ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Самарский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Общая и инженерная химия»

ХИМИЯ

Методические указания к выполнению самостоятельных работ

для студентов всех специальностей

Составители: Васильченко Л.М.

Сеницкая Г.Б.

Халикова А.В.

Сотова Н.В.

Самара 2011

УДК 546

Методические указания к выполнению самостоятельных работ для студентов всех специальностей. - Самара: СамГУПС, 2011. - 52 с.

Утверждено на заседании кафедры «Общая и инженерная химия ОИХ», протокол № 3 от 25.10.2011 г.

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Методуказания содержат задания двух контрольных по 20-ти разделам курса общей химии.

Составители: Васильченко Лидия Михайловна

Сеницкая Галина Борисовна

Халикова Алла Викторовна

Сотова Наталья Васильевна

Рецензенты: к.х.н., доцент кафедры «Физическая химия и хроматография» Самарского государственного университета

Колосова Е.А.

к.т.н., доцент кафедры «Физика и экологическая теплофизика»

Самарского государственного университета путей сообщения

Вилякина Е.В.

Редактор:

Комп. верстка:

Подписано в печать . Формат 60х90 1/16.

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л. .

Тираж экз. Заказ № .

ã Самарский государственный университет путей сообщения, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания содержат теоретически-справочную часть и образцы решения задач 2-х контрольных работ по 20-ти разделам курса общей химии.

Методуказания составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом РФ и программой курса химии для студентов железнодорожных специальностей дневного и заочного отделений.

Материал предназначен для помощи студентам при самостоятельной подготовке к выполнению контрольных и лабораторных работ. Работа является также кратким справочным материалом для подготовки к сдаче зачетов и экзаменов.

Содержание теории и задач составляет:

Гидролиз солей. Водородный показатель. Материал используется в технологиях вагонного и локомотивного депо; при приготовлении воды с целью охлаждения ДВС, нанесении гальванопокрытий и др.

Окислительно-восстановительные процессы. Данные процессы необходимы в основном для устройств и работы электрохимических преобразователей энергии (ГЭ, ТЭ, аккумуляторов, хемотронов) и количественных анализов.

Строение атомов. Химическая связь. Знания материала необходимо для подбора веществ на любых предприятиях железной дороги, особенно для создания нанотехнологических материалов.

И др.

В методических указаниях выделены основные вопросы и подобраны задачи по темам, требующие от студентов глубокой проработки; указана необходимая литература, рассмотрено решение типовых задач.

Важным достижением прошлого столетия явилось использование порошков металлов и их соединений при производстве изделий различного назначения. В последние годы открылись впечатляющие перспективы создания новых типов материалов с особо ценными свойствами. Обнаружено, что уменьшение размера кристаллов («зерен» в структуре твердых тел) ниже некоторой пороговой величины приводит к значительному изменению их свойств. Такие эффекты начинают проявляться когда размер кристаллов, то есть мелких монокристаллов, становится меньше 100-150 нм и резко усиливаются при вхождении кристаллов в наноинтервал размеров 1-10 нм. Особенно перспективными оказались нанокристаллические материалы.

Внедрение нанотехнологий на железнодорожном транспорте возможно практически во всех структурных подразделениях отрасли.

В транспортном строительстве использование бетонов, модифицированных углеродными нанотрубками, позволит улучшить прочностные и теплоизоляционные характеристики зданий и сооружений на 15-30 %.

Использование при производстве подвижного состава новых конструкционных материалов даст ощутимый технико-экономический эффект. Изготовление качественно новых рельсов и колесных пар на основе нанодисперсного перлита с повышенной прочностью и с одновременным сохранением требуемой вязкости продлит срок службы верхнего строения пути.

Введение в пластичные железнодорожные смазки противоизносного вещества-фосфоромолибдата натрия приводит к уменьшению коэффициента трения. Высокодисперсный нанопорошок надежно защищает от износа машины, оборудование и двигатели. Его применение увеличивает мощность двигателя внутреннего сгорания на несколько киловатт, а токсичность выхлопных газов снижает на 85 % . Износ деталей двигателей сокращается практически в 2 раза, экономия топлива увеличивается на треть.

