Квантово-механическая модель атома водорода. Квантовые числа как параметры, определяющие состояние электрона в атоме. Физический смысл квантовых чисел. Спиновое квантовое число

Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях, и определить возможные валентности Si.

Дано: Si

Составить: электронную и электронно-графическую формулы Si и Si^*, определить возможные валентности Si и Si^*  ?

Решение: Для Si число электронов равно 14, электронная формула имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p².

Электронно-графическая формула атома кремния:

₁₄Si

↑↓

↑

↑

n=3 s p d

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

n=2 s p валентность II

↑↓

n=1 s

При затрате некоторой энергии (hυ)один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s²2s²2p⁶3s¹3p³) соответствует возбужденному состоянию атома кремния (Si*):

₁₄Si^

↑

↑

↑

↑

n=3 s p d

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

n=2 s p валентность IV

↑↓

n=1 s

На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение: Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора Z = 17, марганца Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵;

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵.

Электронно-графические формулы этих атомов:

₁₇Cl

↑↓

↑↓

↑↓

↑

n=3 s p d

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

n=2 s p

↑↓

n=1 s

₂₅Mn

↑↓

n=4 s p d f

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

↑

↑

↑

n=3 s p d

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

n=2 s p

↑↓

n=1 s

Валентные электроны для химического элемента хлора  3s²3p⁵, а для химического элемента марганца  4s²3d⁵.

Ответ: В вертикальных рядах, называемых группами, расположены элементы – электронные аналоги, имеющие одинаковое количество электронов на внешних энергетических подуровнях. Химические элементы, составляющие одну подгруппу (главную или побочную) являются полными электронными аналогами, вследствие одинаковых конфигураций внешних энергетических подуровней, что определяет близость физических и химических свойств элементов и их соединений. Валентные электроны хлора  3s²3p⁵, а марганца  4s²3d⁵  эти элементы не являются полными электронными аналогами, т.к. у них разная конфигурация внешних энергетических подуровней, поэтому они не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов  7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д.И. Менделеева. У Cl и Мn валентные электроны (3s²3p⁵ и 4s²3d⁵) находятся на разных подуровнях, поэтому они располагаются в разных подгруппах.

Указать порядковый номер элемента, у которого: а) заканчивается заполнение электронами орбитали 4d; б) начинается заполнение подуровня 4р.

а) кадмий Cd: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰.

б) галлий Ga: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p¹.

Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Дано:

Химические элементы: As, Se, Br

Найти: ВСО, НСО химических элементов ?

Решение: Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²np⁶). Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V, VI, VII-групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²р³, s²p⁴, s²p⁵. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:

Так как ВСО = № группы, НСО = № группы – 8, то для:

ВСО(Аs) = +5, НСО(As) = -3 (As₂O₅, AsH₃);

ВСО(Se) = +6, НСО(Se) = -2 (SeO₃, Na₂Se);

ВСО(Br) = +7, НСО(Br) = -1 (КВrO₄, KBr).

Ответ: ВСО(Аs) = +5, НСО(As) = -3 (As₂O₅, AsH₃); ВСО(Se) = +6, НСО(Se) = -2 (SeO₃, Na₂Se); ВСО(Br) = +7, НСО(Br) = -1 (КВrO₄, KBr).

У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

Дано:

Химические элементы: Mn, Br

Сравнить: химические свойства предложенных элементов исходя из ПСЭ.

Решение: Электронные формулы данных элементов:

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵

Марганец – d-элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром – p-элемент VII-группы главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, тенденцией терять эти электроны (проявляют донорные свойства). Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы (проявляют акцепторные свойства). Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.

Ответ: Металлические свойства более выражены у марганца.

Задачи для самостоятельного решения:

1. Определите число нейтронов, образующих ядро атома изотопа элемента ²⁶ ₈₈Ra.

2. В каком ряду расположены только изотопы?

1) ^I6O; ³²S; ¹²С

2) ⁴¹К; ⁴¹Са; ⁴¹Sc

3)3) ⁴⁰Аr; ⁴⁰К;⁴⁰Са

4) 4) ¹⁶О; ¹⁷О; ¹⁸O

3. Каков состав атомных ядер изотопов натрия - 23, алюминия -27. фосфора-31?

