Раздел 3.1

3.1 Проанализируйте влияние сил межмолекулярного взаимодействия на свойства веществ (решите задачу с указанным номером).

Задачи

3.1.1 Чем отличается взаимодействие между атомами или молекулами за счет вандерваальсовых сил от химического взаимодействия?

3.1.2 За счет, каких связей может осуществиться взаимодействие между молекулами:

а) Н₂ и О₂; H₂ и Н₂О;

б) NF₃ и BF₃; HCl и HCl;

г) HF и HF N₂ и N₂?

3.1.3 Определите, для какого из перечисленных веществ характерна

наибольшая энергия ориентационного и дисперсионного взаимодействия:

Свойство	He	Ar	CO	HCl	NH3	H2O
Дипольный момент, μ, Д	0	0	0,12	1,03	1,5	1,84
поляризуемость,А0	0,20	1,63	1,99	2,63	2,21	1,48

3.1.4 Чем объяснить близость температур кипения азота (-195,8°С), кислорода (-183⁰, С) и фтора (-187,9° С)?

Почему намного отличается от них температура кипения хлора (-34° С) ?

3.1.5 Можно ли образование водородных связей между молекулами рассматривать как результат ориентационного взаимодействия сильнополярных молекул?

3.1.6 Между молекулами каких веществ могут образовываться водородные связи: HF, HI, H₂O, H₂Te, NH₃, PH₃, CH₄, SiH₄?

3.1.7 Объясните различие во вкладе отдельных видов межмолекулярного взаимодействия в общую энергию этого взаимодействия для приведенных веществ. Проанализируйте зависимость температуры кипения этих веществ от энергии их межмолекулярного взаимодействия.

Молекулы	Энергия межмолекулярного взаимодействия, кДж/моль				Т.кип.,К
	ориентационное	индукционное	дисперсионное	общая
Аr	0	0	8,50	8,50	76
СО	0	0	8,75	8,75	81
HCl	3,31	1,00	16,83	21,14	188
NH3	13,31	1,55	14,74	29,60	239
H2O	36,38	1,93	9,00	47,31	373

8. Чем объяснить разную энергию водородных связей, образуемых молекулами различных веществ? Сравните:

Связь: F - H...F- О - Н...О- N - H...N- O - H...N-

Е, кДж/молъ: 25,12-33,5 12,6-29,3 12,6-20,93 16,75-29,3

9. Какие из перечисленных явлений можно объяснить формированием прочной водородной связи: 1) кальций взаимодействует с водородом с образованием гидрида кальция; 2) реакция хлора с водородом имеет цепной характер; 3)температура кипения Н₂О выше, чем Н₂S; 4) температура кипения C₇H₁₆ выше, чем C₃H₈? Дайте обоснованный ответ.

10. Объясните причину различия межъядерных расстояний водород-кислород в решетке льда (1 и 1,5 А⁰) и в димере уксусной кислоты ( 1 и 2,76 А ).

11. Объясните закономерности в изменении температур плавления простых веществ: а) в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода.

12. Как и почему изменяются температуры плавления и кипения в ряду инертных газов? Какое вещество и почему имеет самую низкую температуру кипения и плавления?

13. Объясните, почему температура плавления Н₂О значительно выше температуры плавления HF (-83°С), хотя дипольный момент молекулы Н₂О (1,84Д) меньше, чем молекулы HF (1,91 Д).

14. Проанализируйте влияние межмолекулярной водородной связи на температуру кипения:

а) гидридов р-элементов V группы;

б) гидридов р-элементов VI группы;

в) гидридов р-элементов VII группы.

10. Почему происходит резкий скачок в температурах кипения при переходе от галогенида Ш группы к галогениду IV группы:

NaF; MgF₂; AlF₃; SiF₄; PF₅; SF₆

Т.кип.,°С 1700 2260 1257 - 95 -85 -64

10. Чем вызвано увеличение температура кипения и теплоты испарения (ΔН_испар) с ростом порядкового номера элемента - благородного газа?

He Ne Аг Кг Xe Rn

Т.кип.,К: 4,2 27 87 120 165 211

ΔН_испар,кДж/моль: 0,084 1,80 6,53 9,04 16,79 16,79

10. Температуры кипения указанных веществ возрастают монотонно. Объясните это явление.