Частичное фосфатирование стальной поверхности с добавлением противоизносной присадки увеличивает ее прочность и коррозионную стойкость.

Для очистки железнодорожных цистерн от остатков битума, нефти и мазута изобретен новый щелочной состав «Эффект», действующий на молекулярном уровне. При добавлении в системы отопления или охлаждения 0,2 % раствора эффекта в трубах не образуется накипь и ржавчина. Ученые рекомендуют применять его для обмывки колесных пар, буксовых узлов, подшипников, тяговых электродвигателей и других узлов подвижного состава, поскольку оно эффективно удаляет все виды смазок, в том числе и водонерастворимых.

Применение нанотехнологий позволит увеличить скорость движения поездов, повысить безопасность движения, увеличить межремонтный ресурс подвижного состава.

Одними из распространенных наноматериалов являются углеродные нанотрубки (УНТ), поверхность которых обладает большим количеством двойных углеродных связей, что открывает возможность присоединения различных молекулярных комплексов, которые могут характеризоваться повышенными сорбционными свойствами. Поэтому их можно использовать как сорбенты для очистки сточных вод от вредных примесей, таких как тяжелые металлы, например, свинец и кадмий.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная учебная литература

1. Коровин Н.В. Учебник для технич. направл. и спец. вузов – 6-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2005. – 557 с.

2. Глинка Н. Л. Общая химия. – 30-е изд. - М.: Интеграл-пресс, 2006. - 728 с.

3. Зубрев Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. – М.: УМК МПС РФ, 2002. – 292 с.

4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов

/ Под. ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной – М.: Интеграл – Пресс, 2007. – 240 с.

5. Гольбрайх З.Е. Сборник задач и упражнений по общей химии: учебное пособие для вузов / Под. ред В.А. Рабиновича. - М.: Интеграл – Пресс, 2007. – 240 с.

Учебно-методическая литература

1. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Справочный материал по дисциплинам «Химия» и «Коррозия металлов» для студентов 1-го курса всех специальностей и форм обучения. Часть I. – Самара: СамГУПС, 2005. – 98 с.

2. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М. Контрольные задания для студентов-заочников всех специальностей. Самара: СамГУПС, 2008. – 44 с.

3. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методические указания для выполнения учебно-исследовательской работы по химии. – Самара: СамГУПС, 2009. – 30 с.

4. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методические указания для выполнения лабораторных работ по количественному анализу химических соединений для студентов всех специальностей очной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 31 с.

5. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Лабораторные работы и методические указания к выполнению для студентов всех специальностей очной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 35 с.

6. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Лабораторные работы и методические указания к выполнению для студентов всех специальностей заочной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 35 с.

7. Васильченко Л.М., Сотова Н.В. Окислительно-восстановительные процессы. Методические указания к выполнению лабораторной работы по химии для студентов всех специальностей и форм обучения. – Самара: СамГУПС, 2008. – 15 с.

8. Васильченко Л.М, Сотова Н.В., Яковлев В.М. Основные классы неорганических соединений. Методические указания к выполнению лабораторной работы по химии для студентов всех специальностей и форм обучения. – Самара: СамГУПС, 2007. – 20 с.

9. Васильченко Л.М., Сотова Н.В. Тестовые задания по дисциплине «Химия» для студентов транспортных вузов всех специальностей. – Самара: СамГУПС, 2009. – 62 с.

10. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методическое пособие на тему «Инструментальные методы анализа» по дисциплинам «Химия» и «Коррозия металлов и средства защиты от нее». - Самара: СамГУПС, 2010. – 10 с.

11. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения. Часть I. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 29 с.

12. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения. Часть II. - Самара:СамГУПС, ноябрь 2010. – 33 с.

13. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Тестовые задания для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения. Часть II. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 30 с.

14. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Контрольные задания для студентов транспортных специальностей. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 25 с.

15. Васильченко Л.М., Кажанова Т.В., Сотова Н.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ по химии для студентов 1 курса всех специальностей и форм обучения. – Самара-Оренбург, СамГУПС, январь 2011 – 77 с.

