שאלה 1: ד קוטביות רגעית אך קבועה זניחה: i, v קוטביות רגעית וקבועה לא זניחה: iii, iv , ii
שאלה 2: ב i < v < ii < iv < iii
שאלה 3: להלן התשובות ובהמשך ההסבר לכל קביעה.
א. PBr3 < CS2 לא נכון
ב. SeH2 < BF3 לא נכון
ג. BF3 < CO2 לא נכון
ד. CH3COOCH3 > CS2 נכון
נימוק הקביעות:
א. טבלת ניתוח הגורמים המשפיעים על חוזק הקשרים הבין מולקולריים
| החומר | גודל ענן האלקטרונים | קוטביות קבועה | מסקנה על סדר נקודות הרתיחה |
| PBr3 | 35×3 + 15 = 120 | יש (פירמידה משולשת) | נ' רתיחה גבוהה |
| CS2 | 16×2 + 6 = 38 | אין (קווית סימטרית) | נ' רתיחה נמוכה |
מולקולת PBr3 בעלת קוטביות קבועה בשל צורת פירמידה משולשת בעוד ש – CS2 בעלת קוטביות רגעית בלבד בשל צורה קווית סימטרית. בנוסף, ענן אלקטרונים גדול יותר ב- PBr3 ולכן הקוטביות הרגעית שלה גדולה יותר מאשר ב- CS2 (יש סיכוי גדול יותר להיווצרות דו-קטבים רגעיים המושכים מולקולה שכנה חזק יותר). לכן כוחות המשיכה בין מולקולריים מסוג אינטראקציות ואן דר ואלס של PBr3 גדולים מאלה של CS2, נדרשת יותר אנרגיה על מנת לשבור את הקשרים האלה ולכן נקודת הרתיחה של PBr3גבוהה יותר משל CS2.
ב. טבלת ניתוח הגורמים המשפיעים על חוזק הקשרים הבין מולקולריים
| החומר | גודל ענן האלקטרונים | קוטביות קבועה | מסקנה על סדר נקודות הרתיחה |
| BF3 | 9×3 + 5 = 32 | אין (משולש מישורי סימטרי) | נ' רתיחה נמוכה |
| SeH2 | 1×2 + 34 = 36 | יש (זוויתית) | נ' רתיחה גבוהה |
ל-SeH2 קוטביות קבוע בעוד של-BF3 יש קוטביות רגעית בלבד. בנוסף ענן האלקטרונים של SeH2 גדול יותר ולכן יש למולקולה קוטביות רגעית גבוהה יותר. לכן כוחות המשיכה הבין מולקולריים מסוג ואן דר ואלס חזקים יותר ב-SeH2, נדרשת יותר אנרגיה לפירוק קשרים אלו ולכן נקודת הרתיחה גבוהה יותר מאשר ל-BF3.
ג. טבלת ניתוח הגורמים המשפיעים על חוזק הקשרים הבין מולקולריים
| החומר | גודל ענן האלקטרונים | קוטביות קבועה | מסקנה על סדר נקודות הרתיחה |
| BF3 | 9×3 + 5 = 32 | אין (משולש מישורי סימטרי) | נ' רתיחה גבוהה |
| CS2 | 16×2 + 6 = 38 | אין (קווית סימטרית) | נ' רתיחה נמוכה |
לשתי המולקולות אין קוטביות קבועה ולכן נשווה רק קוטביות רגעית. היות וענן האלקטרונים של CS2 גדולה יותר מזו של BF3 הסיכוי להיווצרות דו קטבים רגעיים, גדול יותר ב- CS2 ולכן כוחות המשיכה מסוג ואן דר ואלס בין המולקולות חזקים יותר בחומר הזה, נדרשת יותר אנרגיה לשבירת הקשרים הללו ולכן טמפרטורת הרתיחה של CS2 גבוהה יותר.
ד. טבלת ניתוח הגורמים המשפיעים על חוזק הקשרים הבין מולקולריים
| החומר | גודל ענן האלקטרונים | קוטביות קבועה | מסקנה על סדר נקודות הרתיחה |
| CH3COOCH3 | 6×3 + 8×2 + 6= 40 | יש (משולש מישורי לא סימטרי) | נ' רתיחה גבוהה |
| CS2 | 2×16 + 6 = 38 | אין (קווית סימטרית) | נ' רתיחה נמוכה |
למולקולת CH3COOCH3 ענן אלקטרונים גדול יותר מאשר לפחמן דו גופרי ולכן יש סיכוי להיווצרות של יותר דו קטבים רגעיים הגורמים לכוחות משיכה חזקים יותר כתוצאה ממשיכה בין דו קטבים רגעיים רבים יותר. בנוסף, קיימת במולקולת CH3COOCH3 קוטביות קבועה בשל צורתה של משולש מישורי לא סימטרי סביב לפחמן הקשור לאטומי חמצן, בעוד שלמולקולת פחמן דו גופרי אין קוטביות קבועה בשל צורתה קווית סימטרית. לכן בין המולקולות CH3COOCH3 קיימים בנוסף אינטראקציות ואן דר ואלס מסוג דו קוטב קבוע דו קוטב קבוע. כתוצאה מכך נדרשת יותר אנרגיה לשבירת הקשרים הבין מולקולריים של CH3COOCH3 ולכן טמפרטורת הרתיחה גבוהה יותר.
שאלה 4: i. א ו-ג
א. נק' רתיחה של בוטאן גבוה משל איזובוטאן כי שטח פנים למגע גדול יותר
ג. נק' הרתיחה של 2 בוטֶן (טרנס) גבוהה מזו של 2 בוטֶן (ציס) בגלל שטח פינם למגע גדול יותר
נימוק קביעתנו לכל הגד:
א. נק' רתיחה של בוטאן גבוה משל איזובוטאן כי שטח פנים למגע גדול יותר – נכון, שני החומרים איזומרים ולכן בעלי מולקולות עם ענן האלקטרונים זהה ולכן קוטביות רגעית זהה, שתי המולקולות בעלות קוטביות קבועה זניחה כי מורכבות מאטומי מימן ופחמן בלבד ולכן הגורם שטח פנים למגע הוא הגורם יחיד שונה ומשפיע.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
למולוקלת איזובוטאן יש הסתעפות בעוד למולקולת בוטאן אין ולכן שטח פנים למגע שלה קטן יותר. משמעות הדבר היא שמספר הדו קטבים הרגעיים היעילים ביצירת משיכה בין המולקולות קטן יותר ולכן כוחות המשיכה בין המולקולות חלשים יותר, כלומר נדרשת פחות אנרגיה לשבירת הקשרים הללו ולכן נק' הרתיחה נמוכה יותר.
ב. נק' הרתיחה של בוטאן גבוהה מזו של איזובוטאן בגלל ענן אלקטרונים גדול יותר – לא נכון – ענן האלקטרונים של מולקולה הוא סכום כל אלקטרוני המולקולה שני החומרים איזומרים ולכן בעי אותו מספר אלקטרונים.
ג. נק' הרתיחה של 2 בוטֶן (טרנס) גבוהה מזו של 2 בוטֶן (ציס) בגלל שטח פינם למגע גדול יותר – נכון, שני החומרים איזומרים ולכן בעלי מולקולות עם ענן האלקטרונים זהה, שתי המולקולות בעלות קוטביות קבועה זניחה כי מורכבות מאטומי מימן ופחמן בלבד ולכן שטח פנים למגע יכול להשפיע בצורה משמעותית על הכוחות הבין מולקולריים.
האיזומר טרנס בעל מולקולה עם צורה ישרה יותר מאשר האיזומר ציס ולכן שטח פנים למגע גדול יותר , מספר הדו קטבים הרגעיים היעילים ביצירת משיכה בין המולקולות גדול יותר ולכן כוחות המשיכה בין המולקולות גדולים יותר, כלומר נדרשת יותר אנרגיה לשבירת הקשרים הללו ולכן נק' הרתיחה גבוהה יותר.
א. נק' הרתיחה של 2 בוטֶן (טרנס) גבוהה מזו של 2 בוטֶן (ציס) בגלל שהמולקולה קוטבית יותר
לא נכון – אמנם על פי הצורה, איזומר ציס פחות סימטרי מאיזומר טרנס כי שני קבוצות –CH3 מאותו צד ביחס לקשר הכפול אבל היות והפרשי האלקטרושליליות בין פחמן למימן קטן הקוטביות של המולקולה יחסית נמוכה ולכן משפיעה פחות משטח פנים למגע.
שאלה 5:
הסבר על כל אחד מהגורמים המשפיעים על חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס:
1.גודל ענן האלקטרונים: ככל ש"גודל ענו האלקטרונים" של המולקולה גדל, חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס גדל מכיוון שהסיכוי להיווצרות דו קטבים רגעיים במולקולה גדל ולכן היווצרו יותר מוקדים למשיכה בין המולקולות.
2. קוטביות המולקולה: ככל שהקוטביות הקבוע של מולקולה גדלה, חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס גדל מכיוון שהדו-קטבים מושכים אחד את השני בכוח חזק יותר ולכן נדרשת יותר אנרגיה כדי לפרק את הקשרים הבין מולקולריים.
3. שטח פנים למגע של המולקולה: ככל ש"שטח הפנים למגע" של המולקולות גדל, חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס גדל, מכיוון שנוצרים יותר דו-קטבים רגעיים יעילים המסוגלים ליצור מוקדי משיכה בין המולקולות. דו קטבים רגיעיים יעילים הם דו-קטבים קרובים למולקולה השכנה המצליחים ליצור דו קוטב מושרה משמעותי במולקולה השכנה. גורם זה הוא גורם משני ביחס לשני הגורמים הראשונים ולכן הוא משמעותי רק במקרים ששני הגורמים הקודמים זהים או מאד דומים.
שאלה 5א: CCl4 (77oC)n ו-CHCl3 (61oC)n
הסבר הטבלה:
גודל ענן האלקטרונים הוא מספר סה"כ האלקטרונים שבמולקולה ולכן הוא סכום המספרים האטומים כפול האינדקס של כל יסוד בנוסחה המולקולרית. ניתן לראות שמבחינת גורם זה, CCl4 בעל כוחות משיכה בין מולקולריים חזקים יותר.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
מבחינת הגורם קוטביות קבועה, CCl4 אינו קוטבי כי הוא בעל צורת מולקולה טטרהדר סימטרית. מולקולת CHCl3 קוטבית כי היא בעלת צורת טטרהדר לא סימטרי. על כן, מבחינת גורם זה, כוחות המשיכה הבין מולקולריים של CHCl3 חזקים יותר. שטח פנים למגע הוא גורם חלש יותר משני הגורמים הקודמים והיות ויש הבדל בגורמים הללו לא נתייחס אליו ונציין שהו "מסדר שני".
לפי ההסבר הנ"ל, ההסבר לסדר נקודות הרתיחה הוא: במקרה הספציפי הזה, גורם "גודל ענן האלקטרונים" משפיע חזק יותר מאשר הגורם "קוטביות הקבועה" של המולקולה ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס חזקים יותר בפחמן ארבע כלורי ולכן נדרשת אנרגיה גדולה יותר לפירוק הקשרים הללו מה שגורם לנק' רתיחה גבוהה יותר.
שאלה 5ב: CF4 (–128oC)n ו-CHF3 (–82oC)n
הסבר הטבלה: גודל ענן האלקטרונים גדול ב- CF4 ולכן מבחינת גורם זה כוח המשיכה הבין מולקולרי חזק יותר. מצד שני מולקולת CF4 איננה קוטבית כי היא בעלת צורה טטרהדר סימטרית בעוד של- CHF3 מולקולה בעלת צורה טטרהדר לא סימטרית ולכן קוטבית. גם כאן, שטח פנים למגע הוא גורם מסדר שני ולכן ההסבר במקרה הספציפי הזה , לסדר נקודות הרתיחה הוא, שגורם הקוטביות חזק יותר מגורם גודל ענן האלקטרונים ולכן כוחות המשיכה בין מולקולריים של מולקולות CHF3 חזקים יותר, נדרשת יותר אנרגיה לשבירת הקשרים הבין מולקולריים ולכן נק' הרתיחה של התרכובת גדולה יותר מאשר של CF4.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 5ג: PCl3 (76 oC)n ו- PF3 (-102 oC)n
גודל ענן האלקטרונים ב- PCl3 גדול מאשר ב – PF3 ולכן מבחינת גורם זה, הכוחות הבין מולקולריים חזקים יותר כפי שהוסבר לעיל. שתי המולקולות קוטביות מכיוון ששתיהן בעלות צורה פירמידה משולשת וקיים הפרש באלקטרושליליות בין האטומים הקשורים למרכזי והאטום המרכזי ולכן גורם זה משפיע בצורה דומה על הכוחות הבין מולקולריים. שטח פנים למגע הוא מסדר שני ולכן גודל ענן האלקטרונים הוא הגורם הקובע. אם כן, הכוחות הבין מולקולריים בין מולקולות PCl3 חזקים מאשר בין מולקולות PF3, נדרשת יותר אנרגיה על מנת לשבור את הקשרים הבין מולקולריים ולכן נקודת הרתיחה גבוהה יותר ב- PCl3.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 5ד: PCl3 (76oC)n ו- NCl3 (71oC)n
ענן האלקטרונים של PCl3 גדול מאשר ב- NCl3. בנוסף, מולקולת PCl3 קוטבית מכיוון שהיא בעלת צורה של פירמידה משולשת וקיים הפרש בין אלקטרושליליות האטומים הקשורים למרכזי והאטום המרכזי. מצד שני, שמולקולת NCl3 קוטבית כי היא בעלת צורה של פירמידה משולשת.
גורם שטח פנים למגע הוא מסדר שני לגורם ענן האלקטרונים במקרה זה. לסיכום, על פי גודל ענן האלקטרונים, חוזק הכוחות הבין מולקולריים גדול יותר בין מולקולות של PCl3 מאשר NCl3 ולכן נדרשת יותר אנרגיה לשבירת הקשרים הבין מולקולריים ולכן נקודת הרתיחה גבוהה יותר ב- PCl3.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 5ה: ICl (98oC)n ו- Br2 (59oC)n
ענני האלקטרונים של שתי המולקולות זהים ולכן גורם זה משפיע בצורה דומה על נק' הרתיחה. מולקולת ICl קוטבית כי היא קווית בעלת שני אטומים עם הפרש באלקטרושליליות לא מבוטל. שטח הפנים למגע הוא גורם משני ביחס לשני הגורמים הראשונים. על כן, גורם קוטביות קבועה מסביר את ההבדל בנקודות הרתיחה. הכוחות הבין מולקולריים חזקים יותר ב ICl- ולכן נדרשת יותר אנרגיה לפירוק הקשרים הבין מולקולריים ולכן נק' רתיחה גבוהה יותר.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 5ו: SiF4 (-86oC)n ו- SiH4 (-112 oC)n
ענן האלקטרונים של SiF4 גדול בצורה משמעותית מזה של SiH4. שתי המולקולות לא קוטביות מכיוון ששתיהן בעלות צורה טטרהדר סימטרית (סכום דו-הקטבים של הקשרים שווה לאפס). שטח פנים למגע הוא גורם משני ביחס לגורמים הראשונים ולכן לא משמעותי במקרה זה. לסיכום, גודל ענן האלקטרונים מסביר את ההבדל בין נקודות הרתיחה: ל- SiF4ענן אלקטרונים גדול יותר ולכן כוחות המשיכה בין המולקולות חזק יותר, נדרשת יותר אנרגיה על מנת לפרק את הקשרים ולכן נק' הרתיחה שלו גבוהה יותר.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 5ז: ציקלוהקסאן (81oC) ( C6H10) ו- C6H12 (הקסאן) (69oC)
ענן האלקטרונים של שתי המולקולות מאד דומה (הבדל של שני אלקטרונים מתוך 46) ולכן גורם זה לא אמור לשנות בצורה משמעותית את נק' הרתיחה. שתי המולקולות לא קוטביות (קוטביות זניחה) מכיוון הן מורכבות מאטומי פחמן ומימן בלבד). שטח פנים למגע יכול להשפיע במקרה זה שכן שני הגורמים הראשונים מאד דומים. הצורה הטבעתית של הציקלוהקסאן מאפשר למולקולות להסתדר באריזה צפופה יותר מאשר למבנה שרשרת הפתוחה. הקצוות הפתוחים במבנה השרשרת הפתוחה, יכולים לנוע ולהפריע ליצירת אריזה צפופה ולכן שטח הפנים של הצילוהקסאן גדול מזה של ההקסאן. גורם שטח פנים למגע הוא המסביר את ההפרש בנקודת הרתיחה. כוחות המשיכה מסוג ואן דר ואלס, חזקים יותר בין מולקולות של צילקוהסאן ולכן נדרשת יותר אנרגיה על מנת לשבור את הקשרים בין המולקולות וכלן נק' הרתיחה גבוהה יותר.
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
שאלה 6: א ו-ב
א. קלקר (פוליסטירן) פולימר* בעל נוסחה מתמוסס באצטון
ב. לגזים אצילים יש נקודת רתיחה והתכה (כלומר, הם יכולים להפוך לנוזל ולמוצק)
שאלה 7
תהליכי ההמראה הם מעברים ממצב מוצק למצב גז. במעברים אילו נשברים קשרים בין מולקולריים בדומה לתהליך הרתיחה ולכן טמפרטורת ההמראה היא מדד לחוזק הקשרים הבין מולקולריים במוצק. ניתן לראות ששתי המולקולות (CO2 ו- SO2) לא יוצרות קשרי מימן עם מולקולות נוספות של אותו חומר. הבה נבנה טבלת השוואת הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס (הטבלה מצד שמאל).
טבלת השוואה בין הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס
מהשוואה בין הגורמים הללו ניתן לראות שענן האלקטרונים של SO2 גדול מזה של CO2 ולכן יש סיכוי גדול יותר להיווצרות דו קטבים רגעים בגופרית דו חמצנית ולכן כוחות משיכה חזקים יותר בין המולקולות של החור בגלל גורם זה. בנוסף מולקולת SO2 קוטבית בעוד שמולקולת CO2 לא קוטבית ולכן יש כוח משיכה בין מולקולות גופרית דו חמצני בשל משיכה חשמלית בין קטבים קבועים. שטח פנים למגע הוא גורם משני בדוגמה זו ולכן נוכל להסיק שכוחות המשיכה הבין מולקולריים של גופרית דו חמצנית חזקים מאילה של פחמן דו חמצני ולכן נדרשת יותר אנרגיה על מנת לפרק את הקשרים הבין מולקולריים של גופרית דו חמצנית ולכן נק' ההמראה שלו גבוהה יותר.
שאלה 8: על מנת להסביר את השינוי המקרוסקופי של הקלקר באצטון: איבוד המבנה האוורירי בעל נפח יחסית גדול לגוש מוצק 'טן כאילו מתמוסס לגמרי באצטון, נתייחס לשלבים בתהליך המסיסות.
בשלב ראשון חייבים להיווצר קשרים חדשים חזקים בין מולקולות הממס והמומס. בשלב בשני חייבים להישבר קשרים ישנים הקיימים בין מולקולות המומס וכן קשרים הקיימים בין מולקולות הממס. בשלב השלישי, מולקולות הממס מקיפות את מולקולות המומס ומושכות אותן לאזור הממס בו נוצרת התמיסה.
מוקלות הקלקר (פוליסטירן) יוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד. גם בין מולקולות האצטון נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד ולכן הן יכולות ליצור קשרים יחסית חזקים עם מולקולות של פוליסטירן מסוג ואן דר ואלס. היות ומדובר בפולימר בעל מולקולות גדולות מאוד, מולקולות האצטון חייבות להיכנס באזורים בין מולקולות הפוליסטירן. מבנה הקלקר האוורירי, מאפשר כניסה של מולקולות האצטון וכך נוצרים קשרים רבים בין המולקולות של שני החומרים. קשרים אלה מצליחים לשבור את הקשרים הבין מולקולריים הקיימים בין מולקולות הפוליסטרן אשר מקנים לחומר את התכונה האוורירית והנפח הגדול יחסת. מולקולות האצטון מקיפות חלקית את מולקולות הפוליסטירן ולמרות שלא מצליחות להמיס לגמרי את החומר בשל גודלן העצום של המולקולות, מצליחות לשבור את המבנה המרחבי של הקלקר ולהפוך אותו לגוש מוצק יחסית קטן.
מולקולת פוליסטירן (קלקר)
מולקולת אצטון
