疑难研讨5||甲烷与氨气谁更稳定?多面剖析与特殊现象

教育   2024-11-07 18:31   福建  

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化学稳定性与热稳定性的区别:一般情况下,化学里面的稳定性通常指的是“化学稳定性”,简单的说,就是化学性质是否活泼,区别于热稳定性。
热稳定性通常是指物质受热是否分解。稳定性的高低一般与化学键的强弱密切相关。
稳定性的高低一般与化学键的强弱密切相关。键能越大,破坏化学键所消耗的能量越大,物质的稳定性越高。例如,氮气和氢气分子均为双原子分子,其中氮原子键以三键结合,键能极大(946kJ/mol),所以是最稳定的双原子分子。
热稳定性指在高温环境中由于热的作用所引起的物质内部化学键的破坏,通常以分解温度衡量热稳定性的高低,如卤化氢的热稳定性顺序是:HF>HCl>HBr>HI,其中HF的分解温度为1 000℃,而HI则在300℃就明显分解。
如何比较CH₄和NH₃的稳定性?
在高中化学学习中,CH和NH₃是两种重要的化合物,它们分别在有机化合物和无机化合物中扮演着重要的角色。那么CH与NH何者更稳定呢?从不同的方面进行解释得到的结论却是不一样的。
元素周期律
同一周期,从左到右,随着元素原子序数的增加,非金属元素的气态氢化物的稳定性逐渐增强,元素的非金属性逐渐增强。因而,稳定性是CH<NH

化学反应
“合成氨条件的选择”时,有这样一组数据:在0.1MPa条件下,200℃、300℃、400℃、500℃、600℃时,反应达到平衡,氨的含量依次为15.3%、2.2%、0.4%、0.1%、0.05%,因为合成氨是一个可逆反应,所以由N、H合成NH的含氨量也可以看作是同一条件下NH分解达到平衡时的含量;而关于“甲烷受热分解的条件”描述为:隔绝空气并加热到1000℃。通过对以上两个实验条件的比较可知,在0.1MPa时,NH在各温度分解达到平衡时的含量均很低,而CH的分解需要达到1000℃,并且隔绝空气。所以NH比CH更容易分解,稳定性CH>NH
• 键能
分子内部的键能大小亦能反映分子的稳定性,键能越大其对应的分子越稳定。C—H键的键能为415.3 kJ• mol-1,N—H键的键能是390.8 kJ•mol-1,显然C—H键的键能比N—H键的键能大,所以从键能的角度来看,稳定性CH>NH
• 热力学
NH和CH的热分解反应的热力学数据如表1-26。


从热力学数据可以看出,NH分解反应进行的趋势比CH分解趋势大,且NH分解反应的熵变比CH分解反应的熵变大,说明NH比CH分解所需的温度低。
在甲烷分子中,碳原子采取sp3杂化轨道形成共价键,分子中有四个共价单键,C—H键之间的键角为109°28。分子的形状是正四面体,具有高度的空间对称性,这种结构使得甲烷分子为非极性分子,具有空间结构的对称稳定性。

在氨气分子中,氮原子采取不等性sp3杂化轨道形成共价键,分子中有一对孤电子对和三个共价单键。由于孤电子对对成键电子的排斥作用,使得N—H键之间的键角为107°,分子的形状是三角锥形,这种结构使氨气分子有相当大的极性,偶极矩为1.66D,N—H键之间有一定的排斥作用,NH分子的对称性不如CH分子。所以CH和NH的结构不同导致了其稳定性的特殊差异,这也正符合化学学习研究中遵循的物质的结构决定物质的性质这一化学思想。

总之,CH和NH的稳定性是一个违反了元素周期律和电负性规则的特殊现象,在高中化学教学中特别是习题创作中应加以注意

参考文献

[1]张健如等编著,全日制普通高级中学教科书(必修)化学[M].北京:人民教育出版社,2003.

[2]天津大学无机化学教研室.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2002.




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