Страница 48 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Почему вещества с ионными и атомными кристаллическими решётками имеют высокие температуры плавления, а вещества с молекулярными кристаллическими решётками легкоплавки?

Температура плавления вещества напрямую зависит от типа его кристаллической решётки и, как следствие, от прочности связей между частицами, из которых эта решётка состоит. Чтобы расплавить твёрдое вещество, необходимо сообщить его частицам (атомам, ионам или молекулам) достаточно энергии, чтобы они смогли преодолеть силы притяжения, удерживающие их в упорядоченной структуре кристаллической решётки.

В веществах с ионными кристаллическими решётками в узлах решётки находятся разноименно заряженные ионы. Между ними действуют мощные электростатические силы притяжения — ионные связи. Эти связи очень прочны и пронизывают весь кристалл. Для того чтобы разрушить такую решётку, требуется затратить большое количество энергии, что и обусловливает высокие температуры плавления и кипения ионных соединений (например, хлорид натрия $NaCl$ плавится при 801 °C).

В веществах с атомными кристаллическими решётками в узлах решётки располагаются отдельные атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями. Весь кристалл представляет собой, по сути, одну гигантскую молекулу. Чтобы расплавить такое вещество, необходимо разорвать эти многочисленные и прочные ковалентные связи. Это требует огромного количества энергии, поэтому вещества с атомной решёткой (например, алмаз, кремний, оксид кремния $SiO_2$) являются самыми тугоплавкими (температура плавления алмаза > 3500 °C).

В веществах с молекулярными кристаллическими решётками ситуация принципиально иная. В узлах решётки находятся не атомы или ионы, а целые молекулы. Внутри самих молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, но сами молекулы удерживаются в решётке гораздо более слабыми межмолекулярными силами (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи). При плавлении прочные ковалентные связи внутри молекул не затрагиваются, а разрываются только эти слабые межмолекулярные связи. Поскольку для их разрыва требуется значительно меньше энергии, вещества с молекулярной кристаллической решёткой (например, лёд $H_2O$, йод $I_2$, нафталин) имеют низкие температуры плавления, то есть являются легкоплавкими.

Ответ: Вещества с ионными и атомными кристаллическими решётками имеют высокие температуры плавления, так как для их разрушения необходимо разорвать прочные химические связи (ионные или ковалентные), действующие по всему объёму кристалла. Вещества с молекулярными решётками легкоплавки, потому что при их плавлении разрываются лишь слабые межмолекулярные силы, удерживающие молекулы друг около друга, в то время как прочные связи внутри молекул сохраняются.

2. Какова природа химической связи между атомами в ионных, атомных, металлических и молекулярных кристаллах?

В ионных кристаллах
Природа химической связи — ионная. Эта связь возникает в результате электростатического притяжения (кулоновских сил) между противоположно заряженными ионами. Ионы образуются при переходе одного или нескольких электронов от атомов с низкой электроотрицательностью (обычно металлы) к атомам с высокой электроотрицательностью (обычно неметаллы). В результате формируется кристаллическая решетка, в узлах которой находятся положительные катионы и отрицательные анионы. Примерами являются кристаллы солей, таких как хлорид натрия (NaCl) и фторид кальция (CaF₂).

Ответ: ионная связь, основанная на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами.

В атомных кристаллах
Природа химической связи — ковалентная. В этих кристаллах все атомы соединены между собой прочными ковалентными связями, образуя одну гигантскую макромолекулу. Ковалентная связь образуется за счет обобществления электронных пар между соседними атомами. Такие кристаллы характеризуются высокой твердостью и очень высокими температурами плавления. Примерами могут служить алмаз (C), кремний (Si), и кварц (SiO₂).

Ответ: ковалентная связь, образующая единую трехмерную сетку атомов.

В металлических кристаллах
Природа химической связи — металлическая. Эта связь характеризуется наличием положительно заряженных ионов металлов, расположенных в узлах кристаллической решетки, и так называемого "электронного газа" — совокупности валентных электронов, которые свободно перемещаются по всему объему кристалла, не принадлежа конкретным атомам (делокализованы). Металлическая связь представляет собой электростатическое притяжение между катионами металлов и этим "газом" обобществленных электронов. Это обуславливает такие свойства металлов, как высокая электро- и теплопроводность, пластичность и блеск. Примеры — любые металлы, такие как медь (Cu), железо (Fe), алюминий (Al).

Ответ: металлическая связь, обусловленная притяжением между положительными ионами в решетке и обобществленными (делокализованными) электронами.

В молекулярных кристаллах
В узлах решетки таких кристаллов находятся отдельные молекулы. Связь между атомами внутри этих молекул является прочной ковалентной связью. Однако сами молекулы удерживаются в кристаллической решетке значительно более слабыми межмолекулярными силами. К ним относятся силы Ван-дер-Ваальса (дисперсионные, диполь-дипольные взаимодействия) и, в некоторых случаях, водородные связи. Поскольку эти межмолекулярные силы слабые, молекулярные кристаллы обычно мягкие, имеют низкие температуры плавления и кипения. Примерами являются лед (H₂O), твердый диоксид углерода ("сухой лед", CO₂), йод (I₂). Таким образом, силы, определяющие структуру и свойства кристалла, — это межмолекулярные силы.

