37: Vätskor och fasta ämnen (övningar) (2023)

Senast uppdaterad
Spara som PDF

Sid-ID: 362306

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}}}\) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!- \!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{ span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart }{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\ norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm {span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\ mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{ \ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{ \unicode[.8,0]{x212B}}\)

10.1: Intermolekylära krafter

F10.1.1

När det gäller deras bulkegenskaper, hur skiljer sig vätskor och fasta ämnen? Hur är de lika?

S10.1.1

Vätskor och fasta ämnen liknar varandra genom att de är materia som består av atomer, joner eller molekyler. De är inkompressibla och har liknande densiteter som båda är mycket större än gasernas. De är olika genom att vätskor inte har någon fast form och fasta ämnen är stela.

F10.1.2

När det gäller den kinetiska molekylära teorin, på vilka sätt liknar vätskor fasta ämnen? På vilka sätt skiljer sig vätskor från fasta ämnen?

F10.1.3

När det gäller den kinetiska molekylära teorin, på vilka sätt liknar vätskor gaser? På vilka sätt skiljer sig vätskor från gaser?

S10.1.3

De liknar varandra genom att atomerna eller molekylerna är fria att röra sig från en position till en annan. De skiljer sig åt genom att partiklarna i en vätska är begränsade till formen på kärlet där de är placerade. Däremot kommer en gas att expandera obegränsat för att fylla utrymmet där den placeras.

F10.1.4

Förklara varför vätskor antar formen av en behållare som de hälls i, medan fasta ämnen är stela och behåller sin form.

F10.1.5

Vilka är bevisen för att alla neutrala atomer och molekyler utövar attraktionskrafter på varandra?

S10.1.5

Alla atomer och molekyler kommer att kondensera till en vätska eller fast substans där attraktionskrafterna överstiger molekylernas kinetiska energi, vid tillräckligt låg temperatur.

F10.1.6

ÖppnaPhET tillstånd av materia simuleringatt svara på följande frågor:

Välj fliken Fast, Liquid, Gas. Utforska genom att välja olika ämnen, värma och kyla systemen och ändra tillståndet. Vilka likheter märker du mellan de fyra ämnena för varje fas (fast, flytande, gas)? Vilka skillnader märker du?
För varje ämne, välj vart och ett av tillstånden och registrera de givna temperaturerna. Hur korrelerar de givna temperaturerna för varje tillstånd med styrkorna hos deras intermolekylära attraktioner? Förklara.
Välj fliken Interaktionspotential och använd standardneonatomerna. Flytta Ne-atomen till höger och observera hur den potentiella energin förändras. Välj knappen Total Force och flytta Ne-atomen som tidigare. När är den totala kraften på varje atom attraktiv och tillräckligt stor för att spela roll? Välj sedan knappen Component Forces och flytta Ne-atomen. När balanserar de attraktiva (van der Waals) och frånstötande (elektronöverlappande) krafterna? Hur hänger detta ihop med grafen för potentiell energi kontra avståndet mellan atomer? Förklara.

F10.1.7

Definiera följande och ge ett exempel på var och en:

spridningskraft
dipol-dipol attraktion
vätebindning

S10.1.7

Dispersionskrafter uppstår när en atom utvecklar ett tillfälligt dipolmoment när dess elektroner är asymmetriskt fördelade runt kärnan. Denna struktur är mer utbredd i stora atomer som argon eller radon. En andra atom kan då förvrängas av utseendet av dipolen i den första atomen. Elektronerna i den andra atomen attraheras mot den positiva änden av den första atomen, vilket skapar en dipol i den andra atomen. Nettoresultatet är snabbt fluktuerande, tillfälliga dipoler som attraherar varandra (exempel: Ar).
En dipol-dipol-attraktion är en kraft som är resultatet av en elektrostatisk attraktion av den positiva änden av en polär molekyl för den negativa änden av en annan polär molekyl (exempel: ICI-molekyler attraherar varandra genom dipol-dipol-interaktion).
Vätebindningar bildas när en väteatom är bunden till en av de mer elektronegativa atomerna, såsom en fluor-, syre-, kväve- eller kloratom. Den elektrostatiska attraktionen mellan den delvis positiva väteatomen i en molekyl och den delvis negativa atomen i en annan molekyl ger upphov till en stark dipol-dipol-interaktion som kallas en vätebindning (exempel: \(\mathrm{HF⋯HF}\)).

F10.1.8

Typerna av intermolekylära krafter i ett ämne är identiska oavsett om det är ett fast ämne, en vätska eller en gas. Varför ändrar då ett ämne fas från gas till vätska eller till fast ämne?

F10.1.9

Varför ökar ädelgasernas kokpunkter i ordningen He < Ne < Ar < Kr < Xe?

S10.1.9

Londonkrafterna ökar vanligtvis när antalet elektroner ökar.

Q10.1.10

Neon och HF har ungefär samma molekylära massor.

