Phase changes and bonding Chemistry, Life, the Universe - - PDF document

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Phase ¡changes ¡and ¡bonding ¡

Chemistry, ¡Life, ¡the ¡Universe ¡& ¡Everything ¡– ¡Cooper ¡& ¡Klymkowsky ¡

Emergent ¡properCes ¡ ¡

• When ¡atoms ¡interact ¡to ¡form ¡larger ¡molecules ¡
• r ¡structures ¡– ¡they ¡have ¡emergent ¡properCes ¡ ¡
• How ¡many ¡atoms ¡must ¡interact ¡to ¡provide ¡

these ¡properCes ¡

• Does ¡the ¡size ¡of ¡the ¡“clumps” ¡of ¡atoms ¡affect ¡

the ¡properCes? ¡

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nanopar&cles ¡ Gold ¡nano-­‑parCcles ¡interact ¡ with ¡light ¡differently ¡ depending ¡on ¡the ¡size ¡of ¡the ¡ parCcle ¡ ¡ NanoparCcles ¡~ ¡1-­‑ ¡100 ¡nm ¡ (many ¡biomolecules ¡fall ¡into ¡ this ¡range) ¡ ¡ They ¡have ¡different ¡ properCes ¡than ¡bulk ¡ materials ¡ ¡ Depend ¡on ¡surface ¡area ¡to ¡ size ¡raCo ¡

hUp://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html ¡

Discrete ¡vs ¡conCnuous ¡materials ¡

What ¡trends ¡or ¡paUerns ¡can ¡you ¡see ¡here? ¡

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Changes ¡of ¡state ¡

• To ¡go ¡from ¡solid ¡à ¡liquid ¡à ¡gas ¡phase ¡

requires ¡energy, ¡where ¡does ¡it ¡come ¡from? ¡

• To ¡go ¡from ¡gasà ¡liquid ¡à ¡solid ¡phase ¡

releases ¡energy, ¡where ¡does ¡it ¡go? ¡ ¡

• What ¡is ¡the ¡energy ¡used ¡for? ¡(To ¡overcome ¡

aUracCons ¡between ¡parCcles) ¡

Effect ¡of ¡temperature ¡

• The ¡melCng ¡point ¡of ¡molecular ¡hydrogen ¡is ¡

14K ¡

– What ¡is ¡making ¡the ¡molecules ¡sCck ¡together? ¡

• The ¡boiling ¡point ¡of ¡molecular ¡hydrogen ¡is ¡ ¡

~20K ¡

– What ¡interacCon ¡is ¡overcome ¡when ¡H2 ¡boils? ¡

• At ¡~6000K ¡molecular ¡hydrogen ¡dissociates ¡

– What ¡interacCon ¡is ¡overcome ¡at ¡6000K? ¡

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MelCng ¡and ¡boiling ¡

• When ¡a ¡substance ¡melts, ¡the ¡interacCons ¡

between ¡the ¡parCcles ¡have ¡to ¡be ¡overcome ¡– ¡so ¡ that ¡they ¡can ¡move ¡relaCve ¡to ¡each ¡other ¡(that’s ¡ what ¡allows ¡a ¡liquid ¡to ¡flow). ¡

• The ¡magnitude ¡of ¡the ¡melCng ¡point ¡provides ¡an ¡

esCmate ¡of ¡the ¡strength ¡of ¡the ¡interacCons ¡ between ¡parCcles. ¡

• The ¡mp ¡(and ¡bp) ¡of ¡Li, ¡Be, ¡B, ¡and ¡C ¡are ¡much ¡

higher ¡because ¡chemical ¡bonds ¡(rather ¡than ¡ intermolecular ¡interacCons) ¡are ¡broken ¡when ¡ these ¡substances ¡melt. ¡

What ¡is ¡the ¡difference ¡between ¡a ¡ covalent ¡bond ¡and ¡LDF ¡

• Covalent ¡bond ¡

– Strong ¡(require ¡a ¡lot ¡of ¡ energy ¡to ¡break) ¡ – Caused ¡by ¡aUracCon ¡of ¡ electrons ¡from ¡one ¡atom ¡ to ¡nuclei ¡from ¡another ¡ atom ¡ – Hard ¡to ¡predict ¡bond ¡ strength ¡ – Present ¡only ¡when ¡atomic ¡

• rbitals ¡interact ¡

construc&vely ¡ – Within ¡molecules ¡or ¡ networks ¡

• LDF/van ¡der ¡Waals ¡interacCon ¡

– RelaCvely ¡weak ¡ – Caused ¡by ¡fluctuaCng ¡charge ¡ distribuCon ¡ – Increase ¡(predictably) ¡with ¡size ¡

• f ¡electron ¡cloud ¡

– Present ¡between ¡all ¡molecular ¡ level ¡species ¡ – Between ¡separate ¡molecules ¡ ¡