Задание, страница 54 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 7. Многообразие веществ и его причины. Глава 2. Строение вещества. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - страница 54.

Условие.

Задание. В 9 классе вы наблюдали опыты по исследованию аллотропии серы и фосфора. Почему при изменении температуры одна аллотропная модификация может переходить в другую? Сравните свойства белого и красного фосфора. Какая из этих аллотропных модификаций более устойчива?

Решение.

Решение 2.

Почему при изменении температуры одна аллотропная модификация может переходить в другую?

Явление существования химического элемента в виде нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам, называется аллотропией, а эти простые вещества – аллотропными модификациями. Каждая аллотропная модификация обладает определенным запасом внутренней энергии и термодинамически устойчива только в определенном интервале температур и давлений.

При изменении температуры изменяется кинетическая энергия атомов или молекул вещества. Это приводит к тому, что при определенных условиях одна структура (кристаллическая решетка) становится менее устойчивой, чем другая. Для перехода из одной модификации в другую атомам необходимо преодолеть энергетический барьер, чтобы перестроиться в новую, более стабильную при данных условиях структуру. Нагревание как раз и сообщает системе необходимую энергию (энергию активации) для такой перестройки.

Таким образом, переход одной аллотропной модификации в другую при изменении температуры обусловлен поиском веществом наиболее термодинамически устойчивого состояния при новых условиях. Менее устойчивая форма, обладающая большей внутренней энергией, переходит в более устойчивую с меньшей энергией.

Ответ: Переход одной аллотропной модификации в другую при изменении температуры происходит потому, что разные модификации устойчивы в разных температурных интервалах. Изменение температуры сообщает атомам энергию, необходимую для перестройки их структуры в более устойчивую для данных условий форму.

Сравните свойства белого и красного фосфора.

Белый и красный фосфор — это две основные аллотропные модификации фосфора, которые значительно различаются по своим свойствам из-за разного строения.

• Строение:
  • Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решетку. В ее узлах находятся четырехатомные молекулы $P_4$, имеющие форму тетраэдра. Валентные углы в такой молекуле составляют $60^\circ$, что создает большое напряжение в связях и обуславливает высокую химическую активность.
  • Красный фосфор имеет полимерное строение. Он представляет собой длинные цепочки из атомов фосфора, образовавшиеся из раскрывшихся тетраэдров $P_4$. Такая структура более прочная и менее напряженная.
• Физические свойства:
  • Белый фосфор: воскообразное, мягкое вещество от бесцветного до светло-желтого цвета, легко режется ножом. Нерастворим в воде, но растворим в сероуглероде ($CS_2$) и бензоле. Очень ядовит. Светится в темноте (хемилюминесценция) из-за медленного окисления кислородом воздуха. Плотность около $1,82 \text{ г/см}^3$.
  • Красный фосфор: порошок от темно-красного до фиолетового цвета. Нерастворим ни в воде, ни в сероуглероде. Не ядовит. В темноте не светится. Плотность выше, около $2,34 \text{ г/см}^3$.
• Химические свойства:
  • Белый фосфор: чрезвычайно активен. Самовоспламеняется на воздухе при температуре около $34-40^\circ\text{C}$, поэтому его хранят под слоем воды.
  • Красный фосфор: значительно менее активен. Для воспламенения на воздухе его нужно нагреть до температуры выше $240^\circ\text{C}$.

Ответ: Белый и красный фосфор различаются строением (молекулярное у белого, полимерное у красного), что определяет разницу в их физических (цвет, плотность, растворимость, ядовитость) и химических (реакционная способность, температура воспламенения) свойствах. Белый фосфор значительно более активен и ядовит, чем красный.

Какая из этих аллотропных модификаций более устойчива?

Более устойчивой аллотропной модификацией является красный фосфор. Устойчивость вещества определяется его внутренней энергией — чем она ниже, тем вещество более устойчиво.

Несколько фактов подтверждают большую устойчивость красного фосфора:

1. Химическая инертность: Красный фосфор гораздо менее реакционноспособен по сравнению с белым. Он не окисляется на воздухе при комнатной температуре и требует значительно более высокой температуры для воспламенения.
2. Самопроизвольный переход: При нагревании без доступа воздуха или под действием света белый фосфор самопроизвольно переходит в красный фосфор. Этот процесс является экзотермическим, то есть протекает с выделением теплоты, что указывает на то, что красный фосфор обладает меньшим запасом внутренней энергии и, следовательно, является более стабильной формой. Переход можно схематически описать как: $P_{\text{белый}} \rightarrow P_{\text{красный}}, \Delta H < 0$.
3. Условия образования: Для получения менее стабильного белого фосфора из более стабильного красного требуется затратить энергию: красный фосфор нужно испарить при высокой температуре и затем быстро сконденсировать пары.

Ответ: Красный фосфор является более устойчивой аллотропной модификацией, так как он обладает меньшей внутренней энергией и химической активностью по сравнению с белым фосфором.