Förklara varför kokpunkterna för Neon och HF skiljer sig åt.
Jämför förändringen av kokpunkterna för Ne, Ar, Kr och Xe med förändringen av kokpunkterna för HF, HCl, HBr och HI, och förklara skillnaden mellan förändringarna med ökande atom- eller molekylmassa.

Q10.1.11

Ordna var och en av följande uppsättningar av föreningar i ordning efter ökande kokpunktstemperatur:

HCl, H₂Åh, SiH₄
F₂Cl₂, Br₂
CH₄, C₂H₆, C₃H₈
O₂, EJ₂

S10.1.11

(a) SiH₄< HCl < H₂O; (b) F₂< Cl₂< Br₂; (c) CH₄< C₂H₆< C₃H₈; (d) N₂< O₂< NEJ

Q10.1.12

Molekylmassan för butanol, C₄H₉OH, är 74,14; den för etylenglykol, CH₂(OH)CH₂OH, är 62,08, men deras kokpunkter är 117,2 °C respektive 174 °C. Förklara orsaken till skillnaden.

Q10.1.13

På basis av intermolekylära attraktioner, förklara skillnaderna i kokpunkterna förn–butan (−1 °C) och kloretan (12 °C), som har liknande molära massor.

S10.1.13

Endast ganska små dipol-dipol-interaktioner från CH-bindningar är tillgängliga att hållan-butan i flytande tillstånd. Kloroetan har emellertid ganska stora dipolinteraktioner på grund av Cl-C-bindningen; interaktionen är därför starkare, vilket leder till en högre kokpunkt.

Q10.1.14

På basis av dipolmoment och/eller vätebindning, förklara på ett kvalitativt sätt skillnaderna i kokpunkterna för aceton (56,2 °C) och 1-propanol (97,4 °C), som har liknande molära massor.

Q10.1.15

Smältpunkten för H₂O(s) är 0°C. Skulle du förvänta dig smältpunkten för H₂S(s) vara −85 °C, 0 °C eller 185 °C? Förklara ditt svar.

S10.1.15

-85 °C. Vatten har starkare vätebindningar så det smälter vid högre temperatur.

Q10.1.16

Silaner (SiH₄), fosfin (PH₃), och vätesulfid (H₂S) smälter vid -185 °C, -133 °C respektive -85 °C. Vad antyder detta om de tre föreningarnas polära karaktär och intermolekylära attraktioner?

Q10.1.17

Förklara varför en vätebindning mellan två vattenmolekyler är svagare än en vätebindning mellan två vätefluoridmolekyler.

S10.1.17

Vätebindningen mellan två vätefluoridmolekyler är starkare än den mellan två vattenmolekyler eftersom elektronegativiteten för F är större än den för O. Följaktligen är den partiella negativa laddningen på F större än den på O. Vätebindningen mellan den partiellt positiva H och det större delvis negativa F kommer att vara starkare än det som bildas mellan H och O.

Q10.1.18

Under vissa förhållanden kan molekyler av ättiksyra, CH₃COOH, bildar "dimerer", par av ättiksyramolekyler som hålls samman av starka intermolekylära attraktioner:

Rita en dimer av ättiksyra, som visar hur två CH₃COOH-molekyler hålls samman och anger vilken typ av IMF som är ansvarig.

Q10.1.19

Proteiner är kedjor av aminosyror som kan bildas i en mängd olika arrangemang, varav en är en helix. Vilken typ av IMF är ansvarig för att hålla proteinsträngen i denna form? På proteinbilden, visa platserna för IMF som håller ihop proteinet:

S10.1.19

H-bindning är den princip som IMF håller ihop DNA-strängarna. H-bindningen är mellan \(\mathrm{N−H}\) och \(\mathrm{C=O}\).

Q10.1.20

Densiteten av flytande NH₃är 0,64 g/ml; densiteten av gasformigt NH₃vid STP är 0,0007 g/ml. Förklara skillnaden mellan tätheterna för dessa två faser.

Q10.1.21

Identifiera de intermolekylära krafterna som finns i följande fasta ämnen:

CH₃CH₂ÅH
CH₃CH₂CH₃
CH₃CH₂Cl

S10.1.21

(a) vätebindnings- och dispersionskrafter; (b) spridningskrafter; (c) dipol-dipol attraktions- och spridningskrafter

10.2: Vätskors egenskaper

F10.2.1

Provrören som visas här innehåller lika mängder av de specificerade motoroljorna. Identiska metallsfärer släpptes samtidigt i vart och ett av rören, och en kort stund senare hade sfärerna fallit till de höjder som anges i illustrationen. Rangordna motoroljorna efter ökande viskositet och förklara ditt resonemang:

F10.2.2

Även om stål är tätare än vatten, kan en stålnål eller gem placerad försiktigt på längden på ytan av stilla vatten fås att flyta. Förklara på molekylär nivå hur detta är möjligt:

(kredit: Cory Zanker)

S10.2.2

Vattenmolekylerna har starka intermolekylära krafter av vätebindning. Vattenmolekylerna attraheras därmed starkt till varandra och uppvisar en relativt stor ytspänning och bildar en typ av "hud" på dess yta. Denna hud kan stödja en bugg eller gem om den försiktigt placeras på vattnet.