4. Сколько нейтронов в атомных ядрах изотопов магния ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶ Mg и хлора ³⁵ С1, ³⁷ С1?

5. Медь имеет два изотопа: ⁶³Сu и ⁶⁵Сu. Молярные доли их в природной меди составляют 0,73 и 27соответственно. Определите среднюю относительную массу меди.

6. Определите относительную атомную массу бора, если известно, что молярная доля изотопа ¹⁰В составляет 0,196, а изотопа ¹¹В - 0,804.

7. Элемент кремний (изотоп ³⁰₁₄Si) был получен облучением изотопа алюминия ²⁷₁₃ A1 α-частицами (ядрами атомов гелия). Напишите уравнение единой реакции в полной и со­кращенной формах.

8. У какого атома, имеющих строение энергетических уровней: 1) 3s²3p²; 2) 3s²3p⁴; 3) 3s²3p⁶; 4) 3s², сильнее выражены неметаллические свойства?

9. У какого атома сильнее выражены металлические свойства, если строение энергетических уровней имеет вид

1)... 3s²3p²; 2)... 4s²; 3)... 3s²3p⁶; 4)3d¹⁰ 4s¹?

10. Напишите электронные конфигурации атомов следующих элементов в основном состоянии: N, Si, Fе, Кr, Те, W.

11. Какой инертный газ и ионы каких элёментов имеют одинаковую электронную конфигурацию с частицей, образующейся в результате удаления из атома кальция всех валентных электронов?

12. Могут ли электроны иона А1⁺³ находиться на следующих орбиталях: а) 2р; б) 1р; в) 3d?

13. Напишите электронную конфигурацию атома неона в первом возбужденном состоянии.

14. Каков состав ядер изотопов ¹⁶О, ¹⁷О, ³Не и ⁴Не?

15. Напишите электронные конфигурации следующих элементов: Si, Fе, Кr, Те, W.

16. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы В, S, Аs, Сr?

17. Какие элементы могут проявлять как металлические, так и неметаллические свойства? Приведите не менее трех примеров.

18. Как изменяются неметаллические свойства элементов в периодах периодической системы? Приведите конкретные примеры соединений элементов, подтверждающие эти свойства.

19. В атоме какого элемента — лития или цезия связь валентного электрона с ядром сильнее? Объясните, почему.

20. Почему в группы лантаноидов и актиноидов входит по 14 элементов?

21. Какие общие свойства имеют элементы Мn и Сl, находящиеся в одной группе периодической системы?

22. Изотоп ²¹⁰Ро, излучающий α-частицы, используется в смеси с бериллием в нейтронных источниках. Через какое время интенсивность таких источников уменьшится в 2 раза? Период полураспада ²¹⁰Ро равен 138 дней.

23. Изотоп ¹³⁷Cs имеет период полураспада 29,7 лет. 1 г этого изотопа прореагировал со взрывом с избытком воды. Каков период полураспада цезия в образовавшемся соединении? Ответ обоснуйте.

24. Сколько электронов и протонов входит в состав следующих частиц: а) NО₂^-; б)PH₃; в) SO₄^2-

25. Напишите электронную конфигурацию атомов фтора и магния в их первом возбужденном состоянии.

26. Назовите два элемента в атомах которых количество пар спаренных электронов равно количеству неспаренных электронов.

27. Электронная конфигурация атома неона совпадает с электронными конфигурациями ионов нескольких элементов. Назовите 4 таких иона. Ответ мотивируйте.

28. Напишите уравнение реакции образования соединения, в состав которого входят только ноны элементов с конфигурацией внешних электронов 3s², 3p⁶

29. Объясните, почему на первом энергетическом уровне атома не может быть более 2 электронов, на втором уровне более восьми, на третьем более восемнадцати и т.д.

30. Атом элемента имеет электронную конфигурацию 1 s² 2s² 2p⁶3 s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰. Укажите номер периода, номер группы в периодической системе и максимальную степень окисления.

31. Природный хлор содержит два изотопа: ³⁵Сl и ³⁷Cl относительная атомная масса хлора равна 35,45. Определите мольную долю каждого изотопа хлора.

