Номер 462, страница 70 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

462. В узлах кристаллической решётки твёрдого гелия находятся атомы гелия. Какой тип кристаллической решётки у твёрдого гелия? Каких температур плавления и кипения следует ожидать у гелия? Поясните свой ответ.

Какой тип кристаллической решётки у твёрдого гелия?

В узлах кристаллической решётки твёрдого гелия находятся электрически нейтральные атомы гелия. Гелий — это инертный (благородный) газ, атомы которого имеют устойчивую, полностью заполненную внешнюю электронную оболочку. Из-за этого они химически крайне инертны и не образуют между собой прочных химических связей (ионных, ковалентных или металлических). В твёрдом состоянии атомы гелия удерживаются в узлах решётки только за счёт очень слабых межатомных сил притяжения, называемых силами Ван-дер-Ваальса (в данном случае — лондоновскими дисперсионными силами). Кристаллическая решётка, в узлах которой находятся атомы или молекулы, связанные такими слабыми силами, называется молекулярной.

Ответ: Твёрдый гелий имеет молекулярную кристаллическую решётку.

Каких температур плавления и кипения следует ожидать у гелия? Поясните свой ответ.

Силы Ван-дер-Ваальса, связывающие атомы гелия, являются самыми слабыми из всех видов межчастичных взаимодействий. Для того чтобы вещество перешло из твёрдого состояния в жидкое (плавление) или из жидкого в газообразное (кипение), его частицам необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления сил притяжения между ними. Поскольку в случае гелия эти силы чрезвычайно малы, для их разрыва требуется очень небольшое количество тепловой энергии. Следовательно, у гелия следует ожидать очень низких температур плавления и кипения, близких к абсолютному нулю ($0$ К или $-273,15$ °C).

Это подтверждается экспериментальными данными. Температура кипения гелия при нормальном атмосферном давлении составляет всего $T_{кип} \approx 4,2$ К (что равно $-268,95$ °C). Стоит отметить, что гелий — единственное вещество, которое не затвердевает при атмосферном давлении даже при охлаждении до абсолютного нуля. Это связано с квантовым эффектом — большой энергией "нулевых колебаний" атомов, которая не позволяет им занять фиксированное положение в решётке. Для получения твёрдого гелия необходимо приложить внешнее давление не менее $25$ атмосфер ($ \approx 2,5$ МПа). При таком давлении гелий плавится при температуре $T_{пл} \approx 1,5$ К.

Ответ: У гелия следует ожидать чрезвычайно низких температур плавления и кипения. Это объясняется тем, что он имеет молекулярную кристаллическую решётку, в которой атомы связаны очень слабыми силами Ван-дер-Ваальса, для преодоления которых требуется минимальная тепловая энергия.