Cho các chất: H2O; H2S; CH4 với các trị số nhiệt độ sôi như sau: – 161,580C; – 6…
Đề bài yêu cầu chúng ta ghép các chất: H₂O, H₂S, CH₄ với các trị số nhiệt độ sôi tương ứng: -161,58°C, -60,75°C, 100°C.
Để giải bài tập này, chúng ta cần nhớ lại kiến thức về liên kết hóa học và lực tương tác giữa các phân tử. Nhiệt độ sôi là nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất khí quyển, và chất lỏng chuyển sang thể khí. Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào hai yếu tố chính là:
1. Lực liên kết bên trong phân tử: Liên kết cộng hóa trị, liên kết ion,…
2. Lực tương tác giữa các phân tử: Lực Van der Waals (lực hút tĩnh điện, lực lưỡng cực-lưỡng cực, lực khuếch tán London), liên kết Hidro.
Trong trường hợp này, cả ba chất H₂O, H₂S, và CH₄ đều là các phân tử cộng hóa trị không phân cực hoặc phân cực yếu, và chúng đều tồn tại ở dạng phân tử ở điều kiện thường. Do đó, yếu tố quyết định sự khác biệt về nhiệt độ sôi chủ yếu là lực tương tác giữa các phân tử.
Chúng ta sẽ phân tích từng chất một:
Bước 1: Phân tích phân tử CH₄ (Metan)
* Cấu tạo: Phân tử CH₄ có nguyên tử cacbon ở trung tâm liên kết với 4 nguyên tử hidro bằng các liên kết cộng hóa trị. Cấu trúc hình tứ diện đều, do đó CH₄ là một phân tử không phân cực.
* Lực tương tác giữa các phân tử: Do là phân tử không phân cực, lực tương tác chủ yếu giữa các phân tử CH₄ là lực khuếch tán London. Lực này tương đối yếu.
* Khối lượng phân tử:
Khối lượng mol của C là 12 g/mol, H là 1 g/mol.
Khối lượng mol của CH₄ là: 12 + 4 * 1 = 16 g/mol.
* Dự đoán nhiệt độ sôi: Với lực tương tác yếu và khối lượng phân tử tương đối nhỏ, CH₄ sẽ có nhiệt độ sôi thấp nhất trong ba chất.
Bước 2: Phân tích phân tử H₂S (Hidro sunfua)
* Cấu tạo: Phân tử H₂S có nguyên tử lưu huỳnh ở trung tâm liên kết với 2 nguyên tử hidro bằng các liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử S có hai cặp electron không liên kết. Do đó, H₂S có cấu trúc góc và là một phân tử có cực.
* Lực tương tác giữa các phân tử: Giữa các phân tử H₂S tồn tại lực lưỡng cực-lưỡng cực và lực khuếch tán London. Lực lưỡng cực-lưỡng cực mạnh hơn lực khuếch tán London nhưng yếu hơn liên kết Hidro.
* Khối lượng phân tử:
Khối lượng mol của S là 32 g/mol, H là 1 g/mol.
Khối lượng mol của H₂S là: 2 * 1 + 32 = 34 g/mol.
* Dự đoán nhiệt độ sôi: Nhiệt độ sôi của H₂S sẽ cao hơn CH₄ do có lực tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và khối lượng phân tử lớn hơn.
Bước 3: Phân tích phân tử H₂O (Nước)
* Cấu tạo: Phân tử H₂O có nguyên tử oxi ở trung tâm liên kết với 2 nguyên tử hidro bằng các liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử oxi có hai cặp electron không liên kết. Do đó, H₂O có cấu trúc góc và là một phân tử có cực rất mạnh.
* Lực tương tác giữa các phân tử: Đặc điểm nổi bật của H₂O là khả năng tạo liên kết Hidro giữa các phân tử. Liên kết Hidro là một loại lực tương tác liên phân tử rất mạnh, mạnh hơn nhiều so với lực Van der Waals thông thường.
* Khối lượng phân tử:
Khối lượng mol của O là 16 g/mol, H là 1 g/mol.
Khối lượng mol của H₂O là: 2 * 1 + 16 = 18 g/mol.
