Różnice właściwości izomerów cis-trans

[stechiometria]

Izomery cis-trans różnią się właściwościami, ale dlaczego np. cis- but-2-en ma wyższą temp. wrzenia niż trans? Z czego to wynika?

[mmmichal]

Temperatura wrzenia
Izomer trans ma moment dipolowy równy 0 a cis większy od 0, co wynika z ich budowy. Czyli w cząsteczkach izomeru cis elektrony są rozłożone bardziej nierównomiernie i występują w nich bieguny ujemne i dodatnie. Takie cząsteczki będą silniej na siebie oddziaływały (bardziej się przyciągały) niż cząsteczki izomeru trans. Wobec tego będzie potrzebna większa energia, żeby je przeprowadzić w stan gazowy.

To jest podobna sytuacja jak w przypadku H₂S i H₂O. Cząsteczki H₂O teoretycznie powinny mieć niższą temp. wrzenia od H₂S, bo są cięższe, ale ładunek jest w nich rozłożony bardziej nierównomiernie, więc przyciągają się silniej i trudniej im przejść z cieczy do gazu.

Więcej poczytaj sobie tu:
Tam masz też rysunek - co prawda dla izomerów cis i trans 1,2-dichloroetenu, ale dla but-2-enu będzie analogicznie.


Temperatura topnienia
Zgodnie z regułą Canelley’a wyższą temperaturę topnienia ma cząsteczka posiadająca więcej osi symetrii. Izomer trans jest bardziej symetrycznny niż cis, ma więc wyższą temp. topnienia. Rysunek z zaznaczonymi osiami symetrii obu izomerów i więcej szczegółów znajdziesz tu

[mmmichal]

Temperatura topnienia - c.d.
I może jeszcze wyjaśnienie, jeśli dla kogoś nie jest oczywisty związek wyższej temperatury topnienia z większą symetrią cząsteczek. Jak wiadomo, w krystalicznym ciele stałym cząsteczki są uporządkowane w ściśle określony sposób, a w cieczy są ułożone w sposób chaotyczny. Wobec tego cząsteczki o wyższej symetrii (izomery trans), którym łatwiej się uporządkować, będą chętniej (więc we większym zakresie temperatur) pozostawały w regularnej strukturze ciała stałego. Z kolei mało symetrycznym cząsteczkom (izomerom cis) trudniej ułożyć się w sieć krystaliczną, zatem szybciej (w niższej temperaturze) stopią się, czyli przybiorą nieuporządkowaną strukturę cieczy.

To przy okazji tłumaczy, dlaczego temperatura topnienia zależy od czystości substancji. Im więcej jest zanieczyszczeń, czyli cząsteczek o innych kształtach, tym większy robią bałagan w strukturze krystalicznej danej substancji i bardziej obniżają jej temperaturę topnienia.

Gęstość
Cząsteczki izomerów cis mają bardziej zwartą budowę od izomerów trans, więc w tej samej objętości zazwyczaj upchnie się ich więcej niż cząsteczek trans. Dlatego izomery cis mają zwykle większą gęstość od izomerów trans.