F10.2.3

Ytspännings- och viskositetsvärdena för dietyleter, aceton, etanol och etylenglykol visas här.

Förklara deras skillnader i viskositet i termer av storleken och formen på deras molekyler och deras IMF.
Förklara deras skillnader i ytspänning i termer av storleken och formen på deras molekyler och deras IMF:er:

F10.2.4

Du kanske har hört någon använda uttrycket "långsammare än melass på vintern" för att beskriva en process som sker långsamt. Förklara varför detta är ett passande formspråk, med hjälp av begreppen molekylstorlek och form, molekylära interaktioner och effekten av att ändra temperatur.

S10.2.4

Temperaturen har en effekt på intermolekylära krafter: ju högre temperatur, desto större kinetiska energier hos molekylerna och desto större utsträckning övervinns deras intermolekylära krafter, och desto mer flytande (mindre viskös) vätskan; ju lägre temperatur, desto mindre övervinns de intermolekylära krafterna, och desto mindre trögflytande är vätskan.

F10.2.5

Det rekommenderas ofta att du låter din bilmotor gå på tomgång för att värma upp innan du kör, särskilt under kalla vinterdagar. Även om fördelen med långvarig tomgångskörning är tveksam, är det verkligen sant att en varm motor är mer bränslesnål än en kall. Förklara orsaken till detta.

F10.2.6

Ytspänningen och viskositeten för vatten vid flera olika temperaturer anges i denna tabell.

Vatten	Ytspänning (mN/m)	Viskositet (mPa s)
0°C	75,6	1,79
20°C	72,8	1.00
60°C	66,2	0,47
100°C	58,9	0,28

När temperaturen ökar, vad händer med vattnets ytspänning? Förklara varför detta inträffar, i termer av molekylära interaktioner och effekten av att temperaturen ändras.
När temperaturen ökar, vad händer med vattnets viskositet? Förklara varför detta inträffar, i termer av molekylära interaktioner och effekten av att temperaturen ändras.

S10.2.6

(a) När vattnet når högre temperaturer är de ökade kinetiska energierna hos dess molekyler mer effektiva för att övervinna vätebindning, och så minskar dess ytspänning. Ytspänning och intermolekylära krafter är direkt relaterade. (b) Samma trend i viskositet ses som i ytspänning, och av samma anledning.

F10.2.7

Vid 25 °C, hur högt kommer vattnet att stiga i ett glaskapillärrör med en innerdiameter på 0,63 mm? Hänvisa tillExempelför den information som krävs.

F10.2.8

Vatten stiger i ett glaskapillärrör till en höjd av 17 cm. Vad är diametern på kapillärröret?

S10.2.8

9,5 × 10⁻⁵m

10.3: Fasövergångar

F10.3.1

Värme läggs till kokande vatten. Förklara varför temperaturen på det kokande vattnet inte ändras. Vad förändras?

F10.3.2

Värme tillsätts till is vid 0 °C. Förklara varför temperaturen på isen inte ändras. Vad förändras?

S10.3.2

Värmen absorberas av isen, vilket ger den energi som krävs för att delvis övervinna intermolekylära attraktionskrafter i det fasta ämnet och orsaka en fasövergång till flytande vatten. Lösningen förblir vid 0 °C tills all is har smält. Endast mängden vatten som finns som is förändras tills isen försvinner. Då kan temperaturen på vattnet stiga.

F10.3.3

Vilken egenskap kännetecknar den dynamiska jämvikten mellan en vätska och dess ånga i en sluten behållare?

F10.3.4

Identifiera två vanliga observationer som indikerar att vissa vätskor har tillräckligt med ångtryck för att märkbart avdunsta?

S10.3.4

Vi kan se mängden vätska i en öppen behållare minska och vi kan känna lukten av ånga från vissa vätskor.

F10.3.5

Identifiera två vanliga observationer som indikerar att vissa fasta ämnen, såsom torris och malkulor, har tillräckligt med ångtryck för att sublimera?

F10.3.6

Vad är sambandet mellan de intermolekylära krafterna i en vätska och dess ångtryck?

S10.3.7

En vätskas ångtryck minskar när styrkan hos dess intermolekylära krafter ökar.

F10.3.7

Vad är sambandet mellan de intermolekylära krafterna i ett fast ämne och dess smälttemperatur?

F10.3.8

Varför avdunstar utspilld bensin snabbare en varm dag än en kall dag?

S10.3.8

När temperaturen ökar, ökar den genomsnittliga kinetiska energin hos bensinmolekylerna och därför har en större del av molekylerna tillräcklig energi för att fly från vätskan än vid lägre temperaturer.

F10.3.9

Koltetraklorid, CCl₄, användes en gång som lösningsmedel för kemtvätt, men används inte längre eftersom det är cancerframkallande. Vid 57,8 °C, ångtrycket för CCl₄är 54,0 kPa och dess förångningsentalpi är 33,05 kJ/mol. Använd denna information för att uppskatta den normala kokpunkten för CCl₄.

