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 N₂и 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			0,12	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?

3.1.7Объясните 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			8,50	8,50
СО			8,75	8,75
HCl	3,31	1,00	16,83	21,14
NH3	13,31	1,55	14,74	29,60
H2O	36,38	1,93	9,00	47,31

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

3.1.9 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.

3.1.10 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 ).

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 (1,84Д)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 Ш 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 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

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 температура плавления 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 N₂и 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

3.1.20 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

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.

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-Ваальсавозрастают 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
	Ион-ионное	Катион - анион	Е~Z1Z2/R2	Ионные твердые крис-талллы, расплавы ион-ных веществ: NaCl.
	Ион-дипольное	Ион - полярная молекула	Е~z μ/R2	Растворы ионных ве-ществ в полярных раст-ворителях: NaCI в воде; КОН в спирте
	Ион-индуцирован-ный диполь	Ион - неполярная молекула	Е~z2 α/R4	Растворы ионных ве-ществ в неполярных растворителях
	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
	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
	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 НСN равен 1,03 и 2,98D соответственно. 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 dдолжна 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.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М.: Высшая школа, 2002.-743 с.

2 Глинка Н.Л., Ермаков А.И. Общая химия.-М.:Интеграл-пресс,2004.- 728с.

3 Карапетъянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия.- М.: Химия, 2000. – 532 с.

4 Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Справочник по неорганической химии. – М.: Химия, 1987. – 320 с.

Задание 2 по теме: «ТЕРМОХИМИЯ. НАПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ»

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1.1 ВЫЧИСЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ТЕПЛОТ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Расчет стандартной теплоты образования веществ

Пример 1. Вычислите стандартную теплоту образования этана, если известна теплота его сгорания: ΔН^о_сгор.= –1560 кДж/моль.

Решение:Напишем уравнение реакции таким образом, чтобы перед формулой этана стехиометрический коэффициент был равен 1:

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О

ΔН^о_{обр.,кДж} 0 2·(–393)· 3·(–286)

ΔН^о_сгор.= ΔН^о_р. = (–286)·3+ (–393)·2 – ΔН^о_обр. = –1560 кДж/моль,

ΔН^о_обр. = 1560 – 286·3 – 393·2 = –84 кДж/моль.

Пример 2. Определите стандартную теплоту образования этилового спирта, если теплоты сгорания углерода, водорода и этилового спирта соответственно равны:

–393,51; –285,84; –1366,91 кДж/моль.

Решение:Стандартная теплота образования вещества равна теплоте реакции образования одного моля этого вещества из простых веществ при стандартных условиях.

Образование этилового спирта из простых веществ можно представить так: 2С + 3Н₂ + ¹/₂О₂ = С₂Н₅ОН. Углерод сгорает до СО₂, водород – до Н₂О, а этиловый спирт–до СО₂ и Н₂О. Следовательно, для определения стандартной теплоты образования C₂H₅ОH составим следующий цикл Гесса:

1 2С + 2О₂ = 2СО₂ –393,51·2

2 3Н₂+ ³/₂О₂ = 3Н₂О –285,84·3

3 2СО₂+ ЗН₂О = С₂Н₅ОН + 3О₂ +1366,91

(1) + (2) + (3)

2С + 3Н₂ + ¹/₂О₂ = С₂Н₅ОН –277,6 кДж/моль

–393,51·2 –285,84·3 + 1366,91 = –277,6

Стандартная теплота образования этилового спирта равна:

ΔН^о₂₉₈ = –277,6 кДж/моль.

Расчет теплового эффекта реакции по стандартным теплотам образования реагирующих веществ

Пример 3. Определите количество теплоты, выделяющееся при гашении 100 кг извести водой, если стандартные теплоты образования реагирующих веществ равны (кДж/моль): ΔН^о (СаО_(к))= –635,1; ΔН^о (Са(ОН)_2(к))= –986,2;

ΔН^о (Н₂О_(ж)) = –285,84.

Решение:Реакция гашения извести: СaO + H₂О = Са(ОН)₂. Тепловой эффект реакции равен:

∆Hº_p = Σ∆Hº_{обр.(прод.)} – Σ∆Hº_{обр.(исх..)}

ΔН^о_р. = ΔН^о (Са(ОН)_2(к)) –[ΔН^о (СаО_(к))+ ΔН^о (Н₂О_(ж))]

= –986,2+635,1 +285,84 = –65,3 кДж/моль.

Тепловой эффект реакции рассчитан на 1 моль СаО, т.е. на 56 г СаО. При гашении 100 кг СаО выделяется тепловая энергия:

56 г СаО — (–65,3) кДж

100 000 г СаО — х кДж

х = (100 000·(–65,3)) /56 = –1,16·10⁵ кДж.