Номер 2, страница 37 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. Параграф 7. Водородная химическая связь. Глава I. Строение веществ - номер 2, страница 37.

Условие.

2. Какие особые свойства обусловлены межмолекулярной водородной связью у низ-комолекулярных веществ?

Решение.

Решение 2.

Межмолекулярная водородная связь — это особый тип сильного межмолекулярного взаимодействия, которое возникает между молекулами, в которых атом водорода ($H$) ковалентно связан с сильно электроотрицательным атомом (чаще всего это азот $N$, кислород $O$ или фтор $F$). Эта связь, будучи значительно прочнее обычных ван-дер-ваальсовых взаимодействий, оказывает огромное влияние на физические свойства низкомолекулярных веществ, приводя к ряду аномалий.

Аномально высокие температуры кипения и плавления

Для того чтобы вещество перешло из твердого состояния в жидкое (плавление) или из жидкого в газообразное (кипение), необходимо затратить энергию на преодоление сил межмолекулярного притяжения. Поскольку водородные связи очень прочны, требуется значительно больше энергии для их разрыва. В результате вещества, молекулы которых образуют между собой водородные связи, имеют аномально высокие температуры плавления и кипения по сравнению с веществами с близкой молярной массой, но без таких связей. Яркий пример — вода ($H_2O$). Ее температура кипения ($100^\circ C$) разительно отличается от температур кипения гидридов других элементов той же группы: $H_2S$ ($-60^\circ C$), $H_2Se$ ($-41^\circ C$), $H_2Te$ ($-2^\circ C$). То же самое наблюдается для аммиака ($NH_3$) и фтороводорода ($HF$).

Ответ: Наличие водородных связей приводит к аномально высоким температурам кипения и плавления из-за необходимости затрачивать дополнительную энергию на их разрыв.

Высокая теплоемкость и теплота парообразования

Теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу для повышения его температуры на один градус. У веществ с водородными связями, таких как вода, значительная часть подводимой тепловой энергии расходуется не на увеличение кинетической энергии движения молекул (то есть, не на нагрев), а на разрыв водородных связей. Это обусловливает их высокую удельную теплоемкость. Аналогично, теплота парообразования (энергия, необходимая для испарения) также аномально велика, так как для перехода в газовую фазу нужно разорвать практически все водородные связи, удерживающие молекулы в жидком состоянии.

Ответ: Вещества с водородными связями обладают высокой теплоемкостью и теплотой парообразования, так как существенная часть подводимой энергии идет на разрыв этих прочных межмолекулярных связей.

Аномальная зависимость плотности от температуры

Наиболее известный пример этой аномалии — вода. В твердом состоянии (лед) молекулы воды образуют упорядоченную, но рыхлую (ажурную) кристаллическую структуру. Каждая молекула $H_2O$ связана водородными связями с четырьмя соседними, что фиксирует их на определенном расстоянии друг от друга. Эта структура имеет много пустот, из-за чего плотность льда оказывается меньше плотности жидкой воды. При плавлении часть водородных связей разрушается, структура становится менее упорядоченной, и молекулы могут "упаковаться" плотнее. Максимальную плотность жидкая вода имеет при температуре около $4^\circ C$.

Ответ: Водородные связи могут создавать в твердой фазе упорядоченные, но менее плотные структуры (как у льда), что приводит к аномалии: твердая фаза оказывается менее плотной, чем жидкая.

Повышенная вязкость и высокое поверхностное натяжение

Вязкость — это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Сильные водородные связи "сцепляют" молекулы друг с другом, затрудняя их взаимное скольжение, что и приводит к увеличению вязкости. Например, глицерин ($C_3H_5(OH)_3$) и серная кислота ($H_2SO_4$) очень вязкие именно из-за разветвленной сети водородных связей. Поверхностное натяжение также является следствием сильного притяжения между молекулами. Водородные связи значительно усиливают это притяжение, что заставляет поверхность жидкости сокращаться и вести себя подобно упругой пленке.

Ответ: Сильное сцепление молекул посредством водородных связей приводит к увеличению внутреннего трения (вязкости) и сил, действующих на поверхности жидкости (поверхностное натяжение).

Растворимость и ассоциация молекул

Принцип "подобное растворяется в подобном" хорошо иллюстрируется на примере водородных связей. Вещества, способные образовывать водородные связи (например, спирты, сахара, аммиак), как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях, которые также образуют водородные связи (в первую очередь, в воде). Это объясняется тем, что образование новых водородных связей между молекулами растворителя и растворяемого вещества энергетически компенсирует разрыв связей между исходными молекулами. Кроме того, в чистых жидкостях и растворах такие молекулы могут объединяться в ассоциаты (димеры, полимеры) за счет водородных связей, что влияет на их реакционную способность и другие свойства.

Ответ: Водородные связи обуславливают хорошую взаимную растворимость полярных веществ, способных к их образованию, а также их склонность к ассоциации (объединению в группы) в жидкой фазе.