Q10.3.10

När är kokpunkten för en vätska lika med dess normala kokpunkt?

S10.3.10

När gastrycket över vätskan är exakt 1 atm

Q10.3.11

Hur skiljer sig kokningen av en vätska från dess avdunstning?

Q10.3.12

Använd informationen iFiguratt uppskatta kokpunkten för vatten i Denver när atmosfärstrycket är 83,3 kPa.

S10.3.12

cirka 95 °C

Q10.3.13

En spruta med en temperatur på 20 °C fylls med flytande eter på ett sådant sätt att det inte finns plats för någon ånga. Om temperaturen hålls konstant och kolven dras tillbaka för att skapa en volym som kan upptas av ånga, vad skulle det ungefärliga trycket vara för ångan som produceras?

Q10.3.14

Förklara följande observationer:

Det tar längre tid att tillaga ett ägg i Ft. Davis, Texas (höjd, 5000 fot över havet) än det gör i Boston (vid havsytan).
Svettas är en mekanism för att kyla kroppen.

S10.3.14

(a) Vid 5000 fot är atmosfärstrycket lägre än vid havsnivån, och vattnet kommer därför att koka vid en lägre temperatur. Denna lägre temperatur kommer att göra att de fysiska och kemiska förändringarna som är involverade i tillagningen av ägget går långsammare, och det krävs längre tid för att koka ägget helt. (b) Så länge som luften som omger kroppen innehåller mindre vattenånga än det maximala luften kan hålla vid den temperaturen, kommer svett att avdunsta och därigenom kyla kroppen genom att avlägsna förångningsvärmen som krävs för att förånga vattnet.

Q10.3.15

Vattenentalpin för förångning är större än dess fusionsentalpi. Förklara varför.

Q10.3.16

Förklara varför molära entalpier för förångning av följande ämnen ökar i ordningen CH₄< C₂H₆< C₃H₈, även om alla tre ämnen upplever samma spridningskrafter när de är i flytande tillstånd.

S10.3.16

Dispersionskrafterna ökar med molekylmassa eller storlek. När antalet atomer som utgör molekylerna i denna homologa serie ökar, ökar också omfattningen av intermolekylär attraktion via dispersionskrafter och, följaktligen, den energi som krävs för att övervinna dessa krafter och förånga vätskorna.

Q10.3.17

Förklara varför förångningsentalpierna för följande ämnen ökar i ordningen CH₄< NH₃< H₂O, även om alla tre ämnen har ungefär samma molmassa.

Q10.3.18

Entalpin för förångning av CO₂(l) är 9,8 kJ/mol. Skulle du förvänta dig entalpin för förångning av CS₂(l) vara 28 kJ/mol, 9,8 kJ/mol eller −8,4 kJ/mol? Diskutera rimligheten i vart och ett av dessa svar.

S10.3.18

Kokpunkten för CS₂är högre än för CO₂delvis på grund av den högre molekylvikten hos CS₂; följaktligen är attraktionskrafterna starkare inom CS₂. Man kan därför förvänta sig att förångningsvärmen skulle vara högre än den på 9,8 kJ/mol för CO₂. Ett värde på 28 kJ/mol verkar rimligt. Ett värde på -8,4 kJ/mol skulle indikera en frigöring av energi vid förångning, vilket är klart osannolikt.

Q10.3.19

Vätefluoridmolekylen, HF, är mer polär än en vattenmolekyl, H₂O (har till exempel ett större dipolmoment), men den molära entalpin för förångning för flytande vätefluorid är mindre än för vatten. Förklara.

Q10.3.20

Etylklorid (kokpunkt, 13 °C) används som lokalbedövning. När vätskan sprayas på huden kyler den huden tillräckligt för att frysa och bedöva den. Förklara kyleffekten av flytande etylklorid.

S10.3.20

Den termiska energin (värme) som behövs för att avdunsta vätskan avlägsnas från huden.

Q10.3.21

Vilken innehåller de korrekt listade föreningarna i ordning efter ökande kokpunkter?

N₂< CS₂< H₂O < KCl
H₂O < N₂< CS₂< KCl
N₂< KCl < CS₂< H₂O
CS₂< N₂< KCl < H₂O
KCl < H₂O < CS₂< N₂

Q10.3.22

Hur mycket värme krävs för att omvandla 422 g flytande H₂O vid 23,5 °C till ånga vid 150 °C?

S10.3.22

1130 kJ

Q10.3.22

Avdunstning av svett kräver energi och tar därmed bort överskottsvärme från kroppen. En del av vattnet du dricker kan så småningom omvandlas till svett och avdunsta. Om du dricker en 20-ounce flaska vatten som hade stått i kylskåpet vid 3,8 °C, hur mycket värme behövs för att omvandla allt vatten till svett och sedan till ånga? (Obs: Din kroppstemperatur är 36,6 °C. För att lösa detta problem, anta att de termiska egenskaperna hos svett är desamma som för vatten.)

