Номер 4, страница 245 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 34. Водород - номер 4, страница 245.

Условие.

4. Объясните, почему изотопы водорода отличаются физическими свойствами.

Решение.

Решение 2.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Химические свойства элемента определяются в первую очередь строением его электронной оболочки, которое, в свою очередь, зависит от заряда ядра (т.е. числа протонов). Поскольку у всех изотопов одного элемента число протонов (и, следовательно, электронов в нейтральном атоме) одинаково, их химические свойства очень схожи.

Однако физические свойства, такие как масса, плотность, температура кипения и плавления, скорость диффузии, зависят от массы ядра атома. Ядро водорода состоит из одного протона. Его изотопы:

• Протий ($^1$H) — ядро состоит только из одного протона (нейтронов нет).
• Дейтерий ($^2$H или D) — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.
• Тритий ($^3$H или T) — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Ключевая причина заметного различия в физических свойствах изотопов водорода заключается в очень большой относительной разнице их масс. Масса дейтерия примерно в два раза больше массы протия ($m(^2\text{H}) \approx 2 \cdot m(^1\text{H})$), а масса трития — примерно в три раза больше ($m(^3\text{H}) \approx 3 \cdot m(^1\text{H})$). Для сравнения, у изотопов урана, урана-235 и урана-238, разница в массе составляет всего около 1.3%.

Эта значительная разница в массе у изотопов водорода приводит к следующим различиям в физических свойствах:

1. Плотность. Вещества, образованные более тяжелыми изотопами, имеют большую плотность. Например, тяжелая вода ($D_2O$) плотнее обычной воды ($H_2O$) примерно на 10%.
2. Температуры фазовых переходов. Температуры плавления и кипения для веществ с тяжелыми изотопами выше. Например, обычная вода кипит при 100°C и замерзает при 0°C, в то время как тяжелая вода кипит при 101.4°C и замерзает при 3.8°C. Это связано с тем, что более тяжелые молекулы имеют меньшую скорость теплового движения при той же температуре и несколько более сильные межмолекулярные взаимодействия.
3. Скорость реакций и диффузии. Более легкие изотопы и их соединения более подвижны, быстрее диффундируют и вступают в химические реакции. Связи с участием легких изотопов (например, C-H) менее прочны и легче разрываются, чем связи с участием тяжелых изотопов (C-D). Это явление называется кинетическим изотопным эффектом.

Ответ: Изотопы водорода отличаются физическими свойствами, потому что они имеют разное количество нейтронов в ядре, что приводит к значительному различию в их атомных массах. В отличие от других элементов, относительная разница масс для изотопов водорода (протия, дейтерия и трития) очень велика (массы отличаются в 2 и 3 раза). Так как физические свойства, такие как плотность, температуры плавления и кипения, а также скорость диффузии, напрямую зависят от массы, эти свойства у изотопов водорода и их соединений заметно различаются.