Страница 49 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Что называют аллотропией?

Аллотропия (от древнегреческого ἄλλος — «другой» и τρόπος — «поворот, свойство») — это явление существования одного и того же химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти простые вещества называют аллотропными модификациями или аллотропными формами.

Причинами аллотропии являются:

• Различное число атомов в молекуле. Классическим примером является кислород.
• Различное строение кристаллической решётки, то есть разная форма кристаллов, образуемых одним и тем же элементом. Это наиболее распространенная причина.

Аллотропные модификации одного и того же элемента могут значительно отличаться как по физическим, так и по химическим свойствам.

Примеры аллотропных модификаций:

• Углерод (C) существует в виде множества модификаций, самые известные из которых:
  • Алмаз: атомы углерода образуют тетраэдрическую кристаллическую решётку. Это самое твёрдое из известных природных веществ, прозрачное и не проводит электрический ток.
  • Графит: атомы углерода расположены в виде слоёв из гексагональных колец. Он мягкий, непрозрачный, серо-чёрного цвета, хорошо проводит электрический ток.
  • Фуллерены (например, $C_{60}$): молекулы имеют форму замкнутых сфер или эллипсоидов.
  • Карбин: имеет линейное строение из цепочек атомов углерода.
  • Графен: представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.
• Кислород (O) образует две аллотропные модификации:
  • Кислород ($O_2$): двухатомная молекула, газ без цвета и запаха, необходимый для дыхания.
  • Озон ($O_3$): трёхатомная молекула, газ голубоватого цвета с резким запахом, является сильным окислителем.
• Фосфор (P) имеет несколько модификаций:
  • Белый фосфор ($P_4$): молекулярная решётка, воскообразное вещество, очень ядовит, химически активен, светится в темноте.
  • Красный фосфор: полимерное строение, менее активен, не ядовит.
  • Чёрный фосфор: слоистая структура, похожая на графит, является полупроводником, наиболее стабильная форма.
• Сера (S) также имеет несколько модификаций:
  • Ромбическая сера: устойчива при комнатной температуре, состоит из циклических молекул $S_8$.
  • Моноклинная сера: устойчива при температуре выше 95,6 °C, также состоит из молекул $S_8$, но они по-другому упакованы в кристалле.
  • Пластическая сера: аморфная форма, получаемая при быстром охлаждении расплава серы.

Ответ: Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ (аллотропных модификаций), которые различаются по строению (составу молекул или строению кристаллической решётки) и, как следствие, по своим физическим и химическим свойствам.

• Какие вещества называют изомерами? Приведите примеры.

Изомерами (от греческих слов ἴσος — «равный, одинаковый» и μέρος — «доля, часть») называют химические соединения, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав, то есть одинаковую молекулярную формулу, но разное строение. Из-за различий в строении молекул изомеры обладают разными физическими и химическими свойствами. Явление существования таких соединений называется изомерией.

Наиболее простой и распространенный тип изомерии — структурная. Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связывания атомов в молекуле. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1: Изомерия углеродного скелета.
Возьмем вещество с молекулярной формулой $C_4H_{10}$. Этой формуле соответствуют два разных вещества-изомера:
1. н-бутан (нормальный бутан), который имеет линейную, неразветвленную углеродную цепь: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.
2. Изобутан (или по систематической номенклатуре 2-метилпропан), у которого углеродная цепь разветвленная: $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$.
Эти вещества — газы, но у них разные температуры кипения (н-бутан: -0,5 °C, изобутан: -11,7 °C) и другие свойства.

Пример 2: Межклассовая изомерия.
Рассмотрим молекулярную формулу $C_2H_6O$. Ей соответствуют два изомера, которые принадлежат к разным классам органических соединений:
1. Этанол (этиловый спирт), представитель класса одноатомных спиртов, со структурной формулой $CH_3-CH_2-OH$.
2. Диметиловый эфир, представитель класса простых эфиров, со структурной формулой $CH_3-O-CH_3$.
Свойства этих веществ кардинально различаются: этанол — жидкость, хорошо растворимая в воде, вступает в реакции, характерные для спиртов (например, с натрием). Диметиловый эфир — газ, плохо растворимый в воде, химически гораздо менее активен.

Ответ: Изомеры — это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу (одинаковый атомный состав), но разное химическое строение и, как следствие, разные свойства. Примерами могут служить н-бутан и изобутан (оба $C_4H_{10}$), а также этиловый спирт и диметиловый эфир (оба $C_2H_6O$).

• Каким цветом обозначают атомы водорода, кислорода и углерода в объёмных моделях молекул?

В объёмных (масштабных) моделях молекул, которые также известны как модели Стюарта-Бриглеба, используется общепринятая цветовая схема CPK (Corey-Pauling-Koltun) для обозначения атомов химических элементов. Эта стандартизация помогает химикам и студентам по всему миру однозначно интерпретировать строение молекул.

• Атомы водорода

  Атомы водорода (химический символ H) традиционно обозначают шариками белого цвета. Водород является самым лёгким и самым распространённым элементом во Вселенной, и белый цвет символизирует его фундаментальную простоту и уникальность.

  Ответ: белый цвет.

• Атомы кислорода

  Атомы кислорода (химический символ O) принято обозначать шариками красного цвета. Исторически этот цвет был выбран из-за прочной ассоциации кислорода с процессами горения (окисления) и огнём. Модель молекулы воды ($H_2O$) будет состоять из одного красного и двух белых шариков.

  Ответ: красный цвет.

• Атомы углерода

  Атомы углерода (химический символ C) обозначают шариками чёрного или тёмно-серого цвета. Этот выбор напрямую связан с цветом простых веществ, образованных углеродом, таких как уголь, сажа и графит. Углерод — основа жизни и органической химии, и его тёмный цвет делает его «скелет» в моделях органических молекул хорошо заметным.

  Ответ: чёрный или тёмно-серый цвет.