Номер 6, страница 185 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

6. Составьте схему образования водородных связей:

а) между молекулами воды;

б) молекулами воды и метанола.

Объясните, почему не растворяются в воде бензол, гексан.

Решение

а) между молекулами воды

Водородная связь — это тип межмолекулярной связи, который возникает между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом (в данном случае кислородом), и другим электроотрицательным атомом соседней молекулы.

В молекуле воды ($H_2O$) атом кислорода значительно более электроотрицателен, чем атомы водорода. Из-за этого электронная пара ковалентной связи O-H смещена к кислороду. В результате на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд ($δ^-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($δ^+$).

Когда молекулы воды сближаются, частично положительно заряженный атом водорода ($H^{δ+}$) одной молекулы притягивается к частично отрицательно заряженному атому кислорода ($O^{δ-}$) другой молекулы. Это притяжение и есть водородная связь, которую принято изображать тремя точками.

Схема образования водородной связи между двумя молекулами воды:

$H-O^{δ-} \cdots H^{δ+}-O-H$

$\ \ \ \ | \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ | $

$\ \ H^{δ+} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ H $

Каждая молекула воды может образовывать до четырех таких связей, создавая в жидкой воде и во льду сложную пространственную сетку.

Ответ: Водородная связь между молекулами воды образуется за счет электростатического притяжения между частично положительно заряженным атомом водорода ($H^{δ+}$) одной молекулы и частично отрицательно заряженным атомом кислорода ($O^{δ-}$) другой молекулы. Схема: $H_2O \cdots H_2O$.

б) молекулами воды и метанола

Молекула метанола ($CH_3OH$) также полярна благодаря наличию гидроксильной группы (-OH). Как и в воде, атом кислорода в метаноле несет частичный отрицательный заряд ($δ^-$), а атом водорода гидроксильной группы — частичный положительный ($δ^+$). Это позволяет молекулам метанола образовывать водородные связи с молекулами воды.

Возможны два варианта образования водородной связи:

1. Атом водорода молекулы воды ($H_2O$) образует связь с атомом кислорода молекулы метанола ($CH_3OH$):

$H-O-H^{δ+} \cdots O^{δ-}-CH_3$

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ | $

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ H $

2. Атом водорода гидроксильной группы метанола ($CH_3OH$) образует связь с атомом кислорода молекулы воды ($H_2O$):

$CH_3-O-H^{δ+} \cdots O^{δ-}-H$

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ | $

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ H $

Благодаря возможности образования таких связей метанол хорошо растворяется в воде.

Ответ: Водородные связи между водой и метанолом образуются за счет притяжения между частично положительным атомом водорода ($H^{δ+}$) одной молекулы и частично отрицательным атомом кислорода ($O^{δ-}$) другой, например: $H_2O \cdots CH_3OH$.

Объясните, почему не растворяются в воде бензол, гексан.

Растворимость веществ определяется правилом "подобное растворяется в подобном". Это означает, что полярные вещества, как правило, растворяются в полярных растворителях, а неполярные — в неполярных.

Вода ($H_2O$) — это сильно полярный растворитель. Ее молекулы прочно связаны друг с другом водородными связями.

Бензол ($C_6H_6$) и гексан ($C_6H_{14}$) — это неполярные соединения. Молекула бензола симметрична, а в молекуле гексана связи C-C и C-H практически неполярны, и молекула в целом не имеет выраженного дипольного момента. Они не могут образовывать водородные связи.

Процесс растворения требует разрыва связей между молекулами растворителя (в данном случае прочных водородных связей в воде) и образования новых связей между молекулами растворителя и растворяемого вещества.

Взаимодействие между неполярными молекулами бензола или гексана и полярными молекулами воды очень слабое (силы дисперсионного взаимодействия). Энергия, которая выделяется при образовании этих слабых связей, недостаточна для того, чтобы компенсировать энергию, необходимую для разрыва большого числа прочных водородных связей между молекулами воды.

Таким образом, растворение энергетически невыгодно. Молекулы воды "предпочитают" взаимодействовать друг с другом, а молекулы бензола/гексана выталкиваются из водной среды, образуя отдельный слой.

Ответ: Бензол и гексан являются неполярными веществами, а вода — полярным растворителем с сильными межмолекулярными водородными связями. Энергия слабого взаимодействия между неполярными молекулами (бензола, гексана) и полярными молекулами воды не может компенсировать энергию, затрачиваемую на разрыв водородных связей в воде, поэтому растворение не происходит.