16. Васильченко Л.М., Кажанова Т.В. Методические указания к выполнению лабораторной и учебно-исследовательской работы по химии для студентов 1 курса всех специальностей и форм обучения. – Самара-Оренбург: СамГУПС, апрель 2011 – 16 с.

Дополнительная литература

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., издат. центр «Академия», 2001. – 743 с.

2. Горбунов А.И., Гуров А.А., Филиппов Г.Г., Шаповал В.Н. Теоретические основы общей химии: Учебник для студентов технических университетов и вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 720 с.

3. Степин Б. Д. Демонстрационные опыты по общей и неорганической химии. – М.: Владос, 2004. – 335 с.

4. Колпакова Н. А. Сборник задач по электрохимии. – М.: Высш. шк., 2003.- 142 с.

1. ЭКВИВАЛЕНТ. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ

Эквивалент(Э) – реальная или условная частица вещества, которая может присоединить, заместить в кислотно-основных реакциях один ион водорода (или другого одновалентного элемента), а в окислительно-восстановительных реакциях – присоединить или высвободить один электрон.

Под условной частицей вещества подразумевается реально существующие частицы (молекулы, ионы, электроны и т.д.), доли этих частиц (например, ¹/₂ иона) или их группы.

Фактор эквивалентностиf_э (х) – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества X эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в реакции окисления-восстановления.

Фактор эквивалентности – величина безразмерная. Принимает значения 1 или меньше единицы.

Для простых веществ и элементов в соединении f_э(х) = 1/В, где В – валентность элемента.

Например, для водорода или натрия f_э= 1/1 = 1. Для магния или кислорода f_э = 1/2.

Молярная масса эквивалента вещества М_э(х) – масса одного моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности f_э(х) на молярную массу вещества Мх.

М_э(х) = f_э (х) · М_х (кг/моль, г/моль).

Например, молярные массы эквивалентов простых веществ:

М_э(Н) = 1 · 1 г/моль;

М_э(Na) = 1· 23 = 23 г/моль;

М_э(Mg) = ½ · 24 = 12 г/моль;

M_э(О) = ½ · 16 = 8 г/моль.

Если одно из реагирующих веществ – газ, то для него вводится понятие объема эквивалента вещества – V_э(х), который рассчитывается на основании следствия из закона Авогадро:

1 моль газа массой М занимает объем 22,4 л, при нормальных условиях (н.у.):

Р^o = 1 атм.; Т^о = 273 К

1 эквивалент газа массой М_э занимает объем V_эпри н.у.

отсюда V_э= 22,4 · М_э / М (л/моль);

Например, при нормальных условиях 1 моль эквивалентов водорода занимает объем, равный:

V_э(Н₂) = 22,4 · 1 / 2 = 11,2 л/моль.

Для кислорода эта величина составляет

V_э (О₂) = 22,4 · 8 / 32 = 5,6 л/моль.

Закон эквивалентов: массы (или объемы) реагирующих веществ пропорциональны молярным массам эквивалентов (или эквивалентным объемам) этих веществ.

m₁/m₂ = M_э(1) /М_э(2).

Если одно из этих веществ представляет собой газ, то закон эквивалентов записывается в виде

m₁/М_э(1) = V₂/V_э(2).

Примеры решения задач

Пример 1. Рассчитайте эквивалентную массу трёхвалентного металла, навеска которого массой 1,44 г при его полном окислении превращается в 2,72 г соответствующего оксида. Какой металл используется в качестве исходного реагента?

Решение. На основании закона эквивалентов составим пропорцию

где m – масса реагента, - его молярная эквивалентная масса.

Таким образом,

Из условия задачи находим m(O)=m(окс.)-m(M)=2,72 – 1,44 =1,28 (г).

(O) = 8 , получим:

По определению грамм-атомная масса (A) простого вещества равна произведению его молярной эквивалентной массы на валентность (В)

В итоге, сравнив найденный результат с значениями средних масс в таблице Д.И. Менделеева, приходим к выводу, что в качестве металла был использован алюминий.

Пример 2. Сколько граммов цинка растворилось в соляной кислоте, если известно, что в ходе этой реакции выделилось 1,2 л водорода.

