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.

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.