Страница 140 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Дано:

Вещество: кислород

Температура $t = -205 \text{ °C}$

Перевод данных в систему СИ:

Температура в Кельвинах: $T = t + 273.15 = -205 + 273.15 = 68.15 \text{ К}$

Найти:

Агрегатное состояние кислорода при заданной температуре.

Решение:

Чтобы определить агрегатное состояние вещества, необходимо сравнить его температуру с температурами его фазовых переходов: температурой плавления и температурой кипения. Для этого воспользуемся справочными данными для кислорода (при нормальном атмосферном давлении):

- Температура кипения (конденсации) кислорода: $t_{кип} = -183 \text{ °C}$. При температуре выше этого значения кислород находится в газообразном состоянии.

- Температура плавления (кристаллизации) кислорода: $t_{пл} = -218.8 \text{ °C}$. При температуре ниже этого значения кислород находится в твердом состоянии.

Если температура вещества находится в интервале между температурой плавления и температурой кипения ($t_{пл} < t < t_{кип}$), то вещество находится в жидком агрегатном состоянии.

Сравним заданную температуру $t = -205 \text{ °C}$ с этими значениями:

1. Сравнение с температурой кипения: $-205 \text{ °C} < -183 \text{ °C}$ ($t < t_{кип}$). Следовательно, кислород уже сконденсировался и не является газом.

2. Сравнение с температурой плавления: $-205 \text{ °C} > -218.8 \text{ °C}$ ($t > t_{пл}$). Следовательно, кислород еще не замерз (не кристаллизовался) и не является твердым телом.

Таким образом, температура $-205 \text{ °C}$ находится в диапазоне между температурой плавления и температурой кипения кислорода:

$-218.8 \text{ °C} < -205 \text{ °C} < -183 \text{ °C}$

Это соответствует жидкому агрегатному состоянию.

Ответ: при температуре $-205 \text{ °C}$ кислород будет находиться в жидком агрегатном состоянии.

В научно-фантастическом романе Александра Беляева «Продавец воздуха» антагонист мистер Бейли организует производство твёрдого кислорода, замораживая сжиженный атмосферный воздух. На основе описаний, приведённых в книге, можно охарактеризовать следующие свойства твёрдого кислорода:

• Агрегатное состояние и внешний вид: Твёрдое кристаллическое вещество. В романе оно описано как «огромные штабеля каких-то голубоватых кристаллов, похожих на лед».
• Оптические свойства: Кристаллы обладают способностью к люминесценции, то есть свечению. В тексте отмечается, что они «слабо светились в темноте».
• Температурные свойства: Твёрдый кислород имеет чрезвычайно низкую температуру. В реальности кислород переходит в твёрдое состояние при температуре $54,36 \text{ К}$ ($-218,79 \text{ °C}$). В романе подчёркивается опасность контакта с ним, который вызывает мгновенное и глубокое обморожение.
• Физические свойства: Вещество хрупкое, как и большинство кристаллов. Ключевым свойством является способность к сублимации (возгонке) — прямому переходу из твёрдого состояния в газообразное при нагревании. Из-за медленной сублимации запасы твёрдого кислорода в подземных хранилищах постоянно уменьшались.
• Химические свойства: Является мощнейшим окислителем. Его высокая концентрация в твёрдом виде делает реакции горения чрезвычайно бурными. Это продемонстрировано в эпизоде, когда брошенный в жаровню кусок твёрдого кислорода вызывает мощную вспышку: «Раздался оглушительный взрыв. Пламя с ревом поднялось до потолка пещеры».

Ответ:

Согласно описанию в романе А. Беляева «Продавец воздуха», твёрдый кислород — это хрупкое кристаллическое вещество голубоватого цвета, похожее на лёд, которое слабо светится в темноте. Он обладает чрезвычайно низкой температурой (ниже $-218 \text{ °C}$), вызывающей мгновенное обморожение. При повышении температуры он сублимирует, переходя из твёрдого состояния сразу в газообразное. Является очень сильным окислителем, способным вызывать взрывоподобное усиление процессов горения.

К какому типу веществ (кристаллические или аморфные) относятся пластмассы?

Пластмассы, или пластики, представляют собой высокомолекулярные органические соединения (полимеры). По своей структуре большинство пластмасс относится к аморфным веществам. Это означает, что их макромолекулы (длинные полимерные цепи) расположены хаотично, без строгого порядка, в отличие от кристаллов, где атомы или молекулы образуют упорядоченную кристаллическую решетку.