32. Изотоп бериллия ⁹В поглощая одну α-частицу и испуская нейтрон, превращается в изотоп другого элемента. Какой элемент образуется? Напишите уравнение ядерной реакции.

33. Атомы урана ^2З8U испускают α -частицы. Получающиеся при этом атомы другого элемента испускают β -частицы, при этом образуются атомы нового элемента, испускающие β -частицы. Определите, изотоп какого элемента образуется в результате этих трех последовательных превращений.

34. Первой в истории искусственной ядерной реакцией была реакция изотопа ¹⁴N с α- частицами получаемыми при распаде ²¹⁰Ро. В результате ядерной реакции азот превратился в изотоп кислорода ¹⁷О. Напишите уравнения происходящих ядерных превращений.

35. Могут ли электроны иона К⁺ находиться на следующих орбиталях: а) 3р; б) 2f в) 4s? Ответ мотивируйте.

36. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 8 и 26. Покажите распределение элементов этих атомов по кванто­вым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

37. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 17 и 30. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

38. Какое максимальное число электронов могут имет s-, р-, d- и f-орбитали? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 33.

39. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 35. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

40. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s иди 3d; 5s или 4р? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента хрома, молибдена, меди.

41. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4 d или 5s; 6s или 5р? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым.номером 42.

42. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номе­рами 14 и 40. Сколько свободных 3d- орбиталей у атомов последнего элемента?

43. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 27. Чему равен максимальный спин р- электронов у атомов пер­вого и d-электронов у атомов второго элемента?

44. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 24. Сколько свободных 3d-орбиталей в атомах этих элементов?

45. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое чис­ло т, при орбитальном числе 1 = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодическое системе называют s-, р-, d- и f- элементами? Приведите примеры.

46. Какие значения могут принимать квантовые числа n, 1, m_i и m_s, харак­теризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

47. Какие из электронных -формул, отражающих строение невозбужденно­го атома некоторого элемента неверны: a)ls² 2s² 2р²? 3s¹; б) Is² 2s² 2р⁶; в) Is 2s¹ 2р² 3s² Зр⁶ 3d⁴ ; г) Is² 2s² 2р⁶ 3s² 3p⁶4s²; д) Is² 2s² 2p⁶ 3s² 3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

48. Напишите электронные: формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s-электрона на Зd-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и р-электронов у атомов второго элемента?

49. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4; 1 = 0; m_i = 0; m_s = ± 1/2. Напишите электронные формулы атомов этих, элементов и опреде­лите, сколько свободных орбиталей содержит каждый из них.

50. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- или d¹²- электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Связь положения элемента в периодической системе с электронным строением его атома. Особенности электронных конфигураций атомов элементов главных и побочных подгрупп. Связь свойств элементов с их положением в периодической системе. Энергия ионизиции. Сродство к электрону. Электроотрицательность. Основные характеристики химической связи: длина, энергия, направленность. Валентный угол. Метод ВС и Метод молекулярных орбиталей (ММО).

Каким типом гибридизации АО азота описывается образование иона NH₄⁺ и молекулы NH₃? Какова пространственная структура этих частиц?

Решение. Как в ионе аммония, так и в молекуле аммиака валентный элек­тронный слой атома азота содержит четыре электронных пары:

Поэтому в обоих случаях электронные облака атома азота будут максимально удалены друг от друт при sp³гибридизации, когда их оси направлены к верши­нам тетраэдра. При этом в ионе NH₄⁺ все вершины тетраэдра заняты атомами водорода, так что этот ион имеет тетраэдрическую конфигурацию с атомом азо­та в центре тетраэдра.

При образовании молекулы аммиака атомы водорода занимают только три вершипы тетраэдра, а к четвертой вершине направлено электронное облако не-поделенной электронной пары атома азота. Это можно представить следующей схемой:

Образовавшаяся фигура — тригональная пирамида с атомом азота в ее вер­шине и атомами водорода в вершинах основания.

Bычислить эффективные заряды водорода и брома в молекуле бромида водорода HBr, если длина связи (межъядерное расстояние) в молекуле равно l = 0,141 нм, а дипольный момент ее равен 0,79 Д.

