В ходе предшествующего изложения было сделано допущение, согласно которому при более высокой температуре молекулы движутся быстрее и взаимодействуют энергичнее, чем при более низкой температуре. Это допущение правильно: температура системы является мерой интенсивности движения всех атомов и молекул в данной системе.
С повышением температуры возрастает интенсивность всех видов молекулярного движения. Молекулы газа вращаются быстрее, и атомы в молекуле колеблются с большей частотой один относительно другого. Атомы и молекулы в жидкостях и твердых телах совершают более интенсивные колебательные движения. Такое все более энергичное движение при высоких температурах может привести к химической реакции, в частности к разложению вещества. Так, при нагревании газообразного иода до температуры примерно 1200°С при давлении 1 атм около половины молекул диссоциируют (расщепляются) на отдельные атомы иода (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Пары иода при повышенной температуре; такой пар содержит как двухатомные молекулы (I2), так и одноатомные молекулы (I) иода.
Понять многие химические явления значительно проще, если всегда учитывать, что абсолютная температура является мерой интенсивности: движения атомов и молекул.
Упражнения
2.1. Определите, что представляют собой приводимые ниже утверждения гипотезу, теорию, закон или факт:
а) глубинные породы Луны состоят из гранита и подобных ему силикатных пород;
б) за немногими исключениями, вещества при плавлении увеличиваются в объеме;
в) ядро Земли состоит из металлической формы водорода, пока еще не полученного в лабораторных условиях;
г) водород, кислород, азот и неон при обычных условиях газы;
д) все кристаллы состоят из упорядоченно расположенных атомов и молекул;
е) простое вещество состоит из атомов.
2.2. Какое значение имели закон постоянства состава и закон простых кратных отношений для обоснования и признания атомистической теории?
2.3. Приведите пример твердого кристаллического материала и твердого некристаллического материала. Почему в настоящее время тысячи кристаллографов занимаются изучением структуры кристаллов, несмотря на то что само по себе такое изучение не имеет того значения, какое оно имело в конце XIX в ?
2.4. Кристалл хлорида натрия имеет кубическое кристаллическое строение с а = 562,8 пм. В каждой структурной единице (элементарной ячейке) имеется четыре атома натрия с координатами 0 0 0; 0 1/2 1/2; 1/2 0 1/2; 1/2 1/2 0, а также четыре атома хлора с координатами 1/2 1/2 1/2; 1/2 0 0;0 1/2 0; 0 0 1/2. Начертите схему структурной единицы (элементарной кубической ячейки) с указанием положения отдельных атомов. Сколько ближайших соседних атомов имеет каждый атом? Каковы расстояния между соседними атомами? Какой многогранник они образуют? (Такой тип расположения атомов, называемый типом хлорида натрия, обычно присущ солям.)
2.6. Минерал флюорит СаF2 имеет кубическую структурную единицу с а = 545 пм. В такой кубической ячейке четыре атома кальция с координатами 1/4 1/4 1/4; 1/4 3/4 3/4; 3/4 1/4 3/4; 3/4 3/4 1/4, а также восемь атомов фтора с координатами 0 0 0; 0 1/2 1/2; 1/2 0 1/2; 1/2 1/2 0; 1/2 0 0; 0 1/2 0; 0 0 1/2 и 1/2 1/2 1/2. Начертите схему, показывающую положения атомов. Сколько ближайших соседей у каждого атома кальция? У каждого атома фтора? Чему равно межатомное расстояние Са—F? (Ответ: 8, 4, 236 пм.)
2.6. Кристалл хлорида цезия CsCl представляет собой куб. Кубическая структурная единица имеет а=411 пм. Атомы занимают положение: Cs при 0 0 0 и Cl при 1/2 1/2 1/2.
а) Начертите схему, показывающую положения атомов.
б) Чему равно минимальное межатомное расстояние Cs - Cl? (Ответ: 356 пм.)
в) Сколько атомов хлора находится на этом расстоянии от каждого атома цезия?
г) Сколько атомов Cs находится на этом расстоянии от каждого атома Cl?
д) Чему равно минимальное расстояние между атомами хлора? Сколько атомов хлора находится на этом расстоянии?
2.7. Металлическое олово, содержащее небольшое количество примесей, как известно, образует гексагональные кристаллы с а = b=320 пм и с=298 пм, при этом в элементарной ячейке имеется один атом олова. Координатами этого атома можно считать: x=0, y = 0, z = 0.
а) Начертите схему, показывающую оси а и b, расположенные под углом 120° одна к другой и лежащие в плоскости z=0. Выделите ромб, служащий базой элементарной ячейки, и покажите атом олова, относящийся к этой ячейке.
б) Выделите восемь ромбов, соприкасающихся с первым ромбом. Сколько ближайших соседей в этой плоскости имеет каждый атом олова?
в) На каком расстоянии находятся соседние атомы?
г) Сколько ближайших соседей имеет атом олова в направлении оси с (в положительном и отрицательном направлениях)? На каком расстоянии? [Ответ: б) шесть; в) все на расстоянии 320 пм; г) два, каждый на расстоянии 298 пм.]
2.8. Дайте определение понятий: давление насыщенного пара кристалла и давление насыщенного пара жидкости. Предложите аргументы, доказывающие, что эти давления должны быть равны в точке плавления.
2.9. Давление насыщенного пара твердой двуокиси углерода при температуре плавления (—56,5 °С) равно 5 атм. Чем можно объяснить тот факт, что твердая двуокись углерода, используемая при упаковке мороженого, не плавится и не образует жидкой двуокиси углерода? Что надо сделать, чтобы получить двуокись углерода в виде жидкости?
2.10. Двуокись углерода (сухой лед) состоит из молекул CO2. Эти молекулы имеют линейное строение с атомом углерода в центре. Начертите три схемы, которые отражали бы ваши представления о строении молекул газообразной, жидкой и кристаллической двуокиси углерода.
2.11. К чему приведет повышение давления, если температура жидкости достигла точки кипения? Рассчитайте точку кипения жидкого иода при давлении 0,5 атм (см. рис. 2.16).