Решение.С учётом объёмных отношений газообразных реагентов из закона эквивалентов следует, что

где m - масса металла, - его молярная эквивалентная масса, V – объём газообразного продукта реакции, - его молярный грамм-эквивалентный объём.

Из данных таблицы Менделеева определим, что

( )=11,2 л · моль^-1, получим:

Пример 3.Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы H₂SO₄ и Al(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

H₂SO₄ + KOH = KHSO₄ + H₂O (1)

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂ (2)

Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O (3)

Al(OH)₃ + 3HNO₃ = Al(NO₃)₃+ 3H₂O (4)

Решение.Факторэквивалентности или эквивалентная масса сложного вещества, как и фактор эквивалентности или эквивалентная масса элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основания) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл или на число вступающих в реакцию гидроксильных групп.Следовательно, молярная эквивалентная масса H₂SO₄ в

реакции (1) M_H₂_SO₄ = 98 г/моль, а в реакции (2) M_H₂_SO₄ / 2 = 49 г/моль. Эквивалентная

масса Al (OH)₃ (3) M_Al₍_OH₎₃ = 78 г/моль, а в реакции (4) M_Al₍_OH₎₃ / 3 = 26 г/моль.

Пример 4.Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты.

Решение.Моль любого вещества содержит постоянную Авогадро (N_А) структурных единиц (в нашем примере молекул). Мольная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы:

98 / 6,02 · 10²³ = 1,63 · 10^-22 г.

СТРОЕНИЕ АТОМОВ

Современная теория строения атомов и молекул базируется на законах движения микрочастиц, обладающих очень малой массой, порядка 10^-27 – 10^-31 кг. Эти законы были сформулированы в 1923-27 годах и привели к созданию новой науки – квантовой механики. Установлено, что поведение микрочастиц принципиально отличается от поведения микрообъектов, изучаемых классической механикой.

Применение законов квантовой механики к химическим явлениям привело к созданию квантовой химии, которая является основой современной теории химической связи и строения вещества.

Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9-0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m₁). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m₁) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (n, l, m_l, и m_s). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень), число m₁(магнитное) – магнитный момент, m_s – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны и атомы должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому на АО могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами m_s = ± ¹/₂. Заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме – в порядке возрастания числа n. Соответственно по этому правилу последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s² < 2s² < 2p⁶ < 3s² < 3p⁶ < 4s² < 3d¹⁰< 4p⁶ < 5s² < 4d¹⁰< 5p⁶ < 6s²

< 5d¹< 4f¹⁴ < 5d⁹ < 6p⁶ < 7s² < 6d¹ < 5f¹⁴< 6d⁹ < 7p⁶ < 8s²……

Примеры решения задач

Пример 1.Напишите электронную формулу атома серы. К какому электронному семейству относится сера? Укажите валентные электроны, распределите их по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденных состояниях.

Решение. У атома серы порядковый номер 16 в таблице Д.И. Менделеева, поэтому – 16 электронов и последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней совпадает с электронной формулой (что характерно для элементов с порядковыми номерами от 1 до 20):

₁₆S – 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁴

Последним заполняется p-подуровень, поэтому сера принадлежит к p-электронному семейству; содержит 6 валентных электронов – 3s²3p⁴. Представим схему размещения валентных электронов в квантовых (энергетических) ячейках:

3s 3p 3d

₁₆S - ...

Валентность серы в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях H₂S, Na₂S, CaS.

У атома серы на 3d-подуровне имеются вакантные орбитали. При возбуждении атома происходит разъединение пар электронов и переход их на свободные орбитали.

Представим электронные конфигурации атома серы в возбужденных состояниях:

3s 3р 3d

а) ₁₆S^* - … , ₁₆S* - … 3s²3p³3d¹

Валентность серы равна 4, например, в соединениях SO₂, H₂SO₃

3s 3p 3d

б) ₁₆S^*- …S^* - … 3s¹ 3p³ 3d²

Валентность серы равна 6, например, в соединениях: SO₃, H₂SO₄.

Вывод: валентность серы в соединениях 2, 4, 6.

Пример 2.Составьте электронную формулу атома титана и ионов титана Ti²⁺ и Ti⁴⁺. К какому электронному семейству относится титан? Приведите электронные аналоги титана.

