Sbornik zadanii dlya SRS po disc Himiya
.pdf10
σ-Связи N-H образуются по обменному механизму перекрыванием sp3- гибридных атомных орбиталей атома азота и 1s-орбиталей атомов водорода.
sp3 –Гибридные атомные орбитали ориентированы из центра тетраэдра к его вершинам, под углом 109°28'. Одна из вершин «тетраэдра» (в направлении неподеленной электронной пары) остается свободной. Таким образом, молекула NH3 имеет геометрическую форму треугольной пирамиды, вершиной которой является атом азота, а в основании находятся атомы водорода. Валентный угол между связями HNH должен составлять 109°28'.
|
|
3 - связи |
|
N |
ЭОN = 3,0 |
|
|
ЭОн = 2,1 |
H |
H |
ЭО = 3,0 - 2,1 = 0,9 , связи полярные |
H
Степень ионности связи N-H находим на основании табл. 6 и 7. Чем выше различие в ЭО, тем в большей степени cвязь приближается к ионной. Например, для связи Н-F: ЭО = 4-2,1=1,9; следовательно, связь полярноионная на 50%.
Рассчитаем ионность связи N-H. Значение ∆ЭО=0,9 находится между значениями 0,6 и 1,2. Разница 1,2-0,6=0,6 единиц, разница степени ионности: (25 – 7 = 18). Разница ∆ЭО в нашем случае: (0,9 - 0,6 = 0,3). На разность ∆ЭО = 0,3 приходится разность степени ионности, рассчитанная по пропорции:
0,6 - 18 х=9.
0,3 - х
Прибавляем 9 к меньшему значению 7 и получаем степень ионности связи N-H: (7 + 9=16%).
Так как σ - связи молекулы полярные и молекула NH3 имеет несимметричное строение, то суммарный дипольный момент молекулы не равен 0 (μ≠0), т.е. молекула NH3- полярная и ее можно представить как диполь, в котором избыточный отрицательный заряд находится на азоте, а положительный на атомах водорода.
Теоретический валентный угол HNH (без учета гибридизации) равен 90°, но так как наблюдается sp3-гибридизация, валентный угол должен приблизиться к 109°28', справочные данные -107°.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6 |
|
|
Определение степени ионности связи |
|
||||
ЭО |
0 |
|
0.6 |
1.2 |
1.8 |
2.2 |
2.6 |
Степень |
|
|
|
|
|
|
|
ионности |
|
|
|
|
|
|
|
связи, % |
0 |
|
7 |
25 |
47 |
61 |
74 |
11
Таблица 7 Относительные электроотрицательности элементов (по Полингу)
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Li |
Be |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
C |
N |
O |
F |
1,0 |
1,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1, |
2, |
3, |
3, |
4, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
5 |
0 |
4 |
0 |
Nа |
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Al |
Si |
P |
S |
Cl |
0,9 |
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1, |
1, |
2, |
2, |
3, |
3 |
4,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
9 |
2 |
6 |
2 |
K |
Ca |
Sc |
Ti |
V |
Cr |
M |
Fe |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
G |
Ge |
As |
Se |
Br |
0,8 |
1,0 |
1, |
1, |
1, |
1,7 |
n |
1, |
1, |
1, |
2, |
1, |
d |
2, |
2, |
2, |
3, |
2 |
|
4 |
5 |
6 |
|
1,6 |
8 |
9 |
9 |
0 |
6 |
1, |
0 |
2 |
6 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
Rb |
Sr |
Y |
Zr |
N |
M |
Tc |
Ru |
Rh |
Pd |
A |
Cd |
In |
Sn |
Sb |
Te |
I |
0,8 |
0,9 |
1, |
1, |
b |
o |
- |
2, |
2, |
2, |
g |
1, |
1, |
1, |
2, |
2, |
2, |
2 |
|
2 |
5 |
1, |
2,2 |
|
2 |
3 |
2 |
1, |
7 |
6 |
8 |
0 |
1 |
7 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
Cs |
Ba |
|
|
|
|
|
|
|
Pt |
A |
H |
Tl |
Pb |
Bi |
P |
|
0,7 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
2, |
u |
g |
2, |
2, |
2, |
O |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2, |
2, |
0 |
3 |
0 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
0 |
|
|
|
|
|
Значения, указанные для переходных металлов, относятся к состоянию окисления +2.