а) ВF₃ BCI₃ ВВг₃

Т. кип,К: 172 286 364

б) NF₃ PF₃ AsF₃

Т.кип.,K: I44 178 336 .

10. Чем объяснить уменьшение температура плавления в ряду:

Sb – Te - I - Хе соответственно: 631; 450; 113; - 111⁰С?

Как изменяется характер химической связи в твердых веществах в этом ряду?

19. Объясните близость физических констант СО и N₂ и значительное отличие свойств Ne:

СО N₂ Ne

ΔН_испар, кДж/моль: 6,03 5,61 1,80

Т.кип., К : 81,7 77,4 27

19. В каких веществах наблюдаются вандерваальсовы силы взаимодействия?

Какие межмолекулярные взаимодействия возникают в веществах:

Не CO₂ SiO₂ CH₄ H₂O Br₂ NaCl

Т.пл., К: 3,3 - 2000 89 273 267 1073

Т.кип.,К: 4,2 194 2500 111 373 332 1690

19. Проанализируйте справочные значения температур кипения: СН₄, СН₃С1, СН₂С1₂, СНС1₃, СС1₄.

Сделайте выводы.

19. Какое вещество имеет более высокие температуры кипения и плавления:

а) HCOCH₃; б) CH₃COOH; в) С₂Н₂? Дайте объяснения.

19. У какого соединения - С₂Н₅ОН или C₂H₅SH - выше температура кипения? Почему? Подтвердите свои выводы справочными данными.

20. Объясните причину того, что Н₂О₂ кипит при значительно более высокой температуре (150°С) по сравнению с водой, хотя их температуры плавления близки (0 и -0,46°С)?

21. Проанализируйте справочные значения температур кипения для веществ: C₃H₈; CH₃COCH₃; C₂H₅COOH. Сделайте выводы.

Методические указания к выполнению задания 3.1

При решении задач задания 3.1 следует учесть, какого типа взаимодействия возникают между структурными частицами вещества и от каких факторов зависит энергия межмолекулярного взаимодействия.

Силы межмолекулярного взаимодействия слабее сил, приводящих к образованию ковалентной связи, но проявляются они на больших расстояниях.

Кроме того, дисперсионное взаимодействие является универсальным для всех веществ; силы Ван-дер-Ваальса возрастают с увеличением молекулярной массы соединений. Типы межмолекулярных взаимодействий и примеры веществ приведены в таблице 10

Таблица 10-Типы межмолекулярного взаимодействия

	Типы межмоле-кулярного взаи-модействия название	Взаимодействующие частицы	Зависимость энер-гии взаимодейс-твия частицы от расстояния	Примеры веществ
1	Ион-ионное	Катион - анион	Е~Z1Z2/R2	Ионные твердые крис-талллы, расплавы ион-ных веществ: NaCl.
2	Ион-дипольное	Ион - полярная молекула	Е~z μ/R2	Растворы ионных ве-ществ в полярных раст-ворителях: NaCI в воде; КОН в спирте
3	Ион-индуцирован-ный диполь	Ион - неполярная молекула	Е~z2 α/R4	Растворы ионных ве-ществ в неполярных растворителях
4	Диполь-дипольное (ори-ентационное)	полярная полярная молекула - молекула	е~μ1μ2/R6	Вещества из полярных молекул: НС1;растворы полярных веществ в полярных раствори-телях: ацетон в воде
5	Диполь-инду-цированный диполь (ин-дукциионное)	полярная неполярная молекула - молекула	Е~μ2α/R6	Растворы неполярных веществ в полярных растворителях и, наоборот, бензол в воде; вода в СС14
6	Дисперсионное (Лондоновское)	неполярная неполярная молекула - молекула	Е~α1α2/R6	Универсальное,проявля-ется во всех молеку-лярных веществах: углеводороды, спирты НС1, 12…

Примечание Z – заряд иона;

R – расстояние между взаимодействующими частицами;

μ - электрический дипольный момент молекулы;

α - поляризуемость молекулы.