У аморфных тел, включая пластмассы, нет определенной температуры плавления. Вместо этого при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в вязкотекучее состояние в некотором интервале температур. Температура, при которой начинается этот переход, называется температурой стеклования.

Стоит отметить, что некоторые полимеры могут иметь частично упорядоченную структуру и называются кристаллизующимися (или полукристаллическими). В них наряду с аморфными участками существуют и области с упорядоченным расположением цепей — кристаллиты. Однако даже в таких пластмассах степень кристалличности редко достигает 100%, и аморфная фаза всегда присутствует и оказывает значительное влияние на их свойства. Поэтому в общем случае пластмассы классифицируют как аморфные тела.

Ответ: Пластмассы относятся к аморфным веществам, так как их макромолекулы не имеют строгого порядка в расположении (кристаллической решетки). Некоторые пластмассы могут быть полукристаллическими, но аморфная составляющая в них всегда присутствует.

Какие свойства пластмасс лежат в основе их промышленного применения?

В основе широкого промышленного применения пластмасс лежит уникальное сочетание их физических, химических и технологических свойств:

• Низкая плотность и малый вес. Пластмассы значительно легче металлов, стекла и керамики, что делает их незаменимыми в авиа- и автомобилестроении, производстве упаковки и портативной электроники для снижения массы изделий.
• Высокая коррозионная и химическая стойкость. В отличие от металлов, пластмассы не подвержены коррозии. Они устойчивы к действию воды, многих кислот, щелочей и органических растворителей. Это позволяет использовать их для изготовления труб, емкостей для химикатов, деталей насосов и защитных покрытий.
• Диэлектрические свойства. Большинство пластмасс являются хорошими изоляторами электрического тока (диэлектриками). Это свойство используется для изоляции кабелей и проводов, изготовления корпусов электроприборов и розеток.
• Низкая теплопроводность. Пластмассы плохо проводят тепло, поэтому их используют в качестве теплоизоляционных материалов (например, пенопласт) и для изготовления ручек для посуды, инструментов, чтобы защитить от ожогов.
• Технологичность и легкость переработки. Пластмассы пластичны: при нагревании они размягчаются и им можно придать практически любую сложную форму методами литья под давлением, экструзии, выдувания. Это позволяет наладить массовое и недорогое производство изделий сложной конфигурации.
• Оптические свойства. Некоторые виды пластмасс (например, поликарбонат, полиметилметакрилат) прозрачны и могут служить легкой и ударопрочной заменой стеклу.
• Возможность модификации свойств. Свойства пластмасс можно целенаправленно изменять, вводя в их состав различные добавки: наполнители (для прочности), пластификаторы (для эластичности), красители, стабилизаторы (для защиты от старения). Это позволяет создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Ответ: Основой промышленного применения пластмасс являются такие свойства, как низкая плотность, высокая химическая стойкость, диэлектрические и теплоизоляционные характеристики, технологичность (легкость формования), а также возможность модификации свойств для конкретных задач.

К какому типу относится кристаллическая решётка алмаза?

Кристаллическая решётка алмаза относится к атомному типу. В узлах этой решётки находятся атомы углерода. Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан с четырьмя соседними атомами прочными и короткими ковалентными связями. Эти связи направлены к вершинам правильного тетраэдра, образуя единый жёсткий трёхмерный каркас. Именно такое строение обусловливает уникальные физические свойства алмаза.

Ответ: Кристаллическая решётка алмаза имеет атомный тип.

Перечислите характерные для алмаза физические свойства.

Физические свойства алмаза напрямую определяются его атомной кристаллической решёткой с прочными ковалентными связями. Основные свойства следующие:

Исключительная твёрдость: Алмаз — самое твёрдое из всех известных природных веществ (эталон твёрдости, 10 по шкале Мооса). Это свойство объясняется наличием очень прочных ковалентных связей, пронизывающих весь кристалл и образующих жёсткую трёхмерную структуру.

Высокие температуры плавления и кипения: Для разрушения прочных ковалентных связей в кристалле требуется огромное количество энергии. Поэтому алмаз имеет одну из самых высоких температур плавления (около $4000 \text{ °C}$ при высоком давлении). При атмосферном давлении он не плавится, а сублимирует (переходит из твёрдого состояния в газообразное) при температуре около $3600 \text{ °C}$.

Хрупкость: Несмотря на высочайшую твёрдость, алмаз является хрупким. При сильном ударе, особенно вдоль определённых плоскостей (плоскостей спайности), кристалл может расколоться.