Дано:

Молекула HBr,

l = 0,141 нм=0,141∙10^–9м,

μ′(HBr) = 0,79 Д,

ē =1,60∙10^–19 Кл.

Найти: Эффективные заряды (δ^±) на атоме водорода, атоме брома в молекуле HBr  ?

Решение: 1. Если бы в молекуле бромида водорода эффективные заряды атомов, или степень ионности связи, были равны единице δ = 1, то ее дипольный момент был бы равен:

μ = δ∙ ē ∙l = ē ∙ l ,

где ē – заряд электрона (1,606∙10^–19 Кл), а l – длина связи.

Тогда,

μ =1∙1,66∙10^–19∙ 0,141∙10^–9 = 2,26∙10^–29(Кл∙м)

2. По условию задачи значение дипольного момента равно 0,79 Д. Для того, чтобы найти величину его в системных единицах (Кл∙м), умножим это значение на 3,33·10^–30 (1Д = 3,33∙10–30 Кл∙м). Получим:

μ′ = 0,79∙3,33∙10^–30 = 2,63∙10^–30(Кл∙м)

3. Вычислим теперь степень ионности для молекулы бромида водорода.

Степень ионности связи равна:

δ⁺( δ^–) = μ′/ μ.

Тогда,

δ⁺( δ^–) = 2,63⋅10^–30/2,26⋅10^–29 = 0,12

4.Поскольку относительная электроотрицательность χ (Br)= 2,8 ;χ (Н)= 2,1, т.е. χ(Br)= 2,8 > χ(Н)= 2,1, то электронная пара смещается в сторону брома, создавая на нем избыточный отрицательный заряд. Следовательно, эффективный заряд на атоме водорода δ⁺(Н) = + 0,12, а на атоме брома

δ^–(Вr) = − 0,12.

Ответ: δ⁺(Н) = +0,12; δ^–(Вr) = − 0,12.

Какой тип гибридизации атомных орбиталей бериллия (Be) осуществляется в молекуле фторида бериллия (BeF₂)?

Дано: BeF₂.

Найти: тип гибридизации в молекуле BeF₂.

Решение: Электронная конфигурация атома бериллия в основном состоянии записывается как 1s²2s², то есть у атома отсутствуют неспаренные (валентные) орбитали:

Химические связи может образовывать лишь атом, находящийся в возбужденном состоянии (Ве^*) с конфигурацией 1s² 2s¹ 2p¹ и имеющий по одному неспаренному электрону на 2s- и на 2p- орбиталях:

Электроны на этих двух орбиталях подвергаются гибридизации по sp-типу. Этот тип гибридизации дает линейную конфигурацию молекулы BeF₂ (валентный угол 180º).

Ответ: Атомные орбитали Ве, участвующие в образовании молекулы находятся в состоянии sp-гибридизации.

Сера образует химические связи с калием, водородом, бромом и углеродом. Какие из связей наиболее и наименее полярны? Укажите, в сторону какого атома смещается общая электронная пара?

Дано: S, K, H, Br, C.

Найти: ∆χ(S – K), ∆χ(S - H), ∆χ(S – Br), ∆χ(S – C)  ?

Решение: Используя значения относительных электроотрицательностей атомов (Приложение 3 табл. 1), находим разность относительных электроотрицательностей (∆χ) серы и элемента, образующего с ней химическую связь:

а) ∆χ(S – K) = 2,6 – 0,91 = 1,69, электронная пара смещена в сторону атома серы;

б) ∆χ(S – H) = 2,6 – 2,1 = 0,5, электронная пара смещена в сторону атома серы;

в) ∆χ(S – Br) = 2,6 – 2,74 = -0,14, электронная пара смещена в сторону атома брома;

г) ∆χ(S – C) = 2,6 – 2,5 = 0,1, электронная пара смещена в сторону атома серы.

Чем больше по абсолютной величине разность относительных электроотрицательностей, тем более полярна связь. В данном примере наиболее полярной является связь сера – калий, наименее полярной – связь сера – углерод.