Ответ: слабые межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса и/или водородные связи) между молекулами, в то время как внутри самих молекул атомы связаны прочными ковалентными связями.

3. Какой тип кристаллической решётки характерен:

а) для льда;

б) для хлорида натрия;

в) для иода;

г) для железа;

д) для алмаза?

а) для льда

Лёд представляет собой твёрдое агрегатное состояние воды ($H_2O$). Молекулы воды являются полярными и в кристаллическом состоянии связаны между собой водородными связями. В узлах кристаллической решётки льда находятся целые молекулы воды. Такой тип решётки, где в узлах находятся молекулы, связанные относительно слабыми межмолекулярными силами (в данном случае, водородными связями), называется молекулярной. Вещества с молекулярной решёткой обычно имеют низкие температуры плавления и кипения, летучи и непрочны.

Ответ: молекулярная кристаллическая решётка.

б) для хлорида натрия

Хлорид натрия ($NaCl$), известный как поваренная соль, является типичным ионным соединением. Он образован за счёт электростатического притяжения между положительно заряженными ионами натрия ($Na^+$) и отрицательно заряженными ионами хлора ($Cl^-$). В узлах кристаллической решётки расположены эти ионы, чередуясь друг с другом. Такая структура называется ионной кристаллической решёткой. Вещества с ионной решёткой, как правило, твёрдые, тугоплавкие, нелетучие, а их расплавы или растворы проводят электрический ток.

Ответ: ионная кристаллическая решётка.

в) для иода

Иод ($I_2$) в твёрдом состоянии представляет собой кристаллы, состоящие из двухатомных молекул $I_2$. Внутри молекулы атомы иода связаны прочной ковалентной неполярной связью. Однако сами молекулы $I_2$ в кристалле удерживаются вместе очень слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). В узлах решётки находятся молекулы $I_2$. Следовательно, иод имеет молекулярную кристаллическую решётку. Характерными свойствами являются низкая температура плавления и способность к сублимации (возгонке) — переходу из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Ответ: молекулярная кристаллическая решётка.

г) для железа

Железо ($Fe$) — это металл. Кристаллическая структура металлов описывается металлической кристаллической решёткой. В узлах такой решётки находятся положительно заряженные ионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществлённые валентные электроны, образуя так называемый "электронный газ". Эти электроны связывают ионы в единую структуру. Такая связь называется металлической. Вещества с металлической решёткой обладают характерными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью (ковкостью), металлическим блеском.

Ответ: металлическая кристаллическая решётка.

д) для алмаза

Алмаз является одной из аллотропных модификаций углерода ($C$). В его структуре каждый атом углерода соединён с четырьмя другими атомами углерода прочными ковалентными связями, образуя тетраэдрическую структуру. Эти связи распространяются по всему кристаллу, формируя единую гигантскую макромолекулу. В узлах решётки находятся отдельные атомы, связанные ковалентными связями. Такой тип решётки называется атомной. Вещества с атомной кристаллической решёткой (например, алмаз, кварц $SiO_2$, карборунд $SiC$) отличаются очень высокой твёрдостью, тугоплавкостью и нерастворимостью.

Ответ: атомная кристаллическая решётка.

4. На конкретных примерах сравните физические свойства веществ, существующих в виде металлических и ионных кристаллов.

Физические свойства веществ напрямую зависят от типа их кристаллической решетки и природы химической связи. Сравним свойства веществ с металлической и ионной решеткой на конкретных примерах: меди ($Cu$) как представителя металлов и хлорида натрия ($NaCl$, поваренная соль) как представителя ионных соединений.

В узлах металлической решетки меди находятся положительно заряженные ионы $Cu^{n+}$, а между ними свободно перемещаются обобщенные валентные электроны, образуя так называемый "электронный газ". Эти электроны связывают всю структуру воедино. В узлах ионной решетки хлорида натрия находятся строго чередующиеся положительные ионы натрия ($Na^+$) и отрицательные ионы хлора ($Cl^-$), удерживаемые сильными электростатическими силами притяжения.

Твердость, пластичность и хрупкость

Вещества с ионной решеткой, как правило, твердые, но в то же время хрупкие. Например, кристалл соли ($NaCl$) можно раскрошить. Твердость обусловлена сильным притяжением между ионами. Хрупкость объясняется тем, что при механическом воздействии (ударе) происходит сдвиг слоев решетки. В результате одноименно заряженные ионы оказываются рядом, что приводит к резкому возникновению сил отталкивания и разрушению (раскалыванию) кристалла.

Вещества с металлической решеткой, например медь ($Cu$), характеризуются пластичностью — способностью изменять форму под нагрузкой без разрушения (ковкость, тягучесть). При механическом воздействии слои ионов в металле могут смещаться друг относительно друга, но связь не разрывается, так как "электронный газ" продолжает удерживать их вместе в новом положении.

Ответ: Ионные кристаллы (например, $NaCl$) твердые, но хрупкие, в то время как металлические кристаллы (например, $Cu$) пластичны.