Низкая электропроводность: Алмаз является диэлектриком (изолятором). В его структуре все валентные электроны каждого атома углерода задействованы в образовании ковалентных связей и жёстко локализованы. Свободных носителей заряда, способных перемещаться по кристаллу, нет.

Высокая теплопроводность: Алмаз обладает аномально высокой теплопроводностью (в 5 раз выше, чем у меди), являясь лучшим проводником тепла среди всех твёрдых тел при комнатной температуре. Это связано с эффективной передачей колебаний (фононов) через лёгкую и жёсткую решётку атомов углерода.

Оптические свойства: Чистый алмаз бесцветен и прозрачен для видимого света. Он обладает очень высоким показателем преломления (около 2,42) и сильной дисперсией (способностью разлагать белый свет в спектр). Сочетание этих свойств после огранки придаёт бриллиантам их знаменитый блеск и "игру света".

Химическая инертность: Алмаз чрезвычайно устойчив к действию кислот и щелочей и не растворяется ни в одном из известных растворителей при обычных условиях.

Ответ: Характерные физические свойства алмаза: высочайшая твёрдость, высокие температуры плавления и сублимации, хрупкость, низкая электропроводность (диэлектрик), высокая теплопроводность, прозрачность, высокий показатель преломления и сильная дисперсия, химическая инертность.

К какому типу относится кристаллическая решётка иода?

Иод ($I_2$) в твердом состоянии образует кристаллическую решетку молекулярного типа. В узлах этой решетки расположены отдельные двухатомные молекулы иода ($I_2$). Внутри каждой молекулы атомы связаны прочной ковалентной неполярной связью, а между собой молекулы в кристалле удерживаются очень слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Именно эта слабая связь между молекулами определяет большинство физических свойств иода.

Ответ: молекулярный тип кристаллической решётки.

Перечислите характерные для иода физические свойства.

Физические свойства иода напрямую обусловлены его молекулярной кристаллической решёткой со слабыми межмолекулярными связями. Основные характерные свойства:

• Агрегатное состояние и внешний вид: при нормальных условиях иод представляет собой твердое вещество — хрупкие кристаллы темно-серого (почти черного) цвета с характерным металлическим блеском.

• Температуры фазовых переходов: имеет низкие температуры плавления ($t_{пл} = 113,7$ °C) и кипения ($t_{кип} = 184,3$ °C).

• Сублимация (возгонка): при нагревании легко переходит из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Этот процесс называется сублимацией. Пары иода имеют насыщенный фиолетовый цвет и резкий запах.

• Растворимость: очень плохо растворяется в полярных растворителях, таких как вода («иодная вода» имеет лишь слабую желтоватую окраску), но хорошо растворим в большинстве органических растворителей (например, в этаноле, сероуглероде, хлороформе), а также в водных растворах иодидов (например, иодида калия $KI$).

• Электропроводность: не проводит электрический ток ни в твердом, ни в жидком состоянии, является диэлектриком.

Ответ: характерные физические свойства иода — это твердое агрегатное состояние, темно-серый цвет с металлическим блеском, хрупкость, низкая температура плавления, способность к сублимации с образованием фиолетовых паров, плохая растворимость в воде и отсутствие электропроводности.

Температура плавления — это фундаментальная физическая характеристика вещества, обозначающая температуру, при которой оно переходит из твердого состояния в жидкое. Для металлов этот процесс заключается в разрушении их кристаллической решетки. Атомы в твердом металле удерживаются в упорядоченной структуре силами так называемой металлической связи. Чтобы расплавить металл, необходимо сообщить его атомам достаточную тепловую энергию, чтобы они смогли преодолеть эти силы связи и начать свободно перемещаться относительно друг друга, что характерно для жидкого состояния.

Значительный разброс температур плавления металлов — от -38,8 °C у ртути до 3422 °C у вольфрама — объясняется существенными различиями в прочности металлической связи у разных химических элементов. Прочность этой связи, в свою очередь, зависит от нескольких ключевых факторов, которые уникальны для каждого металла.

1. Количество валентных электронов и заряд иона. Металлическая связь образуется за счет обобществления валентных электронов, которые формируют так называемый "электронный газ", удерживающий вместе положительно заряженные ионы металла в узлах кристаллической решетки. Чем больше электронов каждый атом отдает в "электронный газ" и чем больше заряд иона, тем сильнее электростатическое притяжение между ионами и электронами, и, следовательно, тем прочнее связь и выше температура плавления. Например, щелочные металлы, такие как натрий (Na) или цезий (Cs), имеют всего по одному валентному электрону, поэтому их температуры плавления низкие (97,8 °C и 28,4 °C соответственно). У магния (Mg), имеющего два валентных электрона, температура плавления уже заметно выше (650 °C). А у переходных металлов, таких как вольфрам (W), которые могут предоставлять до шести электронов для образования связи, температура плавления достигает рекордных значений.

