Номер 2, страница 37 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 8. Металлическая связь. Водородная связь. Глава II. Строение вещества - номер 2, страница 37.

Условие.

2. Поясните примерами зависимость свойств веществ от их строения.

Решение.

Решение 2.

Свойства веществ напрямую определяются их внутренним строением. Строение включает в себя: состав (из каких атомов состоит вещество), порядок соединения атомов в молекулах (химическое строение), пространственное расположение атомов (пространственное строение) и тип кристаллической решетки для твердых тел. Зависимость свойств от строения можно продемонстрировать на следующих примерах.

1. Аллотропные модификации углерода

Алмаз и графит — это вещества, состоящие исключительно из атомов углерода ($C$), но обладающие кардинально разными свойствами из-за различного строения их кристаллических решеток.

• Алмаз: Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, образуя жесткую трехмерную тетраэдрическую структуру (атомная кристаллическая решетка). Эта структура делает алмаз самым твердым из известных природных материалов, прозрачным и диэлектриком (не проводит электрический ток).
• Графит: Атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Они образуют прочные гексагональные кольца, соединенные в плоские слои. Связи внутри слоя очень прочные, а между слоями — слабые ван-дер-ваальсовы силы. Из-за этого слои могут легко скользить друг относительно друга, что объясняет мягкость графита и его использование в качестве смазки и в карандашах. Наличие делокализованных π-электронов в слоях обуславливает его электропроводность и непрозрачность.

Ответ: Таким образом, разное пространственное расположение одних и тех же атомов углерода в кристаллической решетке приводит к тому, что алмаз является сверхтвердым диэлектриком, а графит — мягким и электропроводным материалом.

2. Изомеры: этанол и диметиловый эфир

Изомеры — это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение молекул и, как следствие, разные свойства. Яркий пример — этанол и диметиловый эфир, оба с формулой $C_2H_6O$.

• Этанол (этиловый спирт, $CH_3CH_2OH$): В его молекуле есть гидроксильная группа ($-OH$). Атом водорода этой группы очень поляризован, что позволяет молекулам этанола образовывать друг с другом прочные межмолекулярные водородные связи. Благодаря этому этанол при нормальных условиях является жидкостью (температура кипения $+78,4$ °C) и хорошо растворяется в воде.
• Диметиловый эфир ($CH_3OCH_3$): В его молекуле атом кислорода связан с двумя углеродными атомами, и нет гидроксильной группы. Молекулы диметилового эфира не могут образовывать водородные связи друг с другом. Межмолекулярное взаимодействие осуществляется за счет более слабых диполь-дипольных и ван-дер-ваальсовых сил. В результате диметиловый эфир — это газ (температура кипения $-24$ °C), плохо растворимый в воде.

Ответ: Различие в порядке соединения атомов в молекулах (наличие или отсутствие группы $-OH$) при одинаковом атомном составе кардинально меняет физические свойства: одно вещество является жидкостью, а другое — газом при комнатной температуре.

3. Изомеры: н-бутан и изобутан

Другой пример зависимости свойств от строения — структурные изомеры алканов, например, н-бутан и изобутан, имеющие одинаковую молекулярную формулу $C_4H_{10}$.

• н-Бутан ($CH_3CH_2CH_2CH_3$): Имеет линейную, вытянутую структуру молекулы. Большая площадь поверхности молекулы приводит к более сильным межмолекулярным ван-дер-ваальсовым взаимодействиям. Температура кипения н-бутана составляет $-0,5$ °C.
• Изобутан (2-метилпропан, $(CH_3)_2CHCH_3$): Имеет разветвленную, более компактную, почти сферическую структуру. Из-за меньшей площади поверхности молекулы межмолекулярные взаимодействия слабее, чем у н-бутана. Поэтому температура кипения изобутана ниже: $-11,7$ °C.

Ответ: Изменение формы углеродного скелета с линейного на разветвленный, при сохранении того же состава, приводит к изменению физических свойств, в частности, к понижению температуры кипения.