Решение. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней следующий:

₂₂Ti – 1s²2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s² 3d²

Титан принадлежит к d-электронному семейству.

Электронная формула титана имеет вид:

₂₂Ti – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d²4s²

Подчеркнуты валентные электроны.

Электронно-графические формулы валентных электронов атома титана в нормальном и возбужденном состояниях:

3d 4s 4p 4d 4f

₂₂Ti-…

Валентность титана в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях: TiO, TiCl₂. Такая валентность обусловлена двумя неспаренными электронами, но вакантные орбитали на 4p-подуровне вносят дополнительный вклад в валентность и титан в некоторых соединениях проявляет валентность, равную 3, например, в соединении TiCl₃.

При возбуждении атома титана происходит распаривание 4s-электронов и переход их на 4p-подуровень, валентность титана в этом состоянии равна 4 (TiO₂, TiCl₄):

3d 4s 4p 4d 4f

₂₂Ti*-…

₂₂ Ti^* - … 3d²4s¹ 4p¹4d⁰ 4f⁰

Сокращенная электронная формула атома титана:

₂₂Ti - … 3d²4s²

Электронные аналоги титана:

₄₀Zr - … 4d²5s²; ₇₂Hf - …5d² 6s²

Электронные формулы ионов титана Ti²⁺и Ti⁴⁺соответственно:

₂₂Ti²⁺ - … 3d² 4s⁰; ₂₂Ti⁴⁺- … 3d⁰4s⁰.

Пример 3.Для атома с электронной структурой 1s²2s²2p¹ найдите значения четырех квантовых чисел n, l, m_l, m_s , определяющие каждый из электронов в нормальной состоянии.

Решение.Электронную формулу1s²2s²2p¹имеет атом бора. Значения квантовых чисел для электронов атома бора надо определять с учетом принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми.

1-й энергетический уровень атома бора содержит два электрона в s-состоянии. Эти электроны характеризуются следующим набором квантовых чисел: 1,0, 0, ± ½.

Электроны в s-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2,0, 0, ± 1/2 .

Электроны в р-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2, 1, -1, + 1/2.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

В 1869 году Д.И. Менделеев открыл периодический закон, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов. Выражением закона является периодическая система Д.И. Менделеева. Электронное строение элементов изменяется периодически, поэтому свойства элементов также изменяются периодически, а именно: размеры атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, окислительно-восстановительные, кислотно-основные и другие.

Примеры решения задач

Пример 1.Какой элемент 4 периода – марганец или бром проявляет металлические свойства?

Решение. Полные электронные формулы элементов:

₂₅Mn – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶ 3d¹⁰ 4s²4p⁵

Марганец является d-элементом VIIB подгруппы, а бром – p-элемент VIIA 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, способны терять электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают в основном сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют элементарные отрицательные ионы.

Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома более свойственна окислительная функция. Общей закономерностью для всех групп, относящихся к d-электронному семейству, является преобладание металлических свойств. Следовательно, металлические свойства проявляет марганец.

Пример 2. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления образующих из атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение.Если элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства их изменяются от основных к амфотерным и кислотным. Например: оксиды и гидроксиды хрома, марганца, ванадия и др. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э-О и О-Н может протекать по двум направлениям:

основному - ЭОН D Э⁺ + ОН^- или

кислотному - ЭОН D ЭО ^- + Н⁺

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей и эффективными зарядами атомов. Приводим пример диссоциации амфотерных гидроксидов (амфолитов):

Э(ОН)_n D Эⁿ⁺+ nОН^-; Н_nЭО_n D nН⁺+ ЭО_nⁿ^-

основной тип кислотный тип

диссоциации диссоциации

В кислой среде амфолит проявляет основной, а в щелочной среде – кислотный характер.

Рассмотрим амфотерные свойства оксидов и гидроксидов хрома.

Приводим сокращенную электронную формулу атомов хрома: ₂₄Cr - … 3d⁵4s¹.