Q10.3.24

Titantetraklorid, TiCl₄, har en smältpunkt på −23,2 °C och har en ΔH_fusion= 9,37 kJ/mol.

Hur mycket energi krävs för att smälta 263,1 g TiCl₄?
För TiCl₄, som sannolikt kommer att ha den större magnituden: ΔH_fusioneller ΔH_förångning? Förklara ditt resonemang.

S10.3.24

(a) 13,0 kJ; (b) Det är troligt att förångningsvärmen kommer att ha en större magnitud eftersom i fallet med förångning de intermolekylära interaktionerna måste övervinnas helt, medan smältning försvagar eller förstör bara några av dem.

10.4: Fasdiagram

F10.4.1

Från fasdiagrammet för vatten, bestäm vattnets tillstånd vid:

35 °C och 85 kPa
−15 °C och 40 kPa
−15 °C och 0,1 kPa
75 °C och 3 kPa
40 °C och 0,1 kPa
60 °C och 50 kPa

F10.4.2

Vilka fasförändringar kommer att ske när vatten utsätts för varierande tryck vid en konstant temperatur på 0,005 °C? Vid 40°C? Vid -40 °C?

S10.4.2

Vid låga tryck och 0,005 °C är vattnet en gas. När trycket ökar till 4,6 torr blir vattnet fast; när trycket ökar ytterligare blir det en vätska. Vid 40 °C är vatten vid lågt tryck en ånga; vid tryck högre än cirka 75 torr omvandlas den till en vätska. Vid −40 °C går vattnet från en gas till ett fast ämne när trycket ökar över mycket låga värden.

F10.4.3

Tryckkokare gör att maten kan lagas snabbare eftersom det högre trycket inuti tryckkokaren ökar koktemperaturen på vattnet. En speciell tryckkokare har en säkerhetsventil som är inställd för att ventilera ut ånga om trycket överstiger 3,4 atm. Vilken är den ungefärliga maximala temperaturen som kan nås inuti denna tryckkokare? Förklara ditt resonemang.

F10.4.4

Bestäm tillståndet för CO från fasdiagrammet för koldioxid₂på:

20 °C och 1000 kPa
10 °C och 2000 kPa
10 °C och 100 kPa
−40 °C och 500 kPa
−80 °C och 1500 kPa
−80 °C och 10 kPa

Tryck- och temperaturaxlarna på detta fasdiagram av koldioxid är inte ritade i konstant skala för att illustrera flera viktiga egenskaper.

S10.4.4

(a) vätska; (b) fast; (c) gas; (d) gas; (e) gas; (f) gas

F10.4.5

Bestäm fasförändringarna som koldioxid genomgår när trycket ändras om temperaturen hålls vid -50 °C? Om temperaturen hålls vid -40 °C? Vid 20°C?

Tryck- och temperaturaxlarna på detta fasdiagram av koldioxid är inte ritade i konstant skala för att illustrera flera viktiga egenskaper.

F10.4.6

Betrakta en cylinder som innehåller en blandning av flytande koldioxid i jämvikt med gasformig koldioxid vid ett initialt tryck på 65 atm och en temperatur på 20 °C. Skissa en kurva som visar förändringen i cylindertrycket med tiden när gasformig koldioxid frigörs vid konstant temperatur.

S10.4.6

F10.4.7

Torris, CO₂(s), smälter inte vid atmosfärstryck. Den sublimeras vid en temperatur på -78 °C. Vilket är det lägsta trycket vid vilket CO₂(s) kommer att smälta för att ge CO₂(l)? Vid ungefär vilken temperatur kommer detta att inträffa? (SerFigurför fasdiagrammet.)

S10.4.7

Torris, CO₂(s), kommer att smälta för att ge CO₂(l) vid 5,11 atm vid -56,6 °C, trippelpunkten för koldioxid.

F10.4.8

Om ett kraftigt oväder leder till att elektriciteten försvinner kan det bli nödvändigt att använda en klädstreck för att torka tvätten. På många håll i landet mitt på vintern fryser kläderna snabbt när de hängs på linan. Om det inte snöar, kommer de att torka ändå? Förklara ditt svar.

S10.4.8

Ja, is kommer att sublimera, även om det kan ta det flera dagar. Is har ett litet ångtryck, och vissa ismolekyler bildar gas och flyr från iskristallerna. Allt eftersom tiden går omvandlas mer och mer fast material till gas tills kläderna till slut är torra.

F10.4.9

Är det möjligt att göra kväve flytande i rumstemperatur (ca 25 °C)? Är det möjligt att göra svaveldioxid flytande i rumstemperatur? Förklara dina svar.