Ответ: Наиболее полярной является связь сера – калий, наименее полярной – связь сера – углерод. ∆χ(S – K) = 1,69 (электронная пара смещена в сторону атома серы); ∆χ(S – H) = 0,5 (электронная пара смещена в сторону атома серы); ∆χ(S – Br) = -0,14 (электронная пара смещена в сторону атома брома); ∆χ(S – C) = 0,1 (электронная пара смещена в сторону атома серы).

Длина диполя молекулы НСl равна 0,22•10^-8 см. Вычислите электрический момент диполя.

Дано: молекула HCl,

l(HCl) = 0,22•10^-8 см= 2,2•10^-11 м,

q = 1,60•10^-19 Кл.

Найти: μ молекулы НСl  ?

Решение: Электрический момент диполя рассчитывается по формуле:

μ = q•l

μ = 1,60•10^-19 •2,2•10^-11 = 3,52•10^-30 Кл•м = = 3,52•10^-30/(3,33•10^-30) = 1,06 D.

Ответ: Электрический момент диполя молекулы НСl равн 1,06 D.

Как объяснить невозможность существования молекулы He₂ и возможность существования устойчивого молекулярного иона He₂⁺?

Дано:

Молекула He₂, молекулярный ион He₂⁺.

Объяснить: невозможность существования молекулы He₂, возможность существования молекулярного иона He₂⁺  ?

Решение:

Построим энергетическую диаграмму для этих частиц по методу МО и определим порядок связи (ПС). Из рисунка видно, что в молекуле He₂ число электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях одинаково (по 2), следовательно, порядок связи здесь равен: ПС = (2–2) / 2 = 0. Энергия молекулы не понижается по сравнению с энергией атомов. Таким образом, эта молекула существовать в нормальном состоянии не может. В молекулярном же ионе He₂⁺ ПС = 0,5. Существование такого иона возможно, так как число связывающих электронов больше числа разрыхляющих, и общая энергия молекулярной системы понижается.

АО МО АО АО МО АО

(а) (б)

Рисунок Энергетическая диаграмма (метод МО)

а) молекулы He₂

б) молекулярного иона He₂⁺.

Задачи для самостоятельного решения:

1. В какой из данных молекул полярность связи выше?

1) НС1; 2) HI; 3) НВг; 4) НF

2. Определите степень окисления азота в веществах: 1) N₂O₄; 2) (NH₄)₂CO₃; 3) NO₂^-.

3. Определите степень окисления железа в соединениях: a) Fe₃(PO₄)₂; б) K₂FeO₄; в) Fe(OH)SO₄; г) Fe PO₄; д) Fe₃O₄.

4. Определите валентность и степень окисления углеро­да в соединениях:

а) С₂Н₆; б) СО₂; в) НСООН; в) СН₃ОН; г) НСОН.

5. Приведите соединения имеющие в своём составе ковалентную полярную связь.

6. В молекуле какого вещества степень окисления фосфора наименьшая?

а) Н ₃ PO₄; б) Н ₃PO₃; в) Н PO₃; г) Н ₃PO₂; д) Н ₄P₂O₇

7. Изобразите методом молекулярных орбиталей строение молекулы оксида азота (ІІ).

8. По какому механизму может образоваться ковалентная связь?

9.Что такое полярность связи и какова ее количественная характеристика? 10. От чего зависит степень полярности связи?

11. Что такое «максимальная ковалентность» и чем она определяется?

12. В чем состоит причина направленности ковалентной связи?

13. Как влияет характер гибридизации орбиталей на величины валентных углов? Привести примеры.

14. В чем состоит различие δ- и π- связей?

15. Проанализируйте химическую связь и определите геометрию молекул следующих веществ: Н₂, С1₂, ВеС1₂, ВС1₃, ССl₄, СН₄, С₂Н_4, H₂SO₄, HNO₃.

16. Определить степень окисления азота в KNO₂, йода в КIO₃, марганца в КМnО₄, хрома в К₂Сг₂O₇, азота в Cu(NO₃)₂.

17. Используя ММО, нарисовать энергетическую схему и рассчитать крат- ность связи в молекулах: Н₂, Н₂ ⁺, N₂, O₂, F₂, CO, NO.

18. Чем объяснить, что такие вещества как кислород, водород, углекислый газ имеют низкие температуры кипения и плавления?

19. Приведите по два примера соединений с полярной и неполярной ковалентной связью.

