Номер 452, страница 68 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

452. Какие физические свойства вещества зависят от силы межмолекулярного взаимодействия? Приведите соответствующие примеры.

Сила межмолекулярного взаимодействия — это совокупность сил притяжения и отталкивания, действующих между молекулами (атомами, ионами) вещества. Эта фундаментальная характеристика определяет, насколько прочно частицы вещества связаны друг с другом, и, как следствие, лежит в основе многих макроскопических физических свойств.

Агрегатное состояние вещества

Взаимосвязь между силой взаимодействия и агрегатным состоянием является одной из самых очевидных. В твердых телах межмолекулярные силы велики, они удерживают частицы в строго определенных положениях (узлах кристаллической решетки), позволяя им совершать лишь колебательные движения. В жидкостях силы слабее, что дает молекулам возможность перемещаться относительно друг друга, но все еще недостаточно слабы, чтобы позволить им разлететься. В газах межмолекулярное взаимодействие пренебрежимо мало по сравнению с кинетической энергией молекул, поэтому они движутся хаотично и занимают весь доступный объем.

Пример: При нормальных условиях кислород ($O_2$) — газ, так как между его неполярными молекулами действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. Вода ($H_2O$) — жидкость, поскольку ее полярные молекулы связаны относительно сильными водородными связями. Поваренная соль ($NaCl$) — твердое тело из-за очень сильного ионного взаимодействия.

Температуры плавления и кипения

Фазовые переходы (плавление, кипение) связаны с преодолением сил межмолекулярного притяжения. Чтобы перевести вещество из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное, необходимо сообщить его частицам дополнительную энергию, которая пойдет на разрыв связей. Чем прочнее эти связи, тем больше энергии требуется и, соответственно, тем выше температуры плавления и кипения.

Пример: Температура кипения гелия, у которого межмолекулярное взаимодействие крайне слабое, составляет всего 4.2 К (–268.9 °C). Температура кипения воды — 373.15 К (100 °C) из-за водородных связей. Температура плавления алмаза, где атомы связаны прочнейшими ковалентными связями, превышает 3500 °C.

Механическая прочность и твердость

Эти свойства твердых тел характеризуют их способность сопротивляться деформации и разрушению. Прочность и твердость напрямую зависят от того, насколько велики силы, удерживающие частицы в кристаллической решетке. Вещества с сильными связями (ионными, ковалентными, металлическими) обычно являются прочными и твердыми.

Пример: Кварц ($SiO_2$) — очень твердый минерал благодаря сильным ковалентным связям между атомами кремния и кислорода. В то же время графит, в котором слои атомов углерода связаны между собой слабыми силами, значительно мягче и используется в карандашах.

Поверхностное натяжение

Это свойство жидкостей, которое заставляет их поверхность вести себя как упругая пленка и стремиться к минимальной площади. Оно возникает из-за того, что молекулы на поверхности жидкости испытывают нескомпенсированное притяжение со стороны молекул из объема жидкости. Величина поверхностного натяжения прямо пропорциональна силе межмолекулярного сцепления.

Пример: Ртуть, обладающая сильными металлическими связями, имеет одно из самых высоких значений поверхностного натяжения, поэтому ее капли на поверхности имеют почти идеальную сферическую форму. Мыльный раствор имеет низкое поверхностное натяжение, что позволяет выдувать из него пузыри.

Вязкость (внутреннее трение)

Вязкость — это сопротивление жидкости или газа течению. Она обусловлена межмолекулярным взаимодействием, которое затрудняет взаимное перемещение слоев текучей среды. Чем сильнее молекулы притягиваются друг к другу, тем выше вязкость вещества.

Пример: Мёд или глицерин обладают высокой вязкостью из-за наличия разветвленной сети водородных связей между их сложными молекулами. В то же время ацетон или спирт, где межмолекулярные силы слабее, текут гораздо легче (имеют низкую вязкость).

Смачиваемость

Явление смачивания или несмачивания поверхности жидкостью определяется балансом двух видов межмолекулярных сил: когезии (сцепления молекул внутри жидкости) и адгезии (прилипания молекул жидкости к поверхности твердого тела). Если силы адгезии преобладают над силами когезии, жидкость смачивает поверхность. В противном случае наблюдается несмачивание.

Пример: Капля воды растекается по чистой стеклянной поверхности (смачивание), так как силы притяжения между молекулами воды и стекла (адгезия) сильнее, чем между самими молекулами воды (когезия). Капля ртути на той же поверхности собирается в шарик (несмачивание), так как силы когезии в ртути намного превосходят силы адгезии к стеклу.

Ответ: От силы межмолекулярного взаимодействия напрямую зависят такие ключевые физические свойства вещества, как агрегатное состояние, температуры плавления и кипения, механическая прочность и твердость, поверхностное натяжение, вязкость и смачиваемость.