Warum hat Alkohol eine geringere Dichte als Wasser?

Der Hauptgrund ist die Wasserstoffbindung. Schauen Sie sich das folgende Diagramm an ($^*$):

Wasserstoff und Sauerstoff haben deutlich unterschiedliche Werte der Elektronegativität (die Tendenz eines Atoms, Elektronen anzuziehen), was dazu führt, dass die molekularen Bindungen zwischen ihnen permanent polarisiert sind. Die Sauerstoffatome (rot dargestellt) in der$\mathrm{H_2O}$Molekül haben eine permanente negative Ladung, die Wasserstoffatome (in weiß dargestellt) eine permanente positive Ladung. Solche Moleküle werden permanente Dipole genannt . Elektrostatische Anziehungen zwischen diesen Ladungen sind durch dünne gepunktete Linien dargestellt.

Diese elektrostatischen Anziehungen verringern den durchschnittlichen Abstand zwischen den Molekülen, wodurch die Dichte erhöht wird.

Sie erschweren es den Molekülen auch, die flüssige Phase zu verlassen, was zu einem höheren Siedepunkt führt.

Auch Ethanol zeigt eine gewisse Wasserstoffbindung, da es auch ein permanenter Dipol ist, der schwächer als Wasser ist. Es gibt auch weniger davon.

Zusätzlich zu permanenten Dipolen sind einige Moleküle auch polarisierbar : Wenn die Elektronenwolken, die die Bindungen im Molekül bilden, während einer Kollision mit denen eines anderen Moleküls zusammenstoßen, verursacht eine elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen eine vorübergehende Polarisation. Dadurch erhöht sich der Siedepunkt etwas. Komplexere, längere Moleküle sind polarisierbarer und haben tendenziell höhere Siedepunkte.

$^*$: Das Diagramm gilt für hexagonales Eis, aber das Prinzip der Wasserstoffbindung in flüssigem Wasser ist dasselbe.

Dichte ist Masse pro Volumen, wenn also ein Molekül größer ist, hat es weniger Masse pro Volumen als ein kleineres Molekül mit gleichem Gewicht.

Außerdem müssen Sie die Abstände zwischen den Molekülen berücksichtigen, die von verschiedenen Parametern beeinflusst werden: Größe und Form der Moleküle, Ladungsverteilung usw.

Zum Vergleich: Es ist einfacher, Kugeln oder Quadrate dicht zu stapeln als unregelmäßig geformte Dinge wie Kreuze oder Stühle. Oder stellen Sie sich vor, Sie möchten Bleistifte mit geladenen Enden verpacken, die sich an beiden Enden abstoßen?

Die Dichte ist definiert als Masse pro Volumeneinheit. Ethanol hat im Vergleich zu Wasser eine geringere Dichte. Der Siedepunkt von Ethanol ist niedriger als der von Wasser aufgrund seiner Neigung zu starker Wasserstoffbindung.

Wenn ein Molekül eine große Größe hat, wird ein großer Raum durch das einzelne Molekül eingenommen. Also in einer gegebenen Menge an Volumen weniger nein. Moleküle untergebracht werden. Als weniger nein. Da in der gegebenen Volumenmenge Moleküle vorhanden sind, ist die Masse pro gegebener Volumeneinheit geringer. Daher ist die Dichte der Substanz geringer. Die Dichte hängt jedoch auch von der Anordnung der Atome, Ionen in der Substanz ab. zB Die Dichte des Metallhydrids ist aufgrund seiner Anordnung höher als die des Metalls.