20. Приведите примеры неполярных молекул, имеющих ковалентные полярные связи.

21. Напишите формулы двух соединений, имеющих одновременно ионную и ковалентную связи.

22. Объясните, почему водородное соединение фосфора менее прочное, чем водородное соединение азота.

23. Изобразите структурную формулу иона аммония, молекулы пероксида водорода.

24. Напишите структурные формулы следующих соединений: перхлорат калия, хлорат калия, хлорит калия, гипохлорит калия, хлорид калия, фосфат натрия.

25. Напишите структурную и электронную формулы оксидов углерода (II) и (IV).

26. Напишите структурные формулы фосфата, гидрофосфата и дигидрофосфата кальция.

27. В чем заключается сущность донорно-акцепторного механизма образования химической связи? Приведите не менее 3-х примеров соединений, связь в которых образована по этому механизму.

28. Дайте характеристику водородной связи. В каких случаях возможно ее образование? Приведите примеры.

29. Сопоставьте разности электроотрицательностей в гидридах щелочных металлов от лития к цезию. Как меняется характер связи в гидридах?

30. Как изменяется полярность в ряду молекул: а) НР, НСI, НВг, НJ; б) NН_3, РН_3, АsН₃?

31. У какого соединения температура плавления ниже: Вг₂ или J_2, NaF или KF, LiCl или CCl₄, C₄ H₉ OH или C₅ H_10.

32. Приведите примеры молекул (не менее 5), в которых степени окисления атомов и их валентности не совпадают.

33. Почему для атомов фосфора, серы и хлора максимальная валентность совпадает с номером группы, а для атомов азота, кислорода и фтора она меньше номера группы?

34. В чем заключаются причины резкого различия в свойствах:

оксида кремния и оксида углерода (IV) б) плавиковой кислоты и соляной кислоты; в) воды и сероводорода? Ответы обоснуйте.

35. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: СаСгО₄; Sr(С1О)₂; F₂O₂; Саз(Р0₄ )₂; NН₄NO₃; Fe₂(SO₄)_3.

36. Сколько электронов и протонов содержат следующие молекулы и ионы: а) Н₃О⁺; б) NСI₃

37. Какие значения валентности могут проявлять в своих соединениях следующие элементы: F, Вг, О, Sе, Хе? Дайте обоснование.

38. Определите максимальную валентность азота и фосфора в их соединениях.

39. Предложите формулы двух соединений, в состав которых входят только ионы с электронной конфигурацией 1 s² 2s² 2p⁶3 s² 3p⁶.

40. Почему существует ион NН₄⁺ и не существует ион СН₅⁺?

41. Опишите пространственное строение следующих молекул: АIСI_3, РНз, Н₂О, ВеF₂

42. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: FеS_2, К₃ [Fе(CN)₆]_, Fе₃O_4, Na₂S₂O_3, CH₂Cl_2, CH₃COOH.

43. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяс­нить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

44. Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов определите, какая из связей: НС1, IC1, BrF — наиболее полярна.

45. Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NHLi+ и BF^4- ? Укажите донор и акцептор.

46. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеСl₂ и тетраэдрическое СН₄?

47. Какую ковалентную связь называют δ-связью и какую π-связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

48. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

49. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

50. Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул НС1, HВr, HI имеет наибольший момент диполя? Почему?

51. Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ - алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк - имеют указанные структуры?

52. Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молеку­лы H₂S и линейное молекулы СО₂?

53. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы Не₂ и молекулярного иона Не⁺ по методу молекулярных орбиталей. Как метод МО объясняет устойчивость иона Не²⁺ и невозможность существования молекулы Не₂?

54. Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н₂О и HF, имея меньшую молекуляр­ную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

55. Какую химическую связь называют ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

56. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов, в соединениях СН₄, СН₃ОН, НСООН, СО₂.

57. Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают эти силы и какова их природа?

Энергетика и направленность химических процессов. Скорость химических реакций. Химическое равновесие. Катализ. Растворы. Свойства растворов. Растворимость веществ. Решение расчетных задач. Электролитическая диссоциация.