Таблица 8
Геометрия основных типов молекулярных структур
Число |
Расположение |
Число |
Число |
Геометрия |
Примеры |
|||||||||
стерео- |
Электронных пар |
связы- |
непо- |
молекулы |
|
|
||||||||
активных |
|
вающих |
делен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
электр. |
|
электр. |
ных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пар |
|
пар |
пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
||||||||
2 |
линейное |
2 |
0 |
линейная |
СO2, N2O, HCN |
|||||||||
|
|
|
|
=Х= |
|
|
||||||||
|
|
|
|
линейная |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
треугольное |
3 |
0 |
плоская |
|
SO3, BF3, |
||||||||
|
равностороннее |
|
|
треугольная |
|
СН2О |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO32-,NO3- |
|
|
|
|
|
|
|
Х |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
2 |
1 |
изогнутая |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Х |
|
- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SO2, NO2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
||||||||
4 |
тетраэдрическое |
4 |
0 |
тетраэдричес- |
CH4, NH4+ |
|||||||||
|
|
|
|
кая |
SO42- |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BF4- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1 |
тригональная |
|
|
||||||||
|
|
пирамидальная |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Х |
NH3, ClO3-, |
|||
|
|
|
|
изогнутая |
SO32- |
H3O+ |
||||||||
|
|
2 |
2 |
|
|
X |
PCl3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2O ClO2- |
|
5 |
тригональное |
5 |
0 |
тригональная |
PCl5 |
SbCl5 |
||||||||
|
бипирамидальное |
|
|
бипирамидаль- |
|
|
||||||||
|
|
|
|
ная |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
4 |
1 |
«ходульная» |
SF4 |
|
||||||||
|
|
|
X |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
TeCl4 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
Т-образная |
|
|
||||||||
|
|
|
X |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ClF3 |
|
|
|
|
|
линейная |
BrF3 |
J3- |
||||||||
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
XeF2 |
|
6 |
октаэдрическое |
6 |
0 |
октаэдрическая |
SF6 |
SiF2- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PF6- |
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
5 |
1 |
пирамидальная |
|
|
||||||||
|
|
квадратная |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
BrF5,ХeOF4, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
X |
||||||||
|
|
|
|
|
|
SbCl5 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
плоская |
|
|
||||||||
|
|
квадратная |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
X |
BrF4-, ХeF4 |
3. ЗАДАНИЯ ПО ТЕМЕ «МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ»
3.1. Проанализируйте влияние сил межмолекулярного взаимодействия на
13
свойства веществ (решите задачу с указанным номером). Задачи
3.1.1.Чем отличается взаимодействие между атомами или молекулами за счет ванн-дер-ваальсовых 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; |
в) 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 |
0 |
0 |
0,12 |
1,03 |
1,5 |
1,84 |
момент μ, Д |
|
|
|
|
|
|
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 |
|
Ткип.,К |
|||
|
|
|
|
|||
ориентационного |
индукционного |
дисперсионного |
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 |
3.1.8. 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, ккал/моль: |
6-8 |
3-7 |
3-5 |
4-7 |
3.1.9.Какие из перечисленных явлений можно объяснить формированием прочной водородной связи: 1) кальций взаимодействует с водородом с
14
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.
3.1.10.Объясните причину различия межъядерных расстояний водородкислород в решетке льда (1 и 1,5А0) и в димере уксусной кислоты (1 и 2,76А).
3.1.11.Объясните закономерности в изменении температур плавления простых веществ: а) в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода?
3.1.12.Как и почему изменяются температуры плавления и кипения в ряду инертных газов? Какое вещество и почему имеет самую низкую температуру кипения и плавления?
3.1.13.Объясните, почему температура плавления Н2О значительно выше температуры плавления HF (-83°С), хотя дипольный момент молекулы Н2О (1,84 Д) меньше, чем молекулы HF (1,91 Д).
3.1.14.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 .
3.1.15.Почему происходит резкий скачок в температурах кипения при
переходе от галогенида III группы к галогениду IV группы: |
|
|
||||
|
NaF |
MgF2 |
AlF3 |
SiF4 |
PF5 |
SF6 |
Т.кип.,°С 1700 |
2260 |
1257 |
- 95 |
-85 |
-64 |
|
3.1.16.Чем вызвано увеличение Т кип. и теплоты испарения |
Ниспар с |
|||||
ростом порядкового номера элемента - благородного газа? |
|
|
||||
|
Не |
Ne |
Аг |
Кг |
Xe |
Rn |
Т.кип.,К: |
4,2 |
27 |
87 |
120 |
165 |
211 |
Ниспар,ккал/моль: 0,02 |
0,43 |
1,56 |
2,16 |
3,02 |
4,01 |
|
3.1.17.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 . |
|
3.1.18.Чем объяснить уменьшение Тпл. в ряду: Sb – Te - I - Хе |
||||||
соответственно: 631; 450; 113; - 1110С? |
|
|
|
|
||
Как изменяется характер химической связи в твердых веществах в этом |
||||||
ряду? |
|
|
|
|
|
|
3.1.19.Объясните близость физических констант СО и N2 и значительное |
||||||
отличие свойств Ne: |
|
|
|
|
|
|
|
|
СО |
|
N2 |
Ne |
|
Ниспар, ккал/моль: |
1,44 |
|
1,34 |
0,43 |
|
|
Т.кип., К: |
|
81,7 |
|
77,4 |
27 |
|
3.1.20.В каких веществах наблюдаются ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия?
