Условие задачи
Сравните физические свойства метана и пентана.
Решение
Ниже представлено подробное решение, выполненное по правилам физической химии, с использованием Unicode-символов для формул.
1. Определим химические формулы:
• Метан: CH₄
• Пентан: C₅H₁₂
2. Масса молекул и строение:
• Для метана: молекулярная масса ≈ 16 г/моль. Структура – тетраэдрическая, симметричная, все атомы водорода равнозначны.
• Для пентана: молекулярная масса ≈ 72 г/моль. Пентан имеет линейную (н- пентан) или разветвлённую (изопентан, неопентан) структуру. В задаче принято рассматривать н-пентан, где линейная цепь увеличивает площадь контакта между молекулами.
3. Межмолекулярные силы:
• В обеих молекулах доминируют силы Лондоновской дисперсии (временные диполи) как единственные межмолекулярные силы, поскольку отсутствуют полярные связи, а молекулы являются неполярными.
• В силу большего числа атомов и большей площади поверхности межмолекулярные силы у пентана значительно сильнее, чем у метана. Это приводит к повышению температуры кипения и плавления у пентана.
4. Физическое состояние при нормальных условиях (25 °C, 1 атм):
• Метан – газ, что объясняется его низкой молекулярной массой и слабостью межмолекулярных сил.
• Пентан – жидкость, поскольку более сильное притяжение между молекулами (более выраженные дисперсионные силы) обеспечивает переход вещества в жидкое состояние при данных условиях.
5. Температуры кипения и плавления:
• Метан:
— Температура кипения ≈ –161 °C
— Температура плавления ≈ –182 °C
• Пентан (н-пентан):
— Температура кипения ≈ +36 °C
— Температура плавления ≈ –130 °C
Разница температур кипения иллюстрирует эффект увеличения дисперсионных сил с ростом молекулярного веса.
6. Плотность:
• Газы характеризуются низкой плотностью, поэтому для метана при нормальных условиях плотность примерно 0,656 кг/м³.
• Жидкого пентана характерна высокая плотность (около 0,626 г/см³), что опять же связано с более тесной упаковкой молекул за счёт сильных дисперсионных сил.
7. Растворимость в воде:
• Оба вещества являются неполярными и слаборастворимыми в воде. Однако, благодаря меньшему объёму и меньшей молекулярной массе, метан частично может растворяться в воде, но в очень малых количествах. Пентан также плохо растворим, что типично для неполярных углеводородов.
8. Итоговое сравнение:
• Метан – легкий газ с крайне низкими температурами кипения и плавления, обусловленный малой молекулярной массой и слабой силой межмолекулярного притяжения.
• Пентан – жидкость при нормальных условиях с значительно более высокими температурами кипения и плавления, что связано с большей молекулярной массой и увеличенными Лондоновскими дисперсионными силами.
Таким образом, при сравнении физических свойств метана и пентана видно, что рост молекулярной массы и линейное строение приводят к усилению межмолекулярных сил, что определяет переход вещества из газообразного состояния (метан) в жидкое (пентан) при ту же температуру и давление.