На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰ реакции, протекающей по уравнению:

4NH_{3 (г.)} + 5O_2(г) = 4NO_(г.) + 6H₂O_(г.) .

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Решение. Изменение энергии Гиббса реакции вычисляется по формуле:

Стандартные условия – T = 298 К.

Гомогенная реакция протекает в системе А + В  С + Д. Равновесие установилось при концентрациях веществ: [В] = 0,05 моль/л и [С] = 0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации вещества А и В.

Решение.

На образование 0.02 моль вещества C затратилось столько же моль вещества A и B (согласно уравнению реакции). Следовательно, исходная концентрация вещества B составляла 0.05 + 0.02 = 0.07 моль/л. Равновесная концентрация вещества Д равна равновесной концентрации вещества С (согласно уравнению реакции).

Константа равновесия K для данной реакции равна:

K = ([C]*[D]) / ([A]*[B]), где все концентрации равновесные.

Подставим все известные величины:

0.04 = 0.02² / ([А]*0.05)

[А] = 0.2 моль/л. Так как на образование 0.02 моль вещества C затратилось столько же вещества A, то исходная концентрация вещества А составляла 0.2 + 0.02 = 0.22 моль/л.

Теплота растворения безводного хлорида стронция равна 48 кДж, а теплота растворения кристаллогидрата SrCl₂•6H₂0 равна +31 кДж. Вычислить теплоту гидратации хлорида стронция.

Дано:

ΔН₁(SrCl₂) = 48 кДж,

ΔН₂(SrCl₂) = +31 кДж

Найти: теплоту гидратации хлорида стронция.

Решение:

Безводный хлорид стронция  это SrCl₂, при растворении получаем раствор SrCl_2(р-р). Также, если оставить хлорид стронция на воздухе, то он будет присоединять воду из воздуха и превращаться в кристаллогидрат, который при растворении также дает раствор хлорида стронция.

ΔН₁

1 .SrCl₂ SrCl_2(р-р)

ΔН₂

2 .SrCl₂• 6H₂O SrCl_2(р-р)

ΔН₃

3 .SrCl₂ SrCl₂• 6H₂O

∆Н₁  теплота растворения безводного хлорида стронция;

∆Н₂  теплота растворения кристаллогидрата,

∆Н₃  теплота гидратации хлорида стронция (т.е. теплота перехода хлорида стронция в кристаллогидрат),

∆Н₁= ∆Н₃ + ∆Н₂;

∆Н₃ = ΔН₁(SrCl₂)  ΔН₂(SrCl₂) = 48  31 = 79 (кДж/моль)

Ответ: Теплота гидратации хлорида стронция составляет 79 кДж/моль.

Рассчитайте теплоту сгорания метана и количество теплоты, которое выделится при сгорании 100 дм³ этого вещества.

Дано:

V(CН₄)= 100 дм³

Найти:

ΔΗ_сгор⁰ (CН₄), Q  ?

Решение: Под теплотой сгорания вещества подразумевают тепловой эффект реакции окисления молекулярным кислородом одного моль этого соединения с образованием высших оксидов. В случае органического соединения продуктами окисления обычно бывают СО_2(г) и Н₂О_(ж).

Реакцию сгорания метана можно представить уравнением:

СН_4(г) + 2О_2(г)  СО_2(г) + 2Н₂О_(ж)

Используя следствие закона Гесса и стандартные энтальпии образования веществ по табличным данным), определяем изменение энтальпии при протекании реакций:

ΔΗ⁰_сгор= ΔΗ⁰ _{СO2 (г)} +2ΔΗ⁰_{Н2О (ж)}  ΔΗ⁰_{СН4 (г)}

или ΔΗ⁰ = 393,5 + 2(241,8) ( ((74,9) = (890,31 (кДж/моль).

ΔΗ0 = (Q, следовательно, при сгорании одного моль СН4 выделяется 890,31 кДж/моль теплоты.

Рассчитаем количество моль метана:

n(СН₄) = 100 /22,4 = 4,46 (моль)

Количество теплоты при сгорании 4,46 моль метана составит:

4,46 ∙ 890,31= 3970,8 (кДж)

Ответ: При сгорании 100 дм³ выделится 3970,8 кДж тепла.

