Chem do MaturyDziałyMapy myśli

Oddziaływania międzycząsteczkowe i właściwości substancji – zadania maturalne z chemii

8
zadań
17
poleceń
10
poleceń otwartych z oceną
1
lekcji interaktywnych

Oddziaływania międzycząsteczkowe i typy sieci krystalicznych

Właściwości makroskopowe substancji, takie jak temperatura topnienia, wrzenia, rozpuszczalność czy przewodnictwo elektryczne, bezpośrednio zależą od ich budowy mikroskopowej – rodzaju wiązań chemicznych wewnątrzcząsteczkowych oraz sił międzycząsteczkowych pomiędzy sąsiadującymi drobinami. ### Typy sieci krystalicznych Ciała stałe (z nielicznymi wyjątkami szkieł i polimerów) najczęściej tworzą uporządkowane sieci krystaliczne, które dzielimy na cztery główne typy: 1. **Sieć jonowa** – w jej węzłach znajdują się naprzemiennie kationy i aniony oddziałujące siłami elektrostatycznymi (wiązaniem jonowym). Przykłady to sole i tlenki metali, np. NaCl, CaO. Mają wysokie temperatury topnienia, są kruche. W stanie stałym są izolatorami, jednak roztwory wodne i stopy dobrze przewodzą prąd elektryczny (ruchliwe jony). 2. **Sieć kowalencyjna (atomowa)** – w węzłach spoczywają atomy, powiązane niezwykle trwałymi wiązaniami kowalencyjnymi spójnymi w całym krysztale. Klasyczne przykłady: diament, grafit, kwarc (SiO₂). Cechują się ekstremalnie wysokimi temperaturami topnienia i brakiem rozpuszczalności w wodzie. Diament to doskonały izolator, zaś grafit, dzięki elektronom zdelokalizowanym, świetnie przewodzi prąd. 3. **Sieć metaliczna** – węzły zajmują kationy metali, pomiędzy którymi swobodnie porusza się tzw. "gaz elektronowy" (zdelokalizowane elektrony walencyjne). Ten model budowy (np. Cu, Fe) tłumaczy perfekcyjne przewodnictwo cieplne i elektryczne, a także plastyczność i kowalność metali. 4. **Sieć molekularna** – węzły zajmują obojętne cząsteczki (lub atomy helowców). Są one powiązane słabymi, delikatnymi oddziaływaniami, przez co substancje te (np. jod I₂, suchy lód CO₂, lód H₂O) topią się w bardzo niskich temperaturach i są miękkie. ### Oddziaływania międzycząsteczkowe (w sieci molekularnej i cieczach) Spójność wielu związków zachowana jest dzięki tzw. siłom spójności: * **Wiązania wodorowe** – znacznie silniejsze niż klasyczne siły van der Waalsa. Tworzą się pomiędzy atomem wodoru związanym z elektroujemnym F, O, lub N, a wolną parą elektronową drugiego atomu F, O, N z innej cząsteczki (lub z wnętrza długiego makromolekuły). Drastycznie zwiększają temperaturę wrzenia i ułatwiają rozpuszczalność w wodzie. * **Siły van der Waalsa** – słabe oddziaływania elektrostatyczne. W ich skład wchodzą m.in. oddziaływania dipol-dipol (cząsteczki polarne) i siły dyspersyjne (Londona) obecne powszechnie. Siły te rosną wraz ze wzrostem wielkości atomu i jego masy molowej (polaryzowalność powłoki). ### Przykład z rozwiązaniem **Zadanie:** Porównaj temperatury wrzenia metanu (CH₄) oraz wody (H₂O) mających zbliżone masy molowe (odpowiednio ok. 16 g/mol i 18 g/mol). **Rozwiązanie:** Woda wrze w znacznie wyższej temperaturze (100°C) niż metan (-161°C). Mimo podobnej masy cząsteczkowej, różnica ta wynika z silnych wiązań wodorowych wiążących polarną wodę, które nie tworzą się pomiędzy niepolarnymi cząsteczkami metanu powiązanymi jedynie słabymi siłami dyspersyjnymi.

Zapamiętaj

  • Wiązanie wodorowe powstaje jedynie, gdy wodór połączony jest bezpośrednio z F, O lub N.
  • Sieć jonowa przewodzi prąd tylko jako roztwór lub stop (ruch jony, nie elektrony).
  • Temperatury wrzenia i topnienia substancji kowalencyjnych i metalicznych są bardzo wysokie; molekularnych – bardzo niskie.
  • Siły dyspersyjne Londona występują między wszystkimi cząsteczkami, a ich moc rośnie z rozmiarami powłok elektronowych i wielkością masy molowej związku.

Typowe błędy

  • Błędne twierdzenie, że podczas topnienia lub wrzenia cząsteczek (np. wody lub jodu) rozrywane są wewnętrzne wiązania kowalencyjne. Przy przemianach fazowych zrywamy JEDYNIE wiązania międzycząsteczkowe.
  • Tłumaczenie przewodnictwa stopionego NaCl wolnymi elektronami, podczas gdy za prąd odpowiadają swobodne jony.
  • Rozpatrywanie cząsteczki z silnie elektroujemnym atomem (np. CH₃F) jako zdolnej do tworzenia wodorowych 'mostków' wewnątrz własnej substancji (brak wodoru podłączonego pod Fluor).

