Методические указания, программа, решение типовых задач, программированные вопросы для самопроверки и контрольные задания для студентов-заочников инженерно-технических (нехимических) специальностей вузов общие методические указания

38. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4; l = 0; ml = 0; ms: = ± . Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите сколько свободных 3d-орбиталей содержит каждый из них. 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. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s-электрона на 4d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Периодическая система элементов Д.И. Менделеева Пример 1. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления. Решение. Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы Д.И. Менде­леева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2, nр6). Данные элементы находятся соответственно в VA-, VIA-, VIIA-группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2p3 s2p4 и s2p5- Ответ на вопрос см. в табл. 3. Пример 2. У какого из элементов четвертого периода— марганца или брома — сильнее выражены металлические свойства? Решение. Электронные формулы данных элементов 25Mn 1s22s22p63s23p63d54s2 35Br 1s22s22p6 3s23p6 3d10 4s2 4p5 Марганец — d-элемент VIIB- группы, а бром — p-элемент VIIA-труппы. 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. Они обладают только восста­новительными свойствами и не образуют элементарных 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 даже образуют элеме­нтарные отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свой­ства, более свойственны окислительные функции. Общей законо­мерностью для всех групп, содержащих р- и d- элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следо­вательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома. Пример 3. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления образующих их атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)? Решение. Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидрок­сидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э-O и О-Н может протекать по двум направлениям: Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссоциация по кислородному типу (II) протекает, если ЕО-H « ЕЭ-О (высокая степень окисления), а по основному типу, если Ео-н » EЭ-О (низкая степень окисления). Если прочность связей О-Н и Э-О близки или равны, то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по (I), и по (II) направлениям. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах): где Э — элемент; n— его положительная степень окисления. В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде — кислотный характер: К ОНТРОЛЬНЫ Е ВОПРОСЫ 41. Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета- и ортогерманиевой кислот, и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s- и p-элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему? Что такое электроотрицательность? Как изменяется элек­троотрицательность р - элементов в периоде, в группе периоди­ческой системы с увеличением порядкового номера? Почему? Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе, составьте формулы водородного соеди­нения германия, оксида молибдена и рениевой кислоты, отве­чающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основный характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия. Какой из элементов четвертого периода — ванадий или мышьяк — обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов? Марганец образует соединения, в которых о и проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV). У какого элемента четвертого периода — хрома или селена — сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения? У какого из p-элементов пятой группы периодической системы — фосфора или сурьмы сильнее выражены неметал­лические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов. Исходя из положения металлов в периодической системе, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более более сильное основание: Bа(ОН)2 или Mg(ОH)2; Ca(ОH)2 или Fe(OH)2; Cd(OH)2, или Sr(ОН)2? Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: СuОН или Cu(OH)2; Fe(ОН)2 или Fe(OH)3; Sn(OH)2 или Sn(OH)4? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II). Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения? Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6, Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (Ш). Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ. Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, иодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу? Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и иод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э205? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам и изобразите их графически? Химическая связь и строение молекул. Конденсированное состояние вещества Пример 1. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном (*) состояниях? Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора ... 3s23p3 (учитывая правило Хунда, 3s23px3py3pz) по квантовым ячейкам имеет вид: Атомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход одного Зs-электрона в Зd-состояние: Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном — пяти. Пример 2. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа АВn, если связь в них образуется за счет sp-, sp2 sp 3-гибридизации орбиталей атома А? Решение. Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только чистых АО, но и смешанных, так называемых гибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и с одинаковой энергией. Число гибридных орбиталей (q) равно числу исходных. Ответ см. в габл. 4. Таблица 4. Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул 33 2-136 Пример 3. Как метод молекулярных орбиталей (МО) описы­вает строение двухатомных гомоядерных молекул элементов второго периода? Решение. Метод валентных связей (ВС) не может объяснить целый ряд свойств и строение некоторых молекул (парамагнетизм молекулы 02; большую прочность связей в молекулярных ионах F2+ и О2+, чем, соответственно, в молекулах F2 и 02; наоборот, меньшую прочность связи в ионе N2+, чем в молекуле N2; сущест­вование молекулярного иона Не2+ и неустойчивость молекулы Не2 и т.п.). 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, способствует образованию химической связи и называется связывающей. Молекулярной орбитали, образовавшейся от вычитания атомной, 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, называют соответственно связывающими (св) и разрыхляющими (разр). Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Хунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности: На рис. 2 изображена энергетическая схема образования моле­кулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элементов второго периода. Число связывающих и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных Элементов. Буквами КК показано, что четыре ls-электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды? 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. Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH4+ и BF4- ? Укажите донор и акцептор. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеC1 в тетраэдрическое СН4 Какую ковалентную связь называют σ- связью какую π-связью? Разберите на примере строения молекулы азота. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами. 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? Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул НС1, HBr, HI имеет наибольший момент диполя? Почему? Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ — алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк — имеют указанные структуры? Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H2S и линейное молекулы С02? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы Не2 и молекулярного иона Не2+ по методу молекулярных орби­талей. Как метод МО объясняет устойчивость иона Не2+ и невоз­можность существования молекулы Не2? Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н20 и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги? 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. 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. Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают эти силы и какова их природа? Нарисуйте энергетическую схему образования молекуляр­ного иона Н2 и молекулы Н2 по методу молекулярных орбиталей. Где энергия связи больше? Почему? Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей (ВС) объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF3? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы 02 по методу молекулярных орбиталей (МО). Как метод МО объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F2 по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N2 по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

Похожие:

	Методические указания по выполнению графических работ для студентов... Методические указания предназначены для самостоятельного изучения предмета, выполнения контрольной работы и подготовки к экзамену...		Российской федерации Химия. Программа, методические указания, решение типовых задач и контрольные задания для студентов-заочников факультета механизации...
	Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников образовательных учреждений среднего профессионального образования...		Методические указания, программа и контрольные задания для студентов... Математика. Экономико-математические модели : программа, методические указания и контрольные задания для студентов 4 – 5-го курсов...
	Методические указания составлены в соответствии с примерной программой... Методические указания и контрольные задания для студентов заочников образовательных учреждений среднего профессионального образования...		Методические указания и контрольные задания для студентов заочного... Методические указания предназначены для студентов заочного отделения по специальности 120301 «Землеустройство» исодержат программу...
	Методические указания и задания по выполнению домашней контрольной... Методические указания и задания по выполнению домашней контрольной работы для студентов-заочников		Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников... Методические указания составлены в соответствии и примерной (рабочей) программой профессионального модуля пм. 01. Предоставление...
	Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников... Методические указания составлены в соответствии и примерной (рабочей) программой профессионального модуля пм. 02. Предоставление...		Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников... Методические указания составлены в соответствии и примерной (рабочей) программой профессионального модуля пм. 01. Ведение расчетных...