|
|
|
15 |
|
|
|
|
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? |
3.1.21.Проанализируйте справочные значения температур кипения: СН4,
СН3С1, СН2С12, СНС13, СС14. Сделайте выводы.
3.1.22.Какое вещество имеет более высокие температуры кипения и плавления:
а) HCOCH3; б) CH3COOH; в) С2Н2? Дайте объяснения.
3.1.23.У какого соединения С2Н5ОН или C2H5SH выше температура кипения? Почему? Подтвердите свои выводы справочными данными.
3.1.24.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)
3.1.25.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 (см.табл.9).
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.
|
|
|
|
|
Таблица 9 |
|
|
|
Типы межмолекулярного взаимодействия |
|
|||
|
|
|
Зависимость |
|
|
|
Тип |
межмоле- |
Взаимодейству- |
энер-гии |
|
|
|
кулярного взаи- |
ющие частицы |
взаимодейст-вия |
Примеры веществ |
|||
модействия |
|
частицы |
от |
|
|
|
|
|
|
расстояния |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
1.Ион-ионное |
|
Е~Z1Z2/R2 |
|
Ионные |
твердые |
|
|
|
Катион - анион |
|
|
кристаллы, |
расплавы |
|
|
|
|
ионных |
веществ: |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
NaCl. |
|
|
|
|
|
|
|
|
16
Продолжение
2.Ион-дипольное |
|
Е~z μ/R2 |
Растворы |
ионных |
|
|
Ион - полярная |
|
веществ в |
полярных |
|
|
|
рас-творителях: NaCI |
|||
|
молекула |
|
|||
|
|
в воде; КОН в спирте |
|||
|
|
|
|||
3.Ион- |
|
Е~z2 α/R4 |
Растворы |
ионных |
|
индуцированный |
|
|
веществ в |
неполяр- |
|
диполь |
Ион - |
|
ных растворителях |
||
|
|
|
|
|
|
|
неполярная |
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
4.Диполь- |
|
Е~μ1μ2/R6 |
Вещества |
из |
поляр- |
дипольное (ори- |
|
|
ных молекул: НС1; |
||
ентационное) |
|
|
растворы |
по-лярных |
|
|
|
|
веще-ств в полярных |
||
|
полярная |
|
растворителях: |
аце- |
|
|
|
тон в воде |
|
|
|
|
полярная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.Диполь-инду- |
|
Е~μ2α/R6 |
Растворы |
неполяр- |
|
цированный |
|
|
ных веществ в поляр- |
||
диполь (ин- |
|
|
ных растворителях и, |
||
дукциионное) |
|
|
наоборот, |
бензол в |
|
|
полярная |
|
воде; вода в СС14 |
||
|
|
|
|
|
|
|
неполярная |
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
6.Дисперсионное |
|
Е~α1α2/R6 |
Универсальное, про- |
||
(Лондоновское) |
|
|
является во всех мо- |
||
|
неполярная |
|
лекулярных |
вещес- |
|
|
|
твах: углеводороды, |
|||
|
неполярная |
|
|||
|
|
спирты НС1, 12… |
|||
|
молекула |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
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 НСN равен 1,03 и 2,98 D соответственно. Какова относительная роль диполь-дипольного и дисперсионного вкладов в межмолекулярные силы притяжения в молекуле НСN?
Решение: Диполь-дипольное взаимодействие пропорционально
17
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. 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. 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, что при заданных условиях в газообразном состоянии находится AgCl. 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 возрастания температур кипения
18
следующие вещества: ВаС12, Н2, СО. НF и Nе.
Решение: Температура кипения жидкости определяется действующими
вней 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
визменении 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 вандерваальсова 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.
19
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:
а) тип химической связи между атомами; б) структурные частицы вещества; в) тип кристалла;
г) взаимодействия между структурными частицами вещества; д) 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…);
е) 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 10.
Пример решения задания 3.2 Сравнить физические свойства следующих веществ:
а) CS2; б) Na2SO4; в) Cu; г) SiC.
Решение:
1. 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.