкими міжмолекулярними силами. Уже за низьких температур молекули можуть зміщуватися одна відносно одної - речовина плавиться.

Через уведення гетероатомів (у структуру молекули), наприклад кисню, органічні сполуки поляризуються (утворення часткових зарядів). Унаслідок цієї поляризації між молекулами розвиваються сили когезії, які можуть бути більшими за енергію ковалентного зв'язку всередині молекули. Це може призводити до того, що при нагріванні глюкози ще до випаровування настає розклад молекули.