Номер 92, страница 34 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

92. При нагревании может происходить разрыв связей в молекуле, при этом вещество разлагается, например:

$CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2.$

Как и почему изменяется устойчивость к нагреванию (термическая устойчивость) в ряду веществ: $CH_4$, $SiH_4$, $GeH_4$, $SnH_4$?

В ряду гидридов 14-й группы $CH_4$ (метан), $SiH_4$ (силан), $GeH_4$ (герман), $SnH_4$ (станнан) термическая устойчивость закономерно уменьшается. Самым устойчивым является метан, а наименее устойчивым — станнан.

Причиной этого является изменение свойств элементов в пределах одной группы Периодической системы. Элементы углерод (C), кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) находятся в 14-й группе. При движении по группе сверху вниз с увеличением порядкового номера элемента происходит увеличение количества электронных оболочек, что ведет к увеличению атомного радиуса.

Ряд увеличения атомных радиусов: $r(C) < r(Si) < r(Ge) < r(Sn)$.

С увеличением радиуса центрального атома (обозначим его Э) увеличивается и длина ковалентной полярной связи Э-H в молекуле гидрида. Таким образом, длина связи в ряду $CH_4$ – $SiH_4$ – $GeH_4$ – $SnH_4$ возрастает.

Прочность химической связи обратно пропорциональна ее длине: чем длиннее связь, тем она слабее. Это объясняется тем, что связывающие электроны находятся дальше от ядер атомов, и сила электростатического притяжения между ядрами и этими электронами ослабевает. Следовательно, энергия, необходимая для разрыва такой связи, уменьшается.

Таким образом, прочность связи Э-H в ряду гидридов уменьшается:
Прочность(C-H) > Прочность(Si-H) > Прочность(Ge-H) > Прочность(Sn-H).

Термическая устойчивость вещества напрямую связана с прочностью химических связей в его молекулах. Для разложения (термической диссоциации) вещества необходимо затратить энергию, достаточную для разрыва связей. Так как прочность связи Э-Н уменьшается от метана к станнану, то и их термическая устойчивость падает в том же порядке.

Это подтверждается экспериментальными данными о температурах разложения этих веществ:

$CH_4$ разлагается при температуре выше 1000°C.

$SiH_4$ разлагается при ~400°C.

$GeH_4$ разлагается при ~280°C.

$SnH_4$ медленно разлагается уже при комнатной температуре.

Ответ: В ряду веществ $CH_4, SiH_4, GeH_4, SnH_4$ термическая устойчивость уменьшается. Это связано с тем, что при движении вниз по 14-й группе Периодической системы увеличивается атомный радиус центрального элемента (C → Si → Ge → Sn). Увеличение радиуса приводит к увеличению длины связи «элемент–водород», что, в свою очередь, ослабляет эту связь. Чем слабее связь, тем меньше энергии требуется для ее разрыва, и, следовательно, тем ниже термическая устойчивость молекулы.