Примеры решения задания 3.1

Пример 1.Дипольный момент молекул НС1 и НСNравен 1,03 и 2,98Dсоответственно. Какова относительная роль диполь-дипольного и дисперсионного вкладов в межмолекулярные силы притяжения в молекуле НСN?

Решение: Диполь-дипольное взаимодействие пропорционально отношению μ⁴/d⁶, где μ – дипольный момент молекулы, d – расстояние между молекулами. Предположим, что молекулы НС1 и НСN приблизительно одинаковы по размеру и поэтому величина d должна быть приблизительно одинаковой. Поскольку дипольный момент у молекулы НСN примерно в 2,9 раза больше, чем у молекулы НСl, следует ожидать, что диполь-дипольное взаимодействие: для НСN окажется приблизительно в (2,9)⁴, т.е. в 70 раз больше, чем для НСl. В то же время дисперсионное взаимодействие для этих веществ должно быть примерно одинаковым. (Молекула НСl имеет большую массу, но тройная связь С≡N в молекуле НСN обладает большей поляризуемостью, чем простые одинарные связи). Выше было указано, что дисперсионный вклад в межмолекулярное взаимодействие в НС1 приблизительно в пять раз превышает диполь-дипольный вклад. Поскольку мы пришли к выводу, что диполь-дипольный вклад в молекуле НСN должен быть примерно в 70 раз больше, чем в молекуле НС1, следует ожидать, что для НСN диполь-дипольный вклад окажется в 10-15 раз больше вклада дисперсионных сил в полную энергию межмолекулярного притяжения.

Пример 2. Какое из следующих веществ – P₄O₁₀, Cl₂, AgCl, I₂ - вероятнее всего находится в газообразном состоянии при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении?

Решение: Поставленный вопрос cводится к тому, какое из перечисленных веществ характеризуется наименьшими межмолекулярными силами притяжения, поскольку, чем слабее эти силы, тем вероятнее, что вещество находится в газообразном состоянии при заданных температуре и давлении. Эти соображения заставляют выбрать среди перечисленных веществ С1₂, поскольку данная молекула неполярна и имеет наименьшую молекулярную массу. Действительно, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении С1₂ представляет собой газ, тогда как остальные вещества при тех же условиях находятся в твердом состоянии. И наименее вероятно, чтобы при заданных условиях в газообразном состоянии находится AgCl, поскольку это вещество состоит из ионов Ag⁺ и С1^-, между которыми действуют очень большие ионные силы, связывающие ионы в твердое вещество.

Пример 3. Расположите перечисленные ниже водородные связи в порядке возрастания прочности: О—Н…Сl, О—Н…N, N-Н…О, F—Н …О.

Решение: Самой слабой из приведенных водородных связей должна быть первая, О—Н…Сl, поскольку атом хлора, элемента третьего периода, имеет большие размеры и должен быть плохим донором электронной пары, необходимой для образования водородной связи. Водородные связи О—Н…N; F—Н…О должны иметь приблизительно одинаковую прочность, потому что больший диполь связи F—Н компенсируется лучшей донорной способностью азота по сравнению с кислородом. Обе эти связи должны быть прочнее водородной связи N—Н…О, так как диполь связи N—Н имеет небольшую величину. Исходя из сказанного, можно допустить такую последовательность возрастания прочности водородных связей:

О—Н…С1 < N—Н…О < О—Н…N ≈ F—Н…О.

Пример 4. Расположите в порядке возрастании температур кипения следующие вещества: ВаС1₂, Н₂, СО, НF и Nе.

Решение: Температура кипения жидкости определяется действующими в ней силами межмолекулярного притяжения. Эти силы в ионных соединениях имеют большую величину, чем в молекулярных жидкостях, поэтому самая высокая температура кипения среди названных веществ должна быть у ВaС1₂. Межмолекулярные силы в остальных веществах зависят от их молекулярной массы, полярности молекул и от наличия водородных связей. Молекулярные массы этих веществ равны: 2 у Н₂; 28 у СО; 20 у НF; 4 у Не. Температура кипения Н₂ должна быть самой низкой, поскольку молекула водорода неполярна и имеет самую низкую молекулярную массу. Молекулярные массы СО, НF и Ne приблизительно одинаковы. В НF имеются водородные связи, поэтому среди данных веществ он должен кипеть при самой высокой температуре. Следом за ним должен идти СО, молекулы которого характеризуются небольшой полярностью и самой большой молекулярной массой. Последним из этих трех веществ должен располагаться Ne, у которого неполярная одноатомная структурная частица. Таким образом, температура кипения пяти названных веществ должна увеличиваться в ряду

H₂ < Ne < CO < HF < BaCl₂.

