Номер 275, страница 67 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.275. Почему бензол имеет достаточно высокую для неполярного вещества температуру плавления (+5,5 $°\mathrm{C}$)?

Решение

Температура плавления вещества определяется энергией, необходимой для разрушения его кристаллической решетки. Эта энергия, в свою очередь, зависит от силы межмолекулярных взаимодействий. Бензол ($C_6H_6$) является неполярным веществом, и между его молекулами действуют только слабые силы Ван-дер-Ваальса, а именно — лондоновские дисперсионные силы. Обычно вещества с таким типом межмолекулярного взаимодействия имеют низкие температуры плавления.

Однако температура плавления бензола (+5,5 °C) является аномально высокой для неполярного вещества с относительно небольшой молярной массой (78,11 г/моль). Это объясняется совокупностью нескольких факторов, связанных со строением его молекулы и особенностями упаковки в кристалле:

1. Высокая симметрия и плоская структура молекулы. Молекула бензола представляет собой плоский правильный шестиугольник. Такая высокая симметрия и жесткая плоская форма позволяют молекулам бензола очень плотно и упорядоченно упаковываться в кристаллическую решетку. Эффективная упаковка приводит к минимизации межмолекулярных расстояний.
2. Сильные дисперсионные взаимодействия. Сила лондоновских дисперсионных сил сильно зависит от расстояния между молекулами (обратно пропорциональна шестой степени расстояния, $~1/r^6$). Благодаря плотной упаковке в кристалле, межмолекулярные силы в твердом бензоле оказываются значительно сильнее, чем можно было бы ожидать. Для разрушения такой стабильной и компактной структуры требуется больше энергии, что и приводит к более высокой температуре плавления.
3. Высокая поляризуемость. Бензол имеет делокализованную $\pi$-электронную систему, содержащую 6 электронов. Это большое и подвижное электронное облако легко поляризуется (смещается под действием электрического поля соседних молекул), что приводит к возникновению более сильных наведенных диполей и, как следствие, к усилению дисперсионного взаимодействия по сравнению с алифатическими углеводородами сопоставимой массы. Взаимодействие между $\pi$-системами соседних ароматических колец, известное как $\pi–\pi$ стэкинг, также вносит свой вклад в стабильность кристаллической решетки.

Для сравнения, гексан ($C_6H_{14}$), имеющий близкую молярную массу (86,18 г/моль), плавится при –95 °C. Его молекулы представляют собой гибкие цепи, которые не могут так эффективно упаковываться в кристалле, как плоские и симметричные молекулы бензола. Другой пример — толуол ($C_6H_5CH_3$), производное бензола. Наличие метильной группы нарушает симметрию молекулы, ухудшая ее способность к плотной упаковке, и его температура плавления составляет –95 °C, что наглядно демонстрирует ключевую роль симметрии.

Ответ: Высокая для неполярного вещества температура плавления бензола (+5,5 °C) объясняется его уникальной молекулярной структурой: плоская и высокосимметричная форма молекулы позволяет им очень эффективно и плотно упаковываться в кристаллической решетке. Это приводит к значительному усилению межмолекулярных лондоновских дисперсионных сил, для преодоления которых требуется больше энергии.