2. Размер атома (ионный радиус). Сила притяжения между положительными ионами и "электронным газом" обратно пропорциональна расстоянию между ними. Чем меньше радиус атома, тем плотнее "упакованы" ионы в решетке и тем сильнее они притягиваются к общему электронному облаку. Поэтому металлы с меньшими атомными радиусами, как правило, имеют более высокие температуры плавления. Например, в группе щелочных металлов температура плавления уменьшается сверху вниз по мере увеличения атомного радиуса: от лития (180,5 °C) до цезия (28,4 °C).

3. Тип кристаллической решетки. Атомы в металлах могут упаковываться по-разному, образуя различные кристаллические структуры (например, объемно-центрированную кубическую, гранецентрированную кубическую, гексагональную плотноупакованную). Плотность упаковки атомов и координационное число (количество ближайших соседей у каждого атома) влияют на общую энергию связи в кристалле. Более плотные упаковки обычно соответствуют более прочным связям и, как следствие, более высоким температурам плавления.

Таким образом, уникальное сочетание этих факторов — числа валентных электронов, размера атома и типа кристаллической структуры — для каждого конкретного металла и определяет прочность его металлической связи. Поскольку эти характеристики у разных металлов варьируются в очень широких пределах, то и энергия, необходимая для разрушения их кристаллических решеток, а значит и температура плавления, также изменяется в столь большом диапазоне.

Ответ: Температура плавления металлов изменяется в очень широких пределах, потому что она напрямую зависит от прочности металлической связи в их кристаллической решетке. Эта прочность определяется совокупностью факторов, которые сильно различаются от одного металла к другому: количеством валентных электронов, участвующих в связи, размером атомов (ионных радиусов) и типом кристаллической структуры (плотностью упаковки атомов).

Почему изделие из кремния при ударе раскалывается на кусочки, а изделие из свинца только расплющивается?

Различное поведение кремния и свинца при ударе объясняется типом их кристаллической решетки и характером химической связи между атомами.

Кремний ($Si$) — это вещество с атомной кристаллической решеткой. Атомы в такой решетке соединены очень прочными и жестко направленными в пространстве ковалентными связями. Эти связи фиксируют атомы в строго определенных положениях. При сильном механическом воздействии, таком как удар, атомы не могут сместиться со своих позиций. Вместо этого энергия удара идет на разрыв этих жестких связей, что приводит к разрушению всей кристаллической структуры. Материал раскалывается на куски. Такое свойство называется хрупкостью.

Свинец ($Pb$) — это металл, и он имеет металлическую кристаллическую решетку. В узлах этой решетки находятся положительно заряженные ионы свинца, а между ними движется "облако" из обобществленных валентных электронов (так называемый "электронный газ"). Эта металлическая связь не имеет строгой направленности. При ударе слои ионов могут легко скользить друг относительно друга, не разрывая связи, так как "электронный газ" продолжает удерживать их вместе в новом положении. В результате изделие не разрушается, а лишь меняет свою форму — деформируется (расплющивается). Это свойство называется пластичностью.

Ответ: Кремний раскалывается из-за своей хрупкости, которая обусловлена его атомной кристаллической решеткой с прочными, направленными ковалентными связями. Свинец расплющивается благодаря своей пластичности, которая обусловлена металлической кристаллической решеткой, позволяющей слоям атомов скользить друг относительно друга без разрушения.

В каком из указанных случаев происходит разрушение химической связи, а в каком — нет? Почему?

Разрушение химической связи происходит в случае с кремнием. Когда изделие из кремния раскалывается, это означает, что ковалентные связи между его атомами физически разрываются, что приводит к образованию новых поверхностей (осколков).

В случае со свинцом макроскопического разрушения химических связей не происходит. При расплющивании слои ионов в металлической решетке смещаются, но металлическая связь, обеспечиваемая "электронным газом", сохраняется. Связь не разрывается, а лишь перестраивается, адаптируясь к новой форме кристалла.

Ответ: Разрушение химической связи происходит в кремнии, потому что его хрупкое разрушение представляет собой разрыв ковалентных связей. В свинце химическая связь не разрушается, так как при его пластической деформации металлическая связь сохраняется благодаря смещению слоев ионов относительно друг друга.