Условие задачи

Чтобы перевести вещество из жидкого состояния в газообразное, нужно разорвать все связи между молекулами, а для этого – затратить энергию в виде теплоты. Используя этот факт, объясните, почему у воды очень высокая теплота испарения.

Решение

Дисциплина: Физическая химия (термодинамика).

Решение:

При переходе вещества из жидкого состояния в газообразное необходимо преодолеть межмолекулярные связи, которые скрепляют молекулы в жидкой фазе. Это означает, что для испарения требуется затратить энергию именно на разрыв этих связей. В случае воды основную роль играют водородные связи, являющиеся сравнительно сильными и образующимися между сильно полярными молекулами воды. Каждая молекула H₂O благодаря наличию двух атомов водорода и двух неподелённых пар электронов способна образовывать до четырёх водородных связей с соседними молекулами, что приводит к формированию трёхмерной сети связанных частиц.

Чтобы молекула воды могла перейти в газообразное состояние, ей необходимо получить энергию, достаточную для разрыва значительного числа водородных связей, образующих устойчивую кооперативную сеть жидкой фазы. Поэтому тепловая энергия, которая поступает при испарении, должна не только увеличивать кинетическую энергию молекул, но и «разрываться» эту сеть водородных связей. Именно этот дополнительный энергетический вклад и объясняет, почему для воды характерна очень высокая теплота испарения.

Таким образом, высокая теплота испарения воды объясняется:

1. Наличием сильных водородных связей между молекулами воды.
2. Способностью каждой молекулы образовывать до четырёх водородных связей, что формирует плотную межмолекулярную сеть.
3. Необходимостью затрачивать значительное количество энергии не только на увеличение кинетической энергии молекул, но также на разрушение этой взаимосвязанной сети при переходе в газообразное состояние.

Результат: именно из-за прочных водородных связей для разрыва связей между молекулами воды требуется затратить большое количество энергии, что и приводит к очень высокой величине теплоты испарения воды.