Номер 13, страница 9 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

13. Кратко поясните, могут ли физические или химические свойства, а также одновременно физические и химические свойства двух веществ совпадать полностью. Приведите соответствующие примеры.

Полное совпадение физических свойств

Физические свойства (температура кипения, плотность, показатель преломления и т.д.) определяются межмолекулярными взаимодействиями, которые зависят от структуры молекулы. Два разных вещества могут иметь некоторые схожие физические свойства, но полное совпадение всех физических свойств возможно только для частного случая изомеров, а именно для энантиомеров.

Энантиомеры – это пара стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, несовместимые в пространстве. Поскольку у них одинаковый состав, одинаковая последовательность связей атомов и одинаковые длины связей и углы между ними, их физические свойства (за исключением одного) полностью совпадают. Они имеют одинаковые температуры плавления и кипения, плотность, вязкость, растворимость в ахиральных растворителях.

Единственное физическое свойство, по которому они различаются – это их способность вращать плоскость поляризации света в противоположные стороны. Это свойство называется оптической активностью.

Пример: R-(-)-лимонен и S-(+)-лимонен. Оба вещества имеют одинаковую температуру кипения ($176 °C$) и плотность ($0.841 г/см^3$), но по-разному вращают плоскость поляризации света (один пахнет апельсинами, другой — лимонами, что связано с их различным взаимодействием с хиральными рецепторами в носу).

Ответ: Да, физические свойства двух веществ могут практически полностью совпадать. Лучшим примером являются энантиомеры, у которых совпадают все физические свойства, кроме направления вращения плоскости поляризации света.

Полное совпадение химических свойств

Химические свойства вещества определяются строением его электронной оболочки. Вещества, имеющие одинаковое электронное строение, будут обладать и одинаковыми химическими свойствами.

Таким свойством обладают изотопы одного и того же химического элемента. Изотопы – это атомы одного элемента, имеющие одинаковое число протонов (и, следовательно, электронов), но разное число нейтронов в ядре. Поскольку химическое поведение определяется электронами, изотопы вступают в одни и те же химические реакции. Существуют лишь небольшие различия в скоростях этих реакций (кинетический изотопный эффект), но качественно их химические свойства идентичны.

Пример: Изотопы водорода – протий ($^1H$), дейтерий ($^2H$) и тритий ($^3H$). Все они реагируют с кислородом, образуя воду ($H_2O$), тяжелую воду ($D_2O$) и сверхтяжелую воду ($T_2O$). Все они имеют степень окисления +1 и образуют сходные по химическим свойствам соединения.

Ответ: Да, химические свойства двух веществ могут полностью совпадать. Примером служат изотопы одного и того же элемента.

Одновременное полное совпадение физических и химических свойств

Полное совпадение абсолютно всех физических и химических свойств для двух разных веществ невозможно. По определению, индивидуальное вещество – это совокупность частиц, характеризующаяся уникальным набором физических и химических свойств. Если бы у двух образцов веществ все свойства были бы полностью идентичны, то по определению это было бы одно и то же вещество.

Рассмотрим приведенные выше примеры:

• Энантиомеры, имея почти идентичные физические свойства, все же различаются по оптической активности (физическое свойство) и по-разному реагируют с другими хиральными молекулами (химическое свойство, имеющее огромное значение, например, в биохимии).
• Изотопы, имея идентичные химические свойства, различаются по массе. Это приводит к различиям в их физических свойствах, таких как плотность, температуры плавления и кипения, скорость диффузии. Например, тяжелая вода ($D_2O$) кипит при $101.4 °C$, а обычная ($H_2O$) – при $100 °C$.

Таким образом, не существует двух различных веществ, у которых бы совпадали все свойства без исключения.

Ответ: Нет, одновременное полное совпадение всех физических и всех химических свойств для двух разных веществ невозможно. Если бы такое совпадение наблюдалось, это означало бы, что мы имеем дело с одним и тем же веществом.