Температуры кипения этих веществ имеют следующие значения по шкале Кельвина:

20 (H₂), 27 (Ne), 83 (СО), 293 (НF) и 1813 (BaCl₂).

Пример 5. С учетом каких факторов можно объяснить закономерности в изменении температур плавления: а) простых веществ в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода?

Решение: а) Все галогены в твердом состоянии имеют решетку молекулярного типа. Различная температура плавления их обусловлена различием в энергии вандерваальсовского взаимодействия.

б) Простые вещества элементов II периода различаются типом решетки. Металлическая - у лития и бериллия; атомная (ковалентная каркасная) - у бора и углерода; молекулярная - у азота, кислорода, фтора и атомная - у неона. Вещества с молекулярной решеткой имеют низкие температуры плавления. Самые высокие температуры плавления у веществ с решеткой атомного типа.

Пример 6. Чем объяснить, что температура плавления воды значительно выше температуры плавления фтороводорода (—83° С), хотя дипольный момент молекулы H₂O (1,84D) меньше, чем молекулы НF (1,91D)?

Решение: Между молекулами воды возникают три типа межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, диполь-дипольное и водородная связь. Молекулы воды, способные образовывать по 4 водородные связи, дают упорядоченную трехмерную сетку. Между молекулами фтороводорода также возникают три типа межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, диполь-дипольное и водородная связь. Молекулы фтороводорода способны образовать только по 2 водородные связи. Поэтому суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия в воде больше, чем во фтороводороде, и, как следствие, температура плавления воды выше, чем фтороводорода.

Пример 7. Можно ли, исходя из величин температур плавления ряда веществ, оценить, в каких случаях вещества имеют молекулярную решетку? Рассмотреть на примере:

Ne CH₄ HI H₂O P₄ PdCl₂ SiO₂ Si NaCl

Т. пл, К 24 89 222,3 273 317 1200 2000 1700 1073

Решение: Обычно низкоплавкие вещества (Ne, CH₄, HI, H₂O, P₄) имеют преимущественно молекулярную решетку, в которой молекулы удерживаются слабыми вандерваальсовыми силами. Ионные (PdCl₂, NaCl) и атомные ковалентные каркасные кристаллы (SiO₂, Si) плавятся при более высокой температуре, так как частицы в этих кристаллах связаны прочными ионными или ковалентными связями.

Задание 3.2. Для указанных веществ определите

- тип химической связи между атомами;

- структурные частицы вещества;

- тип кристалла;

- взаимодействия между структурными частицами вещества.

- Сравните физические свойства веществ:

- высокие или низкие температуры кипения и плавления;

- агрегатное состояние при нормальных условиях;

- электропроводимость;

- растворимость в воде и органических растворителях;

- механические свойства (твердое или мягкое, хрупкое или пластичное…).

- Подтвердите Ваши предположения справочными данными о свойствах указанных веществ.

Методические указания к выполнению задания 3.2

Физические и химические свойства вещества определяются доминирующим типом химической связи, которая реализуется в веществе; составом структурных частиц (атомы, ионы, молекулы); видом межмолекулярных взаимодействий между ними; а также их пространственным расположением в образующейся структуре. Классификация веществ по типу химической связи и краткое, описание их наиболее характерных физических свойств приведены в таблице 11.

