Материал: Строение вещества

Раздел 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 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	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 Т кип. 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 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, 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) С₂Н_2. 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 табл.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	ЕZ1Z2/R2	Ионные твердые крис-талллы, расплавы ион-ных веществ: NaCl.
2	Ион-дипольное	Ион - полярная молекула	Еz μ/R2	Растворы ионных ве-ществ в полярных раст-ворителях: NaCI в воде; КОН в спирте
3	Ион-индуцирован-ный диполь	Ион - неполярная молекула	Еz2 α/R4	Растворы ионных ве-ществ в неполярных растворителях
4	Диполь-дипольное (ори-ентационное)	полярная полярная молекула - молекула	еμ1μ2/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	Еμ2α/R6	Растворы неполярных веществ в полярных растворителях и, наоборот, бензол в воде; вода в СС14
6	Дисперсионное (Лондоновское)	неполярная неполярная молекула - молекула	Еα1α2/R6	Универсальное,проявляется во всех молеку-лярных веществах: углеводороды, 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 2,98D 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 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 С1

₂ 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