Хром образует оксиды: Cr⁺²O, Cr₂⁺³O₃, Cr⁺⁶O₃, которым соответствуют следующие гидроксиды:

Cr⁺²(OH)₂, Cr⁺³(OH)₃, H₂Cr⁺⁶ O₄ и H₂Cr⁺⁶₂O₇.

Для CrO и Cr(OH)₂ характерны основные свойства, для Сr₂O₃ и Cr(OH)₃ –

амфотерные свойства, для CrO₃, H₂CrO₄ и H₂Cr₂O₇ – кислотные свойства.

Приводим амфотерные свойства тригидроксида хрома:

Cr(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Cr(OH)₆]; Cr(OH)₃ + 3OH^- = [Cr(OH)₆]^3-.

В данной реакции Cr(OH)₃проявляет кислотные свойства.

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂О, Cr(OH)₃ + 3H⁺= Cr³⁺ + 3H₂O.

В данной реакции Cr(OH)₃ проявляет основные свойства.

Пример 3.Опишите химические свойства элемента с порядковым номером 14 по его положению в периодической системе.

Решение.Элемент с порядковым номером 14 находится в III периоде, IV группе. Это кремний. Электронная формула:

₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²,

сокращенная электронная формула 3s²3p². Это р-элемент. Атом кремния может отдать 2ē с р-подуровня, проявляя степень окисления +2 (образует SiO), а также 2ē с S-подуровня, при этом кремний проявляет степень окисления +4 и образует кислотный оксид SiO₂, которому соответствует кремниевая кислота H₂SiO₃. Кроме того, кремний образует газообразное водородное соединение SiH₄, где проявляет степень окисления –4, так как большинство элементов р-электронного семейства, в том числе кремний, обладают сродством к электронам, то есть присоединяют электроны до образования устойчивой 8-электронной структуры.

Пример 4. Рассчитайте число протонов и нейтронов в ядре атома технеция (изотоп с атомной массой 99).

Решение.Относительная атомная масса равна сумме масс протонов Z и нейтронов N. Число протонов в ядре Z определяет положительный заряд ядра, который численно равен порядковому номеру, то есть 43.

A = Z + N

Отсюда: Z = 43 протона, a N = 99 – 43 = 56 нейтронов.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Центральной проблемой химии является установление природы химической связи в молекулах. Впервые теория химического строения молекул А.М. Бутлерова была дана в 1861 году. Положениями этой теории являются: свойства веществ зависят не только от их состава, но и от химического строения и характера взаимного влияния атомов в молекулах.

Изучение природы взаимодействия атомов позволяет установить механизм образования и строения молекул и других частиц, что дает возможность предсказать реакционную способность, определить условия синтеза веществ с заданными свойствами.

Проблема установления химической связи получила дальнейшее развитие в работах Льюиса, Гейтлера, Лондона, Морковникова, Семенова, Полинга, Гунда и других.

По характеру распределения электронной плотности в молекулах химические связи традиционно подразделяются на ковалентные, ионные и металлические.

Для ковалентно-механического описания ковалентной связи и строения молекул применяются два подхода:

- метод валентных связей (МВС) и

- метод молекулярных орбиталей (ММО).

В основе МВС лежат следующие положения:

- ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами;

- ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются электронные облака взаимодействующих атомов.

Метод ВС прост, нагляден и позволяет предсказать свойства многих молекул, таких как пространственная конфигурация, полярность, энергия, длина связи и др.

Но метод валентных связей (ВС) не может объяснить целый ряд свойств и строение некоторых молекул: парамагнетизм молекулы О₂; большую прочность связей в молекулярных ионах F⁺₂и O⁺₂ по сравнению с молекулами F₂ и O₂; мéньшую прочность связи в ионе N⁺₂, чем в молекуле N₂; существование молекулярного иона Не⁺₂ и неустойчивость молекулы Не₂ и т.д.

Более плодотворным оказался другой подход к объяснению ковалентной связи – метод молекулярных орбиталей (МО). В методе МО состояние молекулы описывается как совокупность электронных молекулярных орбиталей. При этом число молекулярных орбиталей равно сумме атомных орбиталей.

