Номер 42, страница 31 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.42. Почему жидкие алканы не смешиваются с водой и имеют низкую плотность?

Этот вопрос затрагивает два фундаментальных физико-химических свойства жидких алканов: их растворимость и плотность. Рассмотрим каждое из них по отдельности.

Почему жидкие алканы не смешиваются с водой

Несмешиваемость алканов и воды объясняется принципом "подобное растворяется в подобном", который основан на характере межмолекулярных взаимодействий.

1. Полярность молекул. Молекулы воды ($H_2O$) являются сильнополярными. 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 полярным растворителем. Молекулы алканов (общая формула $C_nH_{2n+2}$) являются неполярными. Связи углерод-водород (C-H) слабополярны, а связи углерод-углерод (C-C) неполярны. Симметричное строение молекул приводит к тому, что в целом они не имеют дипольного момента.

2. Межмолекулярные силы. В воде между полярными молекулами образуются прочные водородные связи. Это очень сильный тип межмолекулярного взаимодействия. В алканах же действуют только слабые силы Ван-дер-Ваальса (дисперсионные силы), возникающие из-за кратковременных флуктуаций электронной плотности.

3. Энергетическая невыгодность смешивания. Чтобы алкан растворился в воде, необходимо затратить энергию на разрыв прочных водородных связей между молекулами воды. Однако при образовании новых связей между неполярными молекулами алкана и полярными молекулами воды выделяется очень мало энергии, так как эти взаимодействия крайне слабы. Энергетически системе гораздо выгоднее сохранить сильные водородные связи воды и слабые ван-дер-ваальсовы связи алканов, чем создавать слабые смешанные связи. В результате вещества не смешиваются и образуют два отдельных слоя.

Ответ: Жидкие алканы не смешиваются с водой из-за кардинального различия в полярности их молекул и, как следствие, в действующих межмолекулярных силах. Полярные молекулы воды образуют между собой прочные водородные связи, в то время как неполярные молекулы алканов связаны лишь слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Смешивание этих двух веществ энергетически невыгодно, так как для этого потребовалось бы разрушить сильные водородные связи в воде.

Почему жидкие алканы имеют низкую плотность

Плотность ($\rho$) вещества — это его масса ($m$) в единице объема ($V$), то есть $\rho = m/V$. Низкая плотность алканов по сравнению с водой обусловлена двумя основными причинами.

1. Слабые межмолекулярные силы. Как уже упоминалось, молекулы алканов удерживаются вместе только слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы не способны "упаковать" молекулы очень плотно друг к другу. Между длинными углеводородными цепями остается значительное свободное пространство.

2. Неэффективная упаковка. В отличие от алканов, молекулы воды, связанные сильными водородными связями, располагаются в пространстве гораздо компактнее. Сильное взаимное притяжение заставляет их находиться ближе друг к другу. В результате в одном и том же объеме помещается большая масса воды, чем масса алкана.

Таким образом, хотя алканы и состоят из относительно легких атомов углерода и водорода, ключевым фактором их низкой плотности является "рыхлая" структура жидкости, обусловленная слабым межмолекулярным притяжением. Плотность большинства жидких алканов находится в диапазоне 0.6–0.8 г/см³, в то время как плотность воды составляет около 1.0 г/см³. Именно поэтому при попытке смешивания алканы (например, бензин или масло) всегда оказываются на поверхности воды.

Ответ: Жидкие алканы имеют низкую плотность в основном из-за слабых межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса, которые не могут обеспечить плотную упаковку молекул. В результате структура жидкости получается "рыхлой" с большим количеством свободного пространства между молекулами, что и приводит к меньшему значению массы на единицу объема по сравнению с водой, молекулы которой упакованы плотнее за счет сильных водородных связей.