Номер 14, страница 9 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

14. Для каждой пары веществ укажите, одинаковыми или разными физическими и химическими свойствами они обладают:

а) $H_2$ и $D_2$;

б) $H_2O$ и $D_2O$;

в) $H_2^{18}O$ и $H_2^{16}O$;

г) $^{31}P_4$ и $^{30}P_4$.

а) H₂ и D₂

Вещества $H_2$ (молекулярный водород, или протий) и $D_2$ (молекулярный дейтерий) состоят из изотопов одного и того же химического элемента — водорода. Атом водорода ($H$, или протий, $^1H$) имеет ядро из одного протона. Атом дейтерия ($D$, или $^2H$) имеет ядро из одного протона и одного нейтрона.

Химические свойства определяются строением электронной оболочки. Так как у изотопов одинаковое число протонов, у них одинаковое число электронов и, следовательно, идентичное строение электронных оболочек. Поэтому химические свойства $H_2$ и $D_2$ практически одинаковы. Они вступают в одни и те же реакции, образуя аналогичные соединения. Небольшие различия наблюдаются в скоростях реакций (это явление называется кинетическим изотопным эффектом), но качественно их химическое поведение одинаково.

Физические свойства, такие как плотность, температура кипения и плавления, зависят от массы атомов и молекул. Молярная масса $H_2$ составляет приблизительно $2 \text{ г/моль}$, в то время как молярная масса $D_2$ — около $4 \text{ г/моль}$. Такое значительное (в 2 раза) различие в массе приводит к заметным отличиям в физических свойствах. Например, температура кипения водорода $H_2$ составляет $20.28 \text{ K}$, а дейтерия $D_2$ — $23.67 \text{ K}$.

Ответ: Физические свойства разные, химические свойства одинаковые.

б) H₂O и D₂O

Вещества $H_2O$ (обычная, или "легкая", вода) и $D_2O$ (тяжелая вода) являются изотопологами — молекулами, которые отличаются только изотопным составом одного или нескольких своих атомов. В данном случае, атомы водорода заменены на атомы его изотопа — дейтерия.

Химические свойства $H_2O$ и $D_2O$ очень схожи по той же причине, что и в предыдущем пункте: идентичность электронных оболочек изотопов водорода. И легкая, и тяжелая вода являются полярными растворителями, проявляют амфотерные свойства и участвуют в схожих реакциях. Различия в скоростях реакций и константах равновесия существуют, но в целом химические свойства считаются одинаковыми.

Физические свойства различны из-за разницы в молярных массах ($M(H_2O) \approx 18 \text{ г/моль}$, $M(D_2O) \approx 20 \text{ г/моль}$). Тяжелая вода имеет более высокую плотность (около $1.106 \text{ г/см}^3$ при $20^\circ\text{C}$), температуру плавления ($3.82^\circ\text{C}$) и температуру кипения ($101.42^\circ\text{C}$) по сравнению с обычной водой ($0.998 \text{ г/см}^3$, $0^\circ\text{C}$ и $100^\circ\text{C}$ соответственно).

Ответ: Физические свойства разные, химические свойства одинаковые.

в) H₂¹⁸O и H₂¹⁶O

В этой паре сравниваются молекулы воды, отличающиеся изотопным составом кислорода. $H_2^{16}O$ содержит наиболее распространенный изотоп кислорода $^{16}O$, а $H_2^{18}O$ — более тяжелый изотоп $^{18}O$.

Химические свойства этих двух веществ практически идентичны. Изотопы $^{16}O$ и $^{18}O$ имеют одинаковое число протонов (8) и электронов, а значит, одинаковое электронное строение. Поэтому их химическая активность одинакова. Изотопный эффект для кислорода выражен гораздо слабее, чем для водорода, так как относительная разница масс ($18/16 \approx 1.125$) невелика.

Физические свойства различаются. Разница в массах изотопов кислорода приводит к разнице в молярных массах молекул ($M(H_2^{16}O) \approx 18 \text{ г/моль}$, $M(H_2^{18}O) \approx 20 \text{ г/моль}$). Это, в свою очередь, вызывает небольшие, но измеримые различия в плотности, температурах плавления и кипения. Например, температура кипения $H_2^{18}O$ немного выше, чем у $H_2^{16}O$.

Ответ: Физические свойства разные, химические свойства одинаковые.

г) ³¹P₄ и ³⁰P₄

Здесь сравниваются вещества, состоящие из молекул $P_4$ (аллотропная модификация — белый фосфор), но построенные из разных изотопов фосфора: $^{31}P$ и $^{30}P$.

Химические свойства, определяемые внешними электронами, у этих веществ одинаковы, так как $^{31}P$ и $^{30}P$ — изотопы одного элемента с одинаковым электронным строением.

Физические свойства у них разные. Во-первых, из-за разницы в массах ($M(^{31}P_4) = 124 \text{ г/моль}$, $M(^{30}P_4) = 120 \text{ г/моль}$) будут незначительно отличаться плотность и температуры фазовых переходов. Во-вторых, и это главное отличие, их ядра имеют разную стабильность. Изотоп $^{31}P$ является стабильным, тогда как $^{30}P$ — радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 2.5 минут. Радиоактивность — это физическое свойство, связанное с процессами внутри ядра. Таким образом, вещество $^{30}P_4$ радиоактивно, а $^{31}P_4$ — нет, что является кардинальным различием в их физических свойствах.

Ответ: Физические свойства разные, химические свойства одинаковые.