Температуры плавления и кипения

Для веществ с ионной решеткой характерны очень высокие температуры плавления. Чтобы расплавить хлорид натрия, его нужно нагреть до 801 °C. Это связано с тем, что для разрушения прочной кристаллической решетки, удерживаемой мощными электростатическими силами, требуется большое количество энергии.

Большинство металлов также являются тугоплавкими. Например, температура плавления меди составляет 1085 °C. Металлическая связь также является прочной. Однако диапазон температур плавления у металлов очень широк: от ртути ($Hg$, t_пл = -39 °C) до вольфрама ($W$, t_пл = 3422 °C).

Ответ: И для металлических, и для ионных кристаллов характерны, как правило, высокие температуры плавления из-за прочности химических связей в них.

Электропроводность

Ионные кристаллы в твердом состоянии являются диэлектриками (не проводят электрический ток). Это объясняется тем, что ионы жестко зафиксированы в узлах решетки и не могут перемещаться для переноса заряда. Однако при плавлении или растворении в воде ($NaCl$) решетка разрушается, ионы становятся подвижными, и такие расплавы/растворы хорошо проводят электрический ток.

Металлы (например, $Cu$) отлично проводят электрический ток как в твердом, так и в жидком (расплавленном) состоянии. Это их характерное свойство обусловлено наличием свободных электронов ("электронного газа"), которые под действием электрического поля начинают упорядоченно двигаться, создавая электрический ток.

Ответ: Металлы проводят ток в твердом и жидком состоянии, а ионные соединения — только в виде расплавов или растворов.

Растворимость в воде

Многие вещества с ионной кристаллической решеткой, включая хлорид натрия, хорошо растворяются в полярных растворителях, таких как вода. Полярные молекулы воды ($H_2O$) притягиваются к ионам на поверхности кристалла, окружают их (гидратируют) и "вырывают" из решетки, что приводит к ее разрушению и переходу вещества в раствор.

Металлы, в том числе и медь, в воде нерастворимы, так как прочная металлическая связь не может быть разрушена взаимодействием с молекулами воды.

Ответ: Многие ионные соединения хорошо растворимы в воде, в то время как металлы в воде нерастворимы.

5. В какой массе воды нужно растворить 27,8 г кристаллогидрата сульфата железа(II) $FeSO_4 \cdot 7H_2O$, чтобы получить 3,8 %-ный раствор сульфата железа(II) $FeSO_4$?

Дано:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 27,8$ г
$\omega(FeSO_4)_{раствора} = 3,8 \%$

Перевод в СИ:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 0,0278$ кг
$\omega(FeSO_4)_{раствора} = 0,038$

Найти:

$m(H_2O) - ?$

Решение:

1. Найдем молярные массы сульфата железа(II), воды и кристаллогидрата сульфата железа(II). Для расчетов используем округленные атомные массы: $Ar(Fe) = 56$, $Ar(S) = 32$, $Ar(O) = 16$, $Ar(H) = 1$.

Молярная масса сульфата железа(II) $FeSO_4$:

$M(FeSO_4) = 56 + 32 + 4 \cdot 16 = 152$ г/моль.

Молярная масса воды $H_2O$:

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ г/моль.

Молярная масса кристаллогидрата $FeSO_4 \cdot 7H_2O$:

$M(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = M(FeSO_4) + 7 \cdot M(H_2O) = 152 + 7 \cdot 18 = 152 + 126 = 278$ г/моль.

2. Рассчитаем массу безводного сульфата железа(II) $FeSO_4$, которая содержится в 27,8 г кристаллогидрата. Эта масса будет являться массой растворенного вещества в конечном растворе.

$m(FeSO_4) = m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) \cdot \frac{M(FeSO_4)}{M(FeSO_4 \cdot 7H_2O)}$

$m(FeSO_4) = 27,8 \text{ г} \cdot \frac{152 \text{ г/моль}}{278 \text{ г/моль}} = 15,2 \text{ г}$

3. Определим, какой должна быть масса всего раствора, чтобы массовая доля $FeSO_4$ в нем составляла 3,8% (или 0,038).

Массовая доля вещества в растворе определяется по формуле:

$\omega(FeSO_4) = \frac{m(FeSO_4)}{m_{раствора}}$

Отсюда масса раствора:

$m_{раствора} = \frac{m(FeSO_4)}{\omega(FeSO_4)} = \frac{15,2 \text{ г}}{0,038} = 400 \text{ г}$

4. Общая масса раствора (400 г) складывается из массы взятого кристаллогидрата (27,8 г) и массы добавленной воды. Найдем массу воды, которую необходимо добавить.

$m_{раствора} = m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) + m(H_2O)_{добавл.}$

$m(H_2O)_{добавл.} = m_{раствора} - m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 400 \text{ г} - 27,8 \text{ г} = 372,2 \text{ г}$

Ответ: для получения 3,8%-ного раствора сульфата железа(II) необходимо растворить 27,8 г кристаллогидрата $FeSO_4 \cdot 7H_2O$ в 372,2 г воды.