Q10.4.10

Elementärt kol har en gasfas, en flytande fas och tre olika fasta faser, som visas i fasdiagrammet:

Märk gas- och vätskeområdena på fasdiagrammet.
Grafit är den mest stabila fasen av kol vid normala förhållanden. Märk grafitfasen på fasdiagrammet.
Om grafit under normala förhållanden värms till 2500 K medan trycket höjs till 10¹⁰Pa, den omvandlas till diamant. Märk diamantfasen.
Ringa in varje trippelpunkt på fasdiagrammet.
I vilken fas finns kol vid 5000 K och 10⁸Pa?
Om temperaturen på ett kolprov ökar från 3000 K till 5000 K vid ett konstant tryck på 10⁶Pa, vilken fasövergång inträffar, om någon?

10.5: Materiens fasta tillstånd

F10.5.1

Vilka typer av vätskor bildar vanligtvis amorfa fasta ämnen?

S10.5.1

Amorfa fasta ämnen saknar en ordnad inre struktur. Flytande material som innehåller stora, besvärliga molekyler som inte lätt kan förflyttas till ordnade positioner bildar i allmänhet sådana fasta ämnen.

F10.5.2

Vid mycket låga temperaturer syre, O₂25 och bildar ett kristallint fast ämne. Vilken beskriver bäst dessa kristaller?

jonisk
kovalent nätverk
metallisk
amorf
molekylära kristaller

S10.5.3

(e) molekylära kristaller

F10.5.4

När den svalnar stelnar olivolja långsamt och bildar ett fast ämne över en rad temperaturer. Vilket beskriver det fasta bäst?

jonisk
kovalent nätverk
metallisk
amorf
molekylära kristaller

S10.5.4

(d) amorf

F10.5.5

Förklara varför is, som är ett kristallint fast ämne, har en smälttemperatur på 0 °C, medan smör, som är ett amorft fast ämne, mjuknar över ett temperaturintervall.

S10.5.6

Is har en kristallin struktur stabiliserad genom vätebindning. Dessa intermolekylära krafter är av jämförbar styrka och kräver därför samma mängd energi för att övervinna. Som ett resultat smälter isen vid en enda temperatur och inte över ett temperaturintervall. De olika, mycket stora molekylerna som består av smör upplever olika van der Waals-attraktioner med olika styrkor som övervinns vid olika temperaturer, och så sker smältningsprocessen över ett brett temperaturintervall.

F10.5.7

Identifiera typen av kristallint fast ämne (metalliskt, nätverkskovalent, joniskt eller molekylärt) som bildas av vart och ett av följande ämnen:

SiO₂
KCl
Cu
CO₂
C (diamant)
glas₄
NH₃
NH₄F
C₂H₅ÅH

S10.5.7

(a) SiO₂kovalent nätverk; (b) KCl, jonisk; (c) Cu, metallisk; (d) CO, molekylär; (e) C (diamant), kovalent nätverk; (f) BaSO₄jonisk; (g) NH₃molekylär; (h) NH₄F, jonisk; (i) C₂H₅Åh, molekylär

F10.5.8

Identifiera typen av kristallint fast ämne (metalliskt, nätverkskovalent, joniskt eller molekylärt) som bildas av vart och ett av följande ämnen:

CaCl₂
Sic
N₂
Fe
C (grafit)
CH₃CH₂CH₂CH₃
HCl
NH₄NEJ₃
K₃EFTER₄

S10.5.8

(a) CaCl₂jonisk; (b) SiC, kovalent nätverk; (c) N₂molekylär; (d) Fe, metallisk; (e) C (grafit), kovalent nätverk; (f) CH₃CH₂CH₂CH₃molekylär; (g) HCl, molekylär; (h) NH₄NEJ₃jonisk; (i) K₃EFTER₄jonisk

F10.5.9

Klassificera varje ämne i tabellen som antingen ett metalliskt, joniskt, molekylärt eller kovalent nätverksfast ämne:

Ämne	Utseende	Smältpunkt	Elektrisk konduktivitet	Vattenlöslighet
X	glänsande, formbar	1500°C	hög	olöslig
Y	mjuk, gul	113°C	ingen	olöslig
Z	hård, vit	800°C	endast om smält/upplöst	löslig

S10.5.9

X = metallisk; Y = kovalent nätverk; Z = jonisk

Q10.5.10

Klassificera varje ämne i tabellen som antingen ett metalliskt, joniskt, molekylärt eller kovalent nätverksfast ämne:

Ämne	Utseende	Smältpunkt	Elektrisk konduktivitet	Vattenlöslighet
X	spröd, vit	800°C	endast om smält/upplöst	löslig
Y	glänsande, formbar	1100°C	hög	olöslig
Z	hård, färglös	3550°C	ingen	olöslig

S10.5.10

X = jonisk; Y = metallisk; Z = kovalent nätverk

Q10.5.11

Identifiera följande ämnen som joniska, metalliska, kovalenta nätverk eller molekylära fasta ämnen:

Ämne A är formbart, formbart, leder elektricitet bra och har en smältpunkt på 1135 °C. Ämne B är spröd, leder inte elektricitet som ett fast ämne men gör det när det är smält och har en smältpunkt på 2072 °C. Ämnet C är mycket hårt, leder inte elektricitet och har en smältpunkt på 3440 °C. Ämnet D är mjukt, leder inte elektricitet och har en smältpunkt på 185 °C.