Молекулярной орбитали, возникающей от сложения атомных орбиталей (АО), соответствует более низкая энергия, чем исходным орбиталям. Такая МО имеет повышенную электронную плотность в пространстве между ядрами, способствующую образованию химической связи и называется связывающей.

Молекулярной орбитали, образовавшейся от вычитания атомных орбиталей соответствует более высокая энергия, чем атомной орбитали. Электронная плотность в этом случае сконцентрирована за ядрами атомов, а между ними равна нулю. Подобные МО энергетически менее выгодны, чем исходные АО, они приводят к ослаблению химической связи и называются разрыхляющими.

Электроны, занимающие связывающие и разрыхляющие орбитали, называются соответственно связывающими (св) и разрыхляющими (разр).

Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Гунда.

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляют формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-, d – орбиталями молекулярные орбитали обозначаются греческим буквами σ, π, δ, φ.

По возрастанию энергии МО орбитали двухатомных молекул первого периода и начала второго периода (до N₂) можно расположить в следующем порядке:

σ^св1s < σ^разр 1s < σ^св 2s < σ^разр2s < π^c^в2p_y = π^c^в2p_z < σ^св2p_x < π^разр2p_y = π^разр2p_z < σ^разр2p_x

Молекулярные орбитали двухатомных молекул конца второго периода по возрастанию энергии располагаются в несколько иной ряд:

σ^св1s < σ^разр 1s < σ^св 2s < σ^разр2s < σ^св2p_x <π^c^в2p_y = π^c^в2p_z < π^разр2p_y = π^разр2p_z < σ^разр2p_x

Порядок связи в молекуле определяется разностью между числом связывающих и разрыхляющих электронов, деленной на два. Порядок связи может быть равен нулю, когда молекула не существует, целому или дробному положительному числу.

Примеры решения задач

Пример 1. Объясните механизм образования молекулы SiF₆ и иона [SiF₆]^2-

Решение. Приводим электронную формулу атома кремния:

₁₄Si-1s² 2s² 2p⁶ 3s²3p²

Подчеркнуты валентные электроны кремния.

Графические схемы распределения электронов по энергетическим ячейкам в:

а) невозбужденном состоянии:

3s 3p 3d

₁₄Si -…

3s 3p 3d

б) при возбуждении: ₁₄Si^* - …

Четыре неспаренных электронов возбужденного атома кремния могут участвовать в образовании четырех ковалентных связей с атомами фтора:

(₉F – 1s² 2s² 2p⁵),

имеющему по одному неспаренному электрону с образованием молекулы.

Для образования иона [SiF₆]^4-к молекуле SiF₄ присоединяются два иона F^-(1s² 2s² 2p⁶), все валентные электроны которых спарены. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счет пары электронов каждого из фторид-ионов и двух валентных 3d-орбиталей атома кремния.

Пример 2. Представьте электронную конфигурацию молекулы О₂ по методу МО.

Решение. Представим электронную конфигурацию молекулы О₂ по методу МО:

Электронная формула атома кислорода: ₈O – 1s²2s²2p²_x2p¹_y2p¹_z .

Размещение электронов по молекулярным орбиталям:

2O (1s²2s²2p_x²2p¹_y2p¹_z) =

= O₂{( σ^св1s)²(σ^разр 1s)²(σ^св 2s)²(σ^разр2s)² (σ^св2p_x )²(π^c^в2p_y)²(π^c^в2p_z)²(π^разр2p_y)¹(π^разр

2p_z)¹}

Определим порядок связи: П_св.= (10 – 6) / 2 = ⁴/₂ = 2

В молекуле кислорода две кратные ковалентные химические связи: O = O

Парамагнетизм молекулы кислорода объясняется тем, что на разрыхляющих π- молекулярных орбиталях содержится по одному неспаренному электрону.

Привет 3.В каком из соединений галогеноводородов связь является наиболее полярной?

Решение.Найдем разность относительных электроотрицательностей (ЭО) атомов галогенов и водорода.

	H – F	H – Cl	H – Br	H – I
ЭО	2,1 - 4,0	2,1 - 3,0	2,1 - 2,8	2,1 - 2,6
∆ЭО	1,9	0,9	0,7	0,5

Вывод:Связь является наиболее полярной в молекуле HF

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 137; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!