* Dự đoán nhiệt độ sôi: Mặc dù khối lượng phân tử của H₂O nhỏ hơn H₂S, nhưng sự có mặt của liên kết Hidro mạnh mẽ sẽ làm cho nhiệt độ sôi của H₂O cao hơn đáng kể so với H₂S.
Bước 4: Ghép các chất với trị số nhiệt độ sôi
Dựa vào phân tích ở các bước trên, chúng ta có thể sắp xếp nhiệt độ sôi từ thấp đến cao như sau:
CH₄ < H₂S < H₂O
Bây giờ, chúng ta xem xét các trị số nhiệt độ sôi đã cho: -161,58°C, -60,75°C, 100°C.
* Trị số nhiệt độ sôi thấp nhất là -161,58°C. Chất có nhiệt độ sôi thấp nhất là CH₄.
* Trị số nhiệt độ sôi ở giữa là -60,75°C. Chất có nhiệt độ sôi ở giữa là H₂S.
* Trị số nhiệt độ sôi cao nhất là 100°C. Chất có nhiệt độ sôi cao nhất là H₂O.
Kết luận:
Vậy, chúng ta ghép các chất với trị số nhiệt độ sôi đúng như sau:
* CH₄ có nhiệt độ sôi là -161,58°C.
* H₂S có nhiệt độ sôi là -60,75°C.
* H₂O có nhiệt độ sôi là 100°C.
Qua bài tập này, các em cần ghi nhớ rằng:
* Phân tử càng lớn, lực khuếch tán London càng mạnh, nhiệt độ sôi càng cao.
* Phân tử có cực thì lực tương tác lưỡng cực-lưỡng cực mạnh hơn lực khuếch tán London, nhiệt độ sôi cao hơn phân tử không phân cực cùng khối lượng phân tử.
* Sự có mặt của liên kết Hidro làm tăng đáng kể nhiệt độ sôi của chất.
Các em về nhà xem lại kiến thức này và làm thêm các bài tập tương tự nhé!
Đáp án + Giải thích các bước giải:
\(-\) Để ghép các chất với trị số nhiệt độ sôi đúng, ta cần xem xét nhiệt độ sôi của từng chất:
\(+)\) \(H2O\) (Nước): Nhiệt độ sôi: \(100 °C\)
Vì: Nước sôi ở áp suất 1 atm do sự tương tác giữa các phân tử nước và áp suất của môi trường ở \(100 ° C\) dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn do tính chất vật lý của nước và sự cân bằng giữa áp suất hơi và áp suất bên ngoài
\(+)\) \(H2S\) (Hydro sulfua=thủy ngân): Nhiệt độ sôi: \(-60,75 °C\)
Vì: Thủy ngân là kim loại lỏng ở nhiệt độ thường, nặng, màu trắng bạc. Thủy ngân rắn dễ uốn và có thể cắt bằng dao. Thủy ngân có khối lượng riêng \(13,69\) \(g/cm^3\), nhiệt độ đóng băng là \(−38,83 °C\), điểm sôi là \(-60,75 ° C\).
\(+)\) \(CH4\) (Methane): Nhiệt độ sôi: \(-161,58 °C\)
Vì: Ở áp suất tiêu chuẩn (1 atm), methane sôi ở \(-161,58°C\). Nếu áp suất tăng, nhiệt độ sôi cũng sẽ tăng. Nhiệt độ sôi của methane là \(-161,58°C\) do cấu trúc phân tử nhỏ bé, lực tương tác yếu giữa các phân tử và năng lượng cần thiết để tách rời chúng là thấp.Nhiệt độ sôi của một chất cũng phụ thuộc vào áp suất môi trường.
\(⇒\) Chúng ta sẽ ghép các chất với trị số nhiệt độ sôi đúng:
\(H2O: 100 °C\)
\(H2S: -60,75 °C\)
\(CH4: -161,58 °C\)
Vậy: \(H2O ↔ 100 °C\)
\(H2S ↔ -60,75 °C\)
\(CH4 ↔ -161,58 °C\)
\(\color{#00EDFF}{p} \color{#1AD5F7}{h} \color{#1AD5F7} {a} \color{#4DA6E6}{m} \color{#668EDD}{m} \color{#8077D5} {a} \color{#995FCD}{n} \color{#CC2FBC}{h} \color{#E618B3}{h} \color{#FF00AB}{u} \color{#EB5099}{n} \color{#EA4094}{g} \)