S10.5.11

A = metallisk; B = jonisk; C = kovalent nätverk; D = molekylär

Q10.5.12

Ämne A är glänsande, leder elektricitet bra och smälter vid 975 °C. Ämne A är sannolikt a(n):

joniskt fast ämne
metalliskt fast material
molekylärt fast ämne
kovalent nätverk fast

S10.5.12

(b) metalliskt fast material

Q10.5.13

Ämne B är hårt, leder inte elektricitet och smälter vid 1200 °C. Ämne B är sannolikt a(n):

joniskt fast ämne
metalliskt fast material
molekylärt fast ämne
kovalent nätverk fast

S10.5.13

(d) fast kovalent nätverk

10.6: Gitterkonstruktioner

F10.6.1

Beskriv kristallstrukturen hos järn, som kristalliseras med två ekvivalenta metallatomer i en kubisk enhetscell.

S10.6.1

Strukturen hos denna lågtemperaturform av järn (under 910 °C) är kroppscentrerad kubisk. Det finns en åttondels atom i vart och ett av de åtta hörnen av kuben och en atom i mitten av kuben.

F10.6.2

Beskriv kristallstrukturen för Pt, som kristalliseras med fyra ekvivalenta metallatomer i en kubisk enhetscell.

F10.6.3

Vad är koordinationsnumret för en kromatom i kroms kroppscentrerade kubiska struktur?

S10.6.3

åtta

F10.6.4

Vad är koordinationsnumret för en aluminiumatom i den ansiktscentrerade kubiska strukturen av aluminium?

F10.6.5

Koboltmetall kristalliseras i en hexagonal närmast packad struktur. Vad är koordinationsnumret för en koboltatom?

S10.6.5

F10.6.6

Nickelmetall kristalliseras i en kubisk närmast packad struktur. Vad är koordinationsnumret för en nickelatom?

F10.6.7

Volfram kristalliseras i en kroppscentrerad kubisk enhetscell med en kantlängd på 3,165 Å.

Vad är atomradien för volfram i denna struktur?
Beräkna volframdensiteten.

S10.6.7

(a) 1 370 Å; (b) 19,26 g/cm

F10.6.8

Platina (atomradie = 1,38 Å) kristalliseras i en kubisk tätt packad struktur. Beräkna kantlängden på den ansiktscentrerade kubiska enhetscellen och densiteten av platina.

F10.6.9

Barium kristalliseras i en kroppscentrerad kubisk enhetscell med en kantlängd på 5,025 Å

Vad är atomradien för barium i denna struktur?
Beräkna bariumets densitet.

S10.6.9

(a) 2,176 Å; (b) 3,595 g/cm³

Q10.6.10

Aluminium (atomradie = 1,43 Å) kristalliseras i en kubisk tätt packad struktur. Beräkna kantlängden på den ansiktscentrerade kubiska enhetscellen och densiteten av aluminium.

Q10.6.11

Densiteten för aluminium är 2,7 g/cm³; den för kisel är 2,3 g/cm³. Förklara varför Si har lägre densitet även om det har tyngre atomer.

S10.6.11

Kristallstrukturen hos Si visar att den är mindre tätt packad (koordinationsnummer 4) i det fasta ämnet än Al (koordinationsnummer 12).

Q10.6.12

Det fria utrymmet i en metall kan hittas genom att subtrahera volymen av atomerna i en enhetscell från cellens volym. Beräkna procentandelen ledigt utrymme i vart och ett av de tre kubiska gittren om alla atomer i varje är lika stora och vidrör sina närmaste grannar. Vilken av dessa strukturer representerar den mest effektiva packningen? Det vill säga vilka paket med minst mängd oanvänt utrymme?

Q10.6.13

Kadmiumsulfid, som ibland används som ett gult pigment av konstnärer, kristalliseras med kadmium och upptar hälften av de tetraedriska hålen i en närmast packad samling av sulfidjoner. Vad är formeln för kadmiumsulfid? Förklara ditt svar.

S10.6.13

I en närmast packad array finns två tetraedriska hål för varje anjon. Om bara hälften av de tetraedriska hålen är upptagna är antalet anjoner och katjoner lika. Formeln för kadmiumsulfid är CdS.

Q10.6.14

En förening av kadmium, tenn och fosfor används vid tillverkningen av vissa halvledare. Det kristalliserar med kadmium som upptar en fjärdedel av de tetraedriska hålen och tenn som upptar en fjärdedel av de tetraedriska hålen i en närmast packad grupp av fosfidjoner. Vad är formeln för föreningen? Förklara ditt svar.

Q10.6.15

Vad är formeln för den magnetiska oxiden av kobolt, som används i inspelningsband, som kristalliserar med koboltatomer som upptar en åttondel av de tetraedriska hålen och hälften av de oktaedriska hålen i en tätt packad uppsättning oxidjoner?

