Номер 13, страница 104 - гдз по химии 8 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

13. Обычно вещества, образованные различными изотопами одного химического элемента, например изотопами калия, не отличаются по свойствам. Исключение составляют изотопы водорода и их соединения. Изотопы водорода имеют даже собственные названия и обозначения: протий $^1\text{H}$, дейтерий $^2\text{D}$. Лёгкая вода $\text{H}_2\text{O}$ имеет меньшую вязкость, более низкую температуру плавления, чем тяжёлая вода $\text{D}_2\text{O}$. Объясните этот факт.

Различие в физических свойствах легкой воды ($H_2O$) и тяжелой воды ($D_2O$) является ярким примером изотопного эффекта. Причина кроется в значительной относительной разнице масс изотопов водорода: протия ($^1H$) и дейтерия ($^2D$). Атом дейтерия почти в два раза тяжелее атома протия.

Химические свойства, определяемые строением электронной оболочки, у изотопов одинаковы. Однако масса атома влияет на колебательные характеристики химических связей. Это, в свою очередь, сказывается на силе межмолекулярных взаимодействий, в частности, водородных связей, которые и определяют такие свойства воды, как температура плавления и вязкость.

1. Прочность ковалентной связи. Ковалентная связь O-H (в легкой воде) и O-D (в тяжелой воде) не является жесткой, атомы в ней совершают колебания. Частота этих колебаний обратно пропорциональна приведенной массе системы. Так как дейтерий тяжелее протия, связь O-D колеблется с меньшей частотой, чем связь O-H. В квантовой механике любая связь обладает минимальной, ненулевой энергией — так называемой энергией нулевых колебаний ($E_0 = \frac{1}{2}h\nu$, где $\nu$ — частота колебаний). У связи O-D эта энергия ниже, чем у связи O-H. Это означает, что для разрыва ковалентной связи O-D требуется больше энергии, то есть она является более прочной.

2. Сила водородной связи. Более прочная ковалентная связь O-D приводит к тому, что и межмолекулярная водородная связь в тяжелой воде оказывается прочнее, чем в легкой. Атом дейтерия, будучи тяжелее, имеет меньшую амплитуду колебаний, что приводит к более стабильному и сильному усредненному электростатическому взаимодействию с атомом кислорода соседней молекулы. Таким образом, водородные связи $D_2O \cdots D_2O$ прочнее, чем $H_2O \cdots H_2O$.

3. Влияние на физические свойства.

• Температура плавления: Плавление — это процесс разрушения упорядоченной кристаллической решетки (льда), который требует затрат энергии на преодоление межмолекулярных сил. Поскольку водородные связи в тяжелом льду прочнее, для их разрыва требуется больше энергии, а значит, и более высокая температура. Поэтому температура плавления $D_2O$ (около $3.8 \,^{\circ}\text{C}$) выше, чем у $H_2O$ ($0 \,^{\circ}\text{C}$).
• Вязкость: Вязкость жидкости характеризует сопротивление течению и обусловлена силами межмолекулярного сцепления. Чтобы молекулы могли перемещаться друг относительно друга, водородные связи должны постоянно разрываться и образовываться. Более прочные водородные связи в $D_2O$ создают большее сопротивление этому процессу, что и объясняет ее более высокую вязкость по сравнению с $H_2O$.

Таким образом, именно значительное различие в массах изотопов водорода приводит к заметному изменению силы водородных связей, что и является причиной наблюдаемых различий в физических свойствах легкой и тяжелой воды.

Ответ: Разница в свойствах легкой ($H_2O$) и тяжелой ($D_2O$) воды объясняется изотопным эффектом, связанным со значительной (почти двукратной) разницей масс атомов водорода — протия ($^1H$) и дейтерия ($^2D$). Более тяжелый дейтерий приводит к тому, что водородные связи в тяжелой воде оказываются прочнее, чем в легкой. Для разрушения более прочных связей при плавлении требуется больше энергии, поэтому у $D_2O$ выше температура плавления. Более сильное межмолекулярное взаимодействие также увеличивает сопротивление течению, что делает $D_2O$ более вязкой.