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

Задачи к разделу 3.1.

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

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. 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

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)?

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

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

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, ккал/моль				Т.кип.,К
Молекулы	Ориентации-онное	Индукции-онное	Дисперси-онное	общая	Т.кип.,К
Аr	0	0	2,03	2,03	76
СО	0	0	2,09	2,09	81
HCl	0,79	0,24	4,02	5,05	188
NH₃	3,18	0,37	3,52	7,07	239
H₂O	8,69	0,46	2,15	11,30	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, ккал/молъ: 6-8 3-7 3-5 4-7

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 1,5А⁰) и в димере уксусной кислоты (1 и 2,76А).

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 (1,84 Д)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 .

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

16. Чем вызвано увеличение Т кип. и теплоты испарения (ΔН_испар) с ростом порядкового номера элемента - благородного газа?

Не Ne Аг Кг Xe Rn

Т.кип.,К: 4,2 27 87 120 165 211

ΔН_испар,ккал/моль: 0,02 0,43 1,56 2,16 3,02 4,01

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 .

18. Чем объяснить уменьшение Т.пл. 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 N₂и значительное отличие свойств Ne:

СО N₂ Ne

ΔН_испар, ккал/моль: 1,44 1,34 0,43

Т.кип., К: 81,7 77,4 27

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

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

Сделайте выводы.

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

а) HCOCH₃; б) CH₃COOH; в) С₂Н_2.Дайте объяснения.

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

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)?

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. таблицу 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-Ваальсавозрастают с увеличением молекулярной массы соединений.

Таблица 9.Типы межмолекулярного взаимодействия.

№	Типы межмоле-кулярного взаи-модействия назва-ние	Взаимодейству-ющие частицы	Зависимость энер-гии взаимомодей-ствия частицы от расстояния	Примеры веществ
1	Ион-ионное	Катион - анион	Е~Z₁Z₂/R²	Ионные твер-дые кристалл-ллы, расплавы ионных веще-ств: NaCl.
2	Ион-дипольное	Ион - полярная молекула	Е~z μ/R²	Растворы ион-ных веществ в полярных рас-творителях: NaCI в воде; КОН в спирте
3	Ион-индуцированный диполь	Ион - неполярная молекула	Е~z² α/R⁴	Растворы ион-ных веществ в неполярных растворителях
4	Диполь-дипольное (ори-ентационное)	полярная полярная молекула - молекула	е~μ₁μ₂/R⁶	Вещества из полярных мо-лекул: НС1; растворы по-лярных веще-ств в поляр-ных раствори-телях: ацетон в воде
5	Диполь-инду-цированный диполь (ин-дукциионное)	полярная неполярная молекула - молекула	Е~μ²α/R⁶	Растворы не-полярных ве-ществ в поля-рных раство-рителях и, на-оборот, бен-зол в воде; вода в СС1₄
6	Дисперсионное (Лондоновское)	неполярная неполярная молекула - молекула	Е~α₁α₂/R⁶	Универсаль-ное, проявля-ется во всех молекулярных веществах: уг-леводороды, спирты НС1, 1₂…

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 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 за-данных 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.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1357; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!