Wymagania podstawy programowej

  • II.3.1 Opisuje wiązanie wodorowe i siły van der Waalsa; wyjaśnia ich wpływ na temperatury wrzenia i rozpuszczalność.
  • II.3.2 Wiąże typ sieci krystalicznej (jonowa, kowalencyjna, molekularna, metaliczna) z właściwościami fizycznymi substancji.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Poniżej przedstawiono temperatury wrzenia wodorków p-kowców grupy 16. układu okresowego. | Wodorek | Temperatura wrzenia [°C] | |---|---| | H₂O | 100 | | H₂S | -60 | | H₂Se | -41 | | H₂Te | -2 |

  1. 1.1 Wyjaśnij, dlaczego woda ma nienaturalnie wysoką temperaturę wrzenia w porównaniu do pozostałych wodorków grupy 16. (1 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Wysoka temperatura wrzenia wody wynika z faktu, że pomiędzy jej cząsteczkami tworzą się silne wiązania wodorowe. Ich rozerwanie podczas przejścia w stan gazowy wymaga dostarczenia znacznej ilości energii. W przypadku pozostałych wodorków grupy 16. takie wiązania nie powstają.

    Cząsteczki wody tworzą silne wiązania wodorowe ze względu na obecność silnie elektroujemnego atomu tlenu połączonego z atomem wodoru.

  2. 1.2 Wyjaśnij, z czego wynika systematyczny wzrost temperatur wrzenia w szeregu: H₂S, H₂Se, H₂Te. (1 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Wraz ze wzrostem wielkości atomów (od S do Te) i masy molowej tych wodorków, rośnie objętość ich chmur elektronowych. Prowadzi to do wzrostu polaryzowalności, a tym samym do wzmocnienia sił dyspersyjnych (van der Waalsa) między cząsteczkami, których zerwanie wymaga wyższej temperatury.

    Wzrost masy molowej i liczby elektronów zwiększa polaryzowalność chmury elektronowej, co wzmacnia siły dyspersyjne (van der Waalsa).

  3. 1.3 Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących sił van der Waalsa. (1 pkt)

    • 1. Udział sił dyspersyjnych (London) w oddziaływaniach międzycząsteczkowych rośnie od H₂S do H₂Te. (P/F)
    • 2. W ciekłym siarkowodórze (H₂S) jedynymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi są siły dyspersyjne Londona. (P/F)
    • 3. Siły van der Waalsa polegają na oddziaływaniu kationów z chmurą elektronową wewnątrz sieci krystalicznej. (P/F)
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: 1 – P, 2 – F, 3 – F

    Siły dyspersyjne rosną wraz ze wzrostem wielkości i masy cząsteczek. H₂Te ma najsilniejsze oddziaływania z wymienionych gazów (nie licząc wody).

Zadanie 2

W tabeli zestawiono właściwości fizyczne trzech wybranych substancji oznaczonych literami X, Y i Z. | Substancja | Temperatura topnienia [°C] | Przewodnictwo elektryczne w stanie stałym | Przewodnictwo elektryczne po stopieniu (ciecz) | |---|---|---|---| | X | 801 | nie | tak | | Y | 3550 | nie | nie | | Z | 1085 | tak | tak |

  1. 2.1 Przyporządkuj substancjom X, Y, Z odpowiedni typ sieci krystalicznej wybrane spośród: sieć molekularna, sieć kowalencyjna, sieć metaliczna, sieć jonowa. (1 pkt)

    • 1. Substancja X
    • 2. Substancja Y
    • 3. Substancja Z
    • 1. sieć molekularna
    • 2. sieć kowalencyjna
    • 3. sieć metaliczna
    • 4. sieć jonowa
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Substancja X → sieć jonowa; Substancja Y → sieć kowalencyjna; Substancja Z → sieć metaliczna

    X (topi się wysoko, ciecz przewodzi) to sieć jonowa; Y (bardzo wysoka T.top, nie przewodzi) to sieć kowalencyjna (np. diament); Z (przewodzi w obu stanach) to sieć metaliczna.

  2. 2.2 Uzasadnij, dlaczego substancja X nie przewodzi prądu elektrycznego w stanie stałym, ale przewodzi go po stopieniu. (1 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Substancja X tworzy sieć jonową. W stanie stałym jony znajdują się w węzłach sieci krystalicznej i nie mogą się swobodnie przemieszczać, przez co substancja jest izolatorem. Proces topnienia niszczy sieć krystaliczną, uwalniając jony, które w cieczy stają się ruchliwymi nośnikami ładunku elektrycznego.

    W sieci jonowej (stan stały) jony mają ściśle określone położenia (brak swobody ruchu). Stopienie niszczy sieć, uwalniając jony, co umożliwia przewodnictwo prądu.

Ćwicz ten dział z oceną – PremiumZałóż darmowe konto

Inne tematy z tego działu