S10.6.15

Co₃O₄

Q10.6.16

En förening som innehåller zink, aluminium och svavel kristalliserar med en närmast packad uppsättning sulfidjoner. Zinkjoner finns i en åttondel av de tetraedriska hålen och aluminiumjoner i hälften av de oktaedriska hålen. Vad är den empiriska formeln för föreningen?

Q10.6.17

En förening av tallium och jod kristalliseras i en enkel kubisk samling av jodidjoner med talliumjoner i alla kubiska hål. Vad är formeln för denna jodid? Förklara ditt svar.

S10.6.17

I en enkel kubisk array kan endast ett kubiskt hål upptas som en katjon för varje anjon i arrayen. Förhållandet mellan tallium och jodid måste vara 1:1; därför är formeln för tallium TlI.

Q10.6.18

Vilket av följande element reagerar med svavel och bildar ett fast ämne där svavelatomerna bildar en närmast packad grupp med alla oktaedriska hål upptagna: Li, Na, Be, Ca eller Al?

Q10.6.19

Hur stor är viktprocenten titan i rutil, ett mineral som innehåller titan och syre, om strukturen kan beskrivas som en närmast packad grupp av oxidjoner med titanjoner i hälften av de oktaedriska hålen? Vad är oxidationstalet för titan?

S10.6.19

59,95%; Oxidationstalet för titan är +4.

Q10.6.20

Förklara varför de kemiskt lika alkalimetallkloriderna NaCl och CsCl har olika struktur, medan de kemiskt olika NaCl och MnS har samma struktur.

Q10.6.21

När mineraler bildades från den smälta magman, ockuperade olika joner samma citat i kristallerna. Litium förekommer ofta tillsammans med magnesium i mineraler trots skillnaden i laddningen på deras joner. Föreslå en förklaring.

S10.6.21

Båda jonerna är nära i storlek: Mg, 0,65; Li, 0,60. Denna likhet gör att de två kan bytas ut ganska enkelt. Skillnaden i laddning kompenseras i allmänhet av bytet av Si⁴⁺för Al³⁺.

Q10.6.22

Rubidiumjodid kristalliseras med en kubisk enhetscell som innehåller jodidjoner i hörnen och en rubidiumjon i mitten. Vad är formeln för föreningen?

Q10.6.23

En av de olika manganoxiderna kristalliseras med en kubisk enhetscell som innehåller manganjoner i hörnen och i mitten. Oxidjoner är belägna i mitten av varje kant av enhetscellen. Vad är formeln för föreningen?

S10.6.23

Mn₂O₃

Q10.6.24

NaH kristalliserar med samma kristallstruktur som NaCl. Kantlängden på den kubiska enhetscellen av NaH är 4,880 Å.

Beräkna jonradien för H⁻. (Jonradien för Li⁺är 0,0,95 Å.)
Beräkna densiteten av NaH.

Q10.6.25

Tallium(I)jodid kristalliserar med samma struktur som CsCl. Kantlängden på enhetscellen för TlI är 4,20 Å. Beräkna jonradien för TI⁺. (Jonradien för I⁻is 2,16 Å.)

S10.6.25

1,48 Å

Q10.6.26

En kubisk enhetscell innehåller manganjoner i hörnen och fluoridjoner i mitten av varje kant.

Vad är den empiriska formeln för denna förening? Förklara ditt svar.
Vad är koordinationsnumret för Mn³⁺Jon?
Beräkna kantlängden på enhetscellen om radien för en Mn³⁺jon är 0,65 A.
Beräkna föreningens densitet.

Q10.6.27

Vad är avståndet mellan kristallplan som diffrakterar röntgenstrålar med en våglängd på 1,541 nm i en vinkelipå 15,55° (första ordningens reflektion)?

S10.6.27

2 874 Å

Q10.6.28

En diffraktometer som använder röntgenstrålar med en våglängd på 0,2287 nm producerade första ordningens diffraktionstopp för en kristallvinkeli= 16,21°. Bestäm avståndet mellan diffraktionsplanen i denna kristall.

Q10.6.29

En metall med avstånd mellan plan lika med 0,4164 nm diffrakterar röntgenstrålar med en våglängd på 0,2879 nm. Vad är diffraktionsvinkeln för första ordningens diffraktionstopp?

S10.6.29

20,2°

Q10.6.30

Guld kristalliseras i en ansiktscentrerad kubisk enhetscell. Den andra ordningens reflektion (n = 2) av röntgenstrålar för de plan som utgör toppen och botten av enhetscellerna är vidi= 22,20°. Röntgenstrålningens våglängd är 1,54 Å. Vad är densiteten för metalliskt guld?

Q10.6.31

När en elektron i en exciterad molybdenatom faller från L till K-skalet sänds en röntgenstråle ut. Dessa röntgenstrålar diffrakteras i en vinkel på 7,75° av plan med en separation på 2,64 Å. Vad är skillnaden i energi mellan K-skalet och L-skalet i molybden om man antar en första ordningens diffraktion?

S10.6.31

1,74 × 10⁴eV