Номер 7, страница 40 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

7. Сравните физические свойства метана и пентана.

Рис. 17. Шаростержневые модели

Решение

Метан ($CH_4$) и пентан ($C_5H_{12}$) — это углеводороды, принадлежащие к одному гомологическому ряду алканов, общая формула которых $C_nH_{2n+2}$. Метан является первым членом этого ряда ($n=1$), а пентан — пятым ($n=5$). Такое различие в составе и, следовательно, в молекулярной массе ($M_r(CH_4) = 16$; $M_r(C_5H_{12}) = 72$) является ключевой причиной существенных различий в их физических свойствах.

1. Агрегатное состояние при нормальных условиях

Метан при стандартной температуре и давлении (20 °C, 1 атм) является газом. Пентан в тех же условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость.

2. Температуры кипения и плавления

Температуры фазовых переходов у пентана значительно выше, чем у метана.

• Температура кипения метана: $-161.6 \text{ °C}$
• Температура кипения пентана: $+36.1 \text{ °C}$
• Температура плавления метана: $-182.5 \text{ °C}$
• Температура плавления пентана: $-129.8 \text{ °C}$

Это объясняется тем, что молекулы алканов неполярны, и между ними действуют только слабые межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса). С увеличением размера молекулы и её поверхности (от метана к пентану) эти силы становятся значительно мощнее. Следовательно, для того чтобы преодолеть притяжение между молекулами пентана и перевести его в газообразное состояние, требуется гораздо больше энергии, чем для метана.

3. Плотность

Плотность пентана существенно выше плотности метана. Плотность жидкого пентана составляет около $0.626 \text{ г/см}^3$ (при 20 °C), в то время как плотность газообразного метана при тех же условиях составляет всего лишь около $0.00067 \text{ г/см}^3$. Даже в жидком состоянии (при температурах кипения) плотность пентана выше плотности метана.

4. Растворимость

В этом аспекте свойства веществ схожи. И метан, и пентан являются неполярными соединениями. Согласно принципу "подобное растворяется в подобном", они оба практически нерастворимы в полярных растворителях, таких как вода, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях (например, в бензоле, диэтиловом эфире, других алканах).

5. Прочие физические свойства

Оба вещества бесцветны. Метан — газ без запаха. Пентан — жидкость, обладающая характерным запахом, напоминающим запах бензина.

Ответ:

Метан и пентан имеют схожие свойства в отношении растворимости (плохо растворимы в воде, хорошо — в органических растворителях). Однако их физические свойства кардинально различаются из-за разницы в длине углеродной цепи и молекулярной массе.

• Метан ($CH_4$): при н.у. газ без цвета и запаха, с очень низкими температурами кипения ($-161.6 \text{ °C}$) и плавления ($-182.5 \text{ °C}$), имеет низкую плотность.
• Пентан ($C_5H_{12}$): при н.у. бесцветная летучая жидкость с характерным запахом, имеет значительно более высокие температуры кипения ($+36.1 \text{ °C}$) и плавления ($-129.8 \text{ °C}$), а также большую плотность.

Эти различия обусловлены усилением межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил с увеличением размера молекулы от метана к пентану.