Номер 11, страница 33 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

11. Почему аммиак хорошо растворим в воде, а метан малорастворим?

Различие в растворимости аммиака и метана в воде объясняется фундаментальным принципом химии "подобное растворяется в подобном". Этот принцип гласит, что вещества с похожим типом межмолекулярных сил и полярностью склонны смешиваться друг с другом. Чтобы понять разницу, необходимо рассмотреть структуру и свойства молекул воды, аммиака и метана.

1. Вода ($H_2O$) и аммиак ($NH_3$)

Молекула воды является сильно полярной. Из-за высокой электроотрицательности кислорода по сравнению с водородом, на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($\delta+$). Это делает воду отличным полярным растворителем.

Молекула аммиака ($NH_3$) также полярна. Атом азота более электроотрицателен, чем атомы водорода, что приводит к возникновению частичного отрицательного заряда на азоте и частичных положительных на водородах. Важнейшим фактором является то, что и вода, и аммиак способны образовывать водородные связи — особый, наиболее прочный вид межмолекулярного взаимодействия. Когда аммиак попадает в воду, его молекулы могут образовывать водородные связи с молекулами воды (атом водорода молекулы воды притягивается к неподеленной электронной паре атома азота в аммиаке, и наоборот). Образование этих связей является энергетически выгодным процессом, что и обуславливает высокую растворимость аммиака.

Кроме того, аммиак частично вступает в химическую реакцию с водой с образованием ионов, что дополнительно увеличивает его растворимость:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

2. Вода ($H_2O$) и метан ($CH_4$)

Молекула метана ($CH_4$), в отличие от аммиака, является неполярной. Хотя связи между углеродом и водородом (C-H) имеют незначительную полярность, молекула метана имеет симметричную тетраэдрическую форму. В результате этого дипольные моменты отдельных связей взаимно компенсируют друг друга, и вся молекула в целом не имеет дипольного момента.

Для растворения неполярного метана в полярной воде необходимо разорвать существующие прочные водородные связи между молекулами воды. Однако новые взаимодействия, которые образуются между неполярной молекулой метана и полярными молекулами воды, очень слабы (так называемые диполь-индуцированные дипольные взаимодействия). Эти новые связи значительно слабее, чем исходные водородные связи между молекулами воды. Таким образом, процесс растворения метана в воде энергетически невыгоден, что приводит к его очень низкой растворимости.

Ответ: Аммиак хорошо растворим в воде, так как его молекулы ($NH_3$) полярны и способны образовывать прочные водородные связи с полярными молекулами воды ($H_2O$). Метан ($CH_4$) малорастворим, поскольку его молекулы неполярны и не могут формировать сильные межмолекулярные связи с водой, что делает процесс растворения энергетически невыгодным.