Номер 39, страница 12 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

39. Как (качественно) зависит температура плавления и температура кипения вещества с молекулярным строением от величины силы межмолекулярного взаимодействия? Приведите соответствующий пример.

Температура плавления и температура кипения вещества с молекулярным строением напрямую зависят от величины силы межмолекулярного взаимодействия. Чем сильнее силы притяжения между молекулами, тем больше энергии требуется для того, чтобы преодолеть эти силы и изменить агрегатное состояние вещества.

Зависимость температуры плавления

Плавление представляет собой фазовый переход из твердого упорядоченного состояния (кристаллической решетки) в жидкое. Чтобы расплавить твердое тело, необходимо сообщить его молекулам энергию, достаточную для того, чтобы они смогли преодолеть силы притяжения, удерживающие их в фиксированных положениях в узлах кристаллической решетки. Если межмолекулярные силы велики, то для их преодоления потребуется больше энергии. Так как температура является мерой средней кинетической энергии молекул, то для достижения необходимой энергии потребуется нагрев до более высокой температуры. Следовательно, чем сильнее межмолекулярное взаимодействие, тем выше температура плавления.

Зависимость температуры кипения

Кипение — это интенсивный переход вещества из жидкого состояния в газообразное. В жидкости молекулы уже подвижны, но все еще находятся под действием сил взаимного притяжения, которые удерживают их вместе. Чтобы вещество перешло в газ, его молекулы должны получить достаточно энергии для полного разрыва этих межмолекулярных связей и свободного разлета на большие расстояния. Чем прочнее эти связи, тем больше энергии нужно сообщить молекулам, и, следовательно, тем выше будет температура кипения вещества.

Таким образом, общая качественная зависимость такова: увеличение силы межмолекулярного взаимодействия приводит к увеличению температур плавления и кипения вещества.

Пример

Хорошей иллюстрацией этой зависимости является сравнение свойств воды ($H_2O$), сероводорода ($H_2S$) и метана ($CH_4$).

• Метан ($CH_4$). Молекулы метана неполярны, между ними действуют только самые слабые межмолекулярные силы — дисперсионные силы Лондона. Вследствие этого метан имеет очень низкие температуры плавления ($-182,5$ °C) и кипения ($-161,5$ °C).

• Сероводород ($H_2S$). Молекулы сероводорода полярны, поэтому между ними, помимо дисперсионных сил, действуют и более сильные диполь-дипольные взаимодействия. Это приводит к значительно более высоким температурам плавления ($-85,5$ °C) и кипения ($-60$ °C) по сравнению с метаном.

• Вода ($H_2O$). Молекулы воды не только полярны, но и способны образовывать между собой водородные связи. Водородная связь — это особенно сильный вид межмолекулярного взаимодействия. Именно благодаря наличию прочных водородных связей вода, имея даже меньшую молярную массу, чем сероводород, обладает аномально высокими для своего класса веществ температурами плавления ($0$ °C) и кипения ($100$ °C).

Этот ряд наглядно показывает, как усиление межмолекулярных взаимодействий (дисперсионные → диполь-дипольные → водородные связи) приводит к последовательному и значительному росту температур плавления и кипения.

Ответ: Температуры плавления и кипения вещества с молекулярной кристаллической решеткой напрямую зависят от силы межмолекулярного взаимодействия. Чем сильнее эти силы, тем больше энергии (а значит, выше температура) требуется для разрушения упорядоченной структуры при плавлении и для полного преодоления притяжения между молекулами при кипении. В качестве примера можно привести вещества: метан ($CH_4$), сероводород ($H_2S$) и вода ($H_2O$). В этом ряду силы межмолекулярного взаимодействия растут (от слабых дисперсионных сил в метане до очень сильных водородных связей в воде), что сопровождается закономерным ростом температур кипения (от $-161,5$ °C до $100$ °C) и плавления (от $-182,5$ °C до $0$ °C).