Таблица 11- Классификация кристаллов по типу химической связи и физическим свойствам веществ

Тип	Структурные	Взаимодействие	Свойства	Примеры
кристалла	частицы	между струк­турными части­цами
Атомный	Атомы	Лондоновские	Мягкость, низкая тем-	Благородные
		дисперсионные	пература плавления,	газы-Не,
		силы	плохие тепло- и электропроводность	Аг, Кг, Хе, Rn
Молекулярный	Полярные или	Вандервальсовы	Умеренная мягкость,	Метан СН4,
	неполярные мо-	силы (диспер-	температура плавле-	сахар
	лекулы	сионные, ди-	ния от низкой до уме-	С12Н22О11,
		поль-дипольные водородные связи)	ренно высокой, плохие тепло- и электропроводность	С02,Н20,...
Ионный	Положительно и	Ионная	Твердость и хруп-	Типичные
	отрицательно	химическая	кость, высокая темпе-	соли, напри-
	заряженные ио-	связь	ратура плавления,	мер NaCl,
	ны		плохие тепло- и элек­тропроводность в тв. состоянии, в жидком -электролиты	Ca(N03)2
Атомный	Атомы неме-	Ковалентная	Высокая твердость,	Алмаз С,
ковалентныи	таллов, связан-	связь	очень высокая темпе-	кварц Si02
(каркасный)	ные в каркас ковалентными связями		ратура плавления, плохие тепло- и элек­тропроводность
Металлический	Атомы метал-	Металлическая	Степень твердости са-	Все метал-
	лов	связь	мая различная, темпе­ратура плавления от низкой до очень высо­кой, высокие тепло- и электропроводность, ковкость и пластич­ность	лические элементы, например Сu, Fe, Al, W

Пример решения задания 3.2

Сравнить физические свойства следующих веществ:

а) CS₂; б) Na₂SO₄; в) Cu; г) SiC.

Решение:

а) Атомы углерода и серы являются неметаллами, между ними образуется ковалентная полярная связь. Структурными частицами сероуглерода (CS₂) являются неполярные молекулы: S=C=S. Образующийся при определенных условиях кристалл сероуглерода относится к молекулярному типу. Между неполярными молекулами CS₂ … CS₂ возникают только дисперсионные взаимодействия, характеризующиеся незначительной энергией. Поэтому следует ожидать, что сероуглерод имеет относительно невысокие температуры кипения (46^оС) и плавления (-109^оС). При стандартных условиях это летучая жидкость, сероуглерод неэлектропроводен, не растворяется в воде, но хорошо растворяется и растворяет малополярные (жиры) и неполярные вещества (фосфор, серу, йод).

б) Сера и кислород являются неметаллами, между ними возникает ковалентная полярная связь. Они образуют молекулярный анион SO₄^2-. Натрий является металлом и с неметаллами образует ионную связь. Сульфат натрия, таким образом, состоит из ионов Na⁺ и SO₄^2-, и образует ионный кристалл. Между структурными частицами сульфата натрия – ионами Na⁺ и SO₄^2- - возникает прочная ионная химическая связь. Поэтому сульфат натрия должен характеризоваться высокими температурами плавления (884^оС) и кипения (1430^оС). При стандартных условиях это твердое, хрупкое, солеобразное кристаллическое вещество. Сульфат натрия не проводит электрический ток в твердом состоянии, в жидком – в расплаве или в растворе – является электролитом. Сульфат натрия, как ионное соединение, хорошо растворим в воде, но не растворим в органических растворителях.

в) Медь является металлом и между атомами меди возникает металлическая химическая связь, образуется металлический кристалл. Особые свойства металлической связи определяют особые свойства металлов. Медь, как и все металлы, обладает характерным блеском, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью, ковкостью. Она нерастворима ни в каких растворителях за счет физического процесса. При стандартных условиях медь – твердое вещество с довольно высокой температурой плавления (1083^оС) и кипения.

г) Монокарбид кремния – SiC – состоит из атомов неметалла, между которыми возникает прочная малополярная химическая связь. И кремний и углерод характеризуются высокой валентностью, каждый из атомов может образовать по четыре связи. Поэтому в монокарбиде кремния реализуется ковалентная каркасная структура, построенная из структурных частиц - атомов неметаллов Si и C, связанных прочной ковалентной химической связью. Для монокарбида кремния следует ожидать очень высокой температуры плавления (≥2600^оС) и кипения. Монокарбид кремния характеризуется высокой твердостью, является диэлектриком, нерастворимым ни в каких растворителях.