Вычислите ΔH⁰_х.р., ΔS⁰_х.р., ΔG⁰_х.р. реакции, протекающей по уравнению:

Fe₂O_3(кр) + 3С_{(графит)} = 2Fe_(кр) + 3CO_(г)

Возможна ли реакция восстановления Fe₂O₃ углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Дано:

Fe₂O_3(кр) + 3С_{(графит)} = 2Fe_(кр) + 3CO_(г)

Т₁ = 500 К

Т₂ = 100 К

Найти: ΔH⁰_х.р., ΔS⁰_х.р., ΔG⁰ _х.р.?

Решение

∆H_х.р. = ∑∆Н_{f продуктов}  ∑∆Н_{f исх. веществ}

ΔH⁰_х.р = (3•∆Н⁰₂₉₈CO_(г)) + 2•∆Н⁰₂₉₈Fe_(кр))  (∆Н⁰₂₉₈ Fe₂O_3(кр) +3∆Н⁰₂₉₈ С_(тв))= =(3(110,53) + 2•0)  (822,16+3•0) = 331,56 + 822,10 = +490,57 (кДж);

ΔS⁰_х.р = (3•S⁰₂₉₈CO_(г)) + 2•S⁰₂₉₈Fe_(кр))  (S⁰₂₉₈ Fe₂O_3(кр) +3S⁰₂₉₈ С_(тв)) (2•27,15 + 3•197,55)  (87,45 + 3•5,74) = 542,28 (Дж/К)

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения ΔG₅₀₀ = ΔH⁰_х.р.  ΔS⁰_х.р. •T₁/1000= 490,57  500•542,28/1000 = 219,43 кДж;

ΔG₁₀₀₀ = ΔH⁰_х.р.  ΔS⁰_х.р. •T₂/1000=490,57  1000•542,28/1000 = 51,71 (кДж)

Так как ΔG₅₀₀ > 0, а ΔG₁₀₀₀ < 0, то восстановление Fe₂O₃ углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

Ответ: ΔH⁰_х.р. составит +490,57 кДж, ΔS⁰_х.р. составит 542,28 Дж/К, а так как ΔG₅₀₀ > 0, а ΔG₁₀₀₀ < 0, то восстановление Fe₂O₃ углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

1. Задачи на перерасчет концентрации растворов

Необходимые формулы:

Массовая доля: (1)

Процентная концентрация: (2)

Молярная концентрация: , моль/л, (3)

(4)

Нормальность: , моль/л (5)

(6)

Моляльность: , моль/кг (7)

(8)

Титр раствора: , г/мл (9)

1. Задачи на расчет концентрации

Рассчитайте молярную, нормальную и моляльную концентрации 12% раствора серной кислоты плотностью  = 1.08 г/мл.

Р

Дано:

Водный раствор H₂SO₄

ω(%) = 12%

_р-ра = 1.08 г/мл

С_м, С_Н, С_m - ?

ешение:

В задачах этого типа всегда принимают: V_р-ра = 1 л = 1000 мл.

Масса этого раствора m_р-ра = _р-ра ^. V_р-ра = 1.08 ^. 1000 = 1080 ,

Массу растворенного вещества найдем из формулы (2):

m_р.в. = ,

Масса 1 моля серной кислоты равна: М_р.в.=2 ^. 1 + 32 + 4 ^. 16 = 98 г/моль.

Поскольку молекула серной кислоты диссоциирует с выделением двух ионов водорода, то f_экв. = ½, значит С_Н=С_М/ f_экв.= 2.64 моль/л.

,

Ответ: 1.32 моль/л, 2.64 моль/л, 1.39 моль/кг.

2. Задачи на разбавление растворов

В задачах этого типа предлагается изменить концентрацию раствора посредством добавления либо упаривания растворителя, либо добавления растворенного вещества. При этом образуется новый раствор в другом количестве и другой концентрации, но с тем же количеством растворенного вещества, либо растворителя. Для решения применяют формулы (1 – 9), применяя их последовательно к исходному и конечному раствору.

Сколько воды необходимо прибавить к 100 мл 20%-го раствора хлорида натрия (ρ_р-ра = 1.152 г/мл), чтобы получить 15% - й раствор?

Решение: