¿Por qué los compuestos de cadena ramificada tienen puntos de ebullición más bajos que los isómeros de cadena recta correspondientes?

Question

Los compuestos de cadena ramificada tienen puntos de ebullición más bajos que los isómeros de cadena recta correspondientes. Por ejemplo,

• $\ce{CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3}$ - Sin ramificación-Pentano (n-pentano) ($\mathrm{p.e.}=309~\mathrm{K}$)
• $\ce{CH_3CH(CH_3)CH_2CH_3}$ - Una ramificación-2-Metilbutano (Iso-pentano) ($\mathrm{p.e.}=301~\mathrm{K}$)
• $\ce{C(CH_3)_4}$ - Dos ramificaciones-2,2-Dimetilpropano (Neo-pentano) ($\mathrm{p.e.}=282.5\mathrm{K~}$)

Esto se debe a que la ramificación de la cadena hace que la molécula sea más compacta y, por lo tanto, disminuye el área superficial. Por lo tanto, las fuerzas atractivas intermoleculares, que dependen del área superficial, también se vuelven pequeñas en magnitud debido a la ramificación. En consecuencia, los puntos de ebullición de los alcanos de cadena ramificada son menores que los isómeros de cadena recta.

El extracto anterior de mi libro menciona claramente que la ramificación hace que la molécula sea más compacta y, por lo tanto, disminuye el área superficial. Incluso para los haluros de alquilo isoméricos, los puntos de ebullición disminuyen con la ramificación. La razón se dice que es debido a la disminución del área superficial, igual que se explicó anteriormente. ¿Cómo hace que la disminución del área superficial haga que las fuerzas intermoleculares sean pequeñas en magnitud?

Answer 1

La explicación simple es que las fuerzas intermoleculares débiles (las fuerzas que hacen que algo se condense a un líquido cuando hace lo suficientemente frío) dependen del área superficial (así como de muchas otras cosas). Pero en el caso de isómeros no polares relativamente similares (donde las fuerzas intermoleculares débiles son las fuerzas dominantes), el área superficial más grande llevará a una fuerza grande y, por lo tanto, al punto de ebullición más alto.

El 2,2 dimetil propano es una molécula compacta, casi esférica. El pentano es largo y "más flexible", por lo que experimentará más fuerzas entre las moléculas.

La explicación subyacente, pero ligeramente simplificada, de esto es que las fuerzas intermoleculares (a menudo llamadas fuerzas de van der Waal) dependen de las atracciones causadas por las fluctuaciones cuánticas en los electrones superficiales de la molécula. Estas conducen a momentos dipolares de corta duración que también pueden inducir dipolos en las moléculas vecinas a las que el dipolo original es atraído. Cuanto mayor sea el área superficial, mayor será la oportunidad para que existan tales dipolos y, por lo tanto, una fuerza más fuerte.

Answer 2

Las moléculas de cadena recta tienen más lugares a lo largo de su longitud donde pueden ser atraídas por otras moléculas, por lo que hay más posibilidades de que se desarrollen fuerzas de dispersión de Londres. Por lo tanto, tienen fuerzas intermoleculares más fuertes en comparación con las moléculas de cadena ramificada que tienen una forma compacta, por lo tanto, menos espacios donde pueden ser atraídas por otras moléculas.

Answer 3

Si sólo quieres una respuesta, Wolfram Alpha hace un trabajo corto, produciendo $(2,1+i,1-i)$ y todas las permutaciones de eso. Se esperan seis soluciones del producto de los grados. Puedes probar fácilmente x=y=z e y=z y encontrar una contradicción, demostrando que los valores de x,y y z son todos distintos. Entonces hay realmente una sola solución, con permutaciones que dan las seis. Si la solución es real, la sustitución dará un polinomio de sexto grado. Si la solución no es toda real, hay que tener un valor real y dos valores complejos conjugados, por lo que hay que poner $y=a+bi, z=a-bi$ con $x, a$ y $b$ real. Esto da

$\begin{align} &x+2a=4 \\ &x^2+2a^2-2b^2=4 \\ &x^3+2a^3-6ab^2=4 \end{align}$

que en realidad es más fácil que la versión real. Puedes resolver la segunda para $b^2$ y lo inserta en el tercero junto con $x=4-2a$ y obtener un cúbico que tendrá $a=1$ como solución.

He intentado jugar con los polinomios simétricos, pero no he encontrado ninguna aproximación hábil.

Answer 4

Los compuestos de cadena recta tienen un tamaño grande y, por lo tanto, tienen una gran polarizabilidad y fuertes fuerzas de dispersión de London, por lo tanto, presentan altos puntos de ebullición, mientras que los compuestos ramificados tienen una estructura compacta y, por lo tanto, tienen una baja polarizabilidad y bajos puntos de ebullición.

Answer 5

Las fuerzas de Londres / van der Waals son fuerzas débiles, pero su efecto depende tanto de la magnitud de las fuerzas mismas como de la distancia sobre la cual actúan. Las moléculas lineales pueden alinearse y colocarse paralelas entre sí, dando pequeñas distancias de separación. Esto hace que la atracción producida por las mismas fuerzas/momentos sea mayor.