Химия

11

У селена происходит застройка р-подуровня, поэтому он относится к электронному семейству р-элементов; у скандия — застройка d-подуровня,

он относится к электронному семейству d-элементов.

Валентными электронами р-элементов являются s- и р-электроны внешнего квантового уровня. Для селена это 4s 2 4 p4 . Валентными электронами d-элементов являются s-электроны внешнего квантового уровня и d-электроны предвнешнего квантового уровня. Для скандия это 3d 1 4s 2 .

Значения квантовых чисел, характеризующих валентные электроны,

очевидны из вышеприведенных графических схем

34 Se

	Номер	Подуровень		Квантовые числа
	электрона		n	l	ml	ms
	29		4	0	0	1
		4s				2
	30		4	0	0	1
						2
	31		4	1	+1	1
						2
	32		4	1	+1	1
		4p				2
	33		4	1	0	1
						2
	34		4	1	-1	1
						2

21 Sc

	Номер	Подуровень		Квантовые числа
	электрона		n	l	ml	ms
	19		4	0	0		1
		4s					2
	20		4	0	0		1
							2
	21	3d	3	2	+2		1
							2
	Возможны и другие сочетания значений магнитного ml					и спинового ms
	квантовых чисел для незавершенных подуровней, если это не противоречит
	принципу Паули и правилу Хунда. Например, распределение электронов
	селена на 4р-подуровне можно в равной степени представить в виде
	вариантов:
	1)	2)	3)		4)

				12
ml 1 0 -1		ml 1 0 -1		ml 1 0 -1		ml 1 0 -1

Пример 3. Чему равен суммарный спин электронов в невозбужденном

атоме: а) селена; б) скандия? Сколько электронов в атоме каждого из этих элементов характеризуется: совокупностью главного и орбитального квантовых чисел n 3 ; l 2 ; орбитальным квантовым числом l 1?

Решение. Составим электронные формулы или графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам для данных элементов (см.

пример 2).

Согласно правилу Хунда, спины всех неспаренных электронов в атоме должны иметь одинаковый знак. Абсолютная величина суммарного спина электронов в атоме ( ms ) равна числу неспаренных электронов,

умноженному на абсолютную величину спина электрона.

В невозбужденном атоме селена ms 2 12 1 , а в невозбужденном атоме скандия ms 1 12 12 .

Совокупностью главного и орбитального квантовых чисел n 3 и l 2

характеризуются электроны 3d-подуровня. В атоме селена таких электронов

10, а в атоме скандия 1.

Орбитальным квантовым числом l 1 характеризуются электроны р-

подуровней. В атоме селена на втором и третьем квантовом уровнях находится по шесть p-электронов, а на четвертом - четыре. Таким образом, в

атоме селена всего 16 электронов с l 1. В атоме скандия по шесть р-

электронов на втором и третьем квантовых уровнях, т. е. всего 12 электронов

с l 1.

Контрольные задания

31—40. Выберите исходные данные в таблице 4 и приведите обоснованные ответы на вопросы.

1) Один из изотопов элемента имеет массовое число А. Каков заряд ядра его атома? Сколько электронов находится на всех электронных оболочках атома? Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома этого изотопа?

13

2)Напишите электронную формулу невозбужденного атома этого элемента, приведите графическую схему распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям).

3)К какому электронному семейству относится элемент?

4)Чему равен суммарный спин электронов в невозбужденном состоянии атома элемента?

5)Сколько имеется в атоме элемента электронов с орбитальным квантовым числом l?

Таблица 4 – Исходные данные к задачам №№ 31 – 40

	Номер	Элемент	А	l	Номер	Элемент	А	l
	задачи				задачи
	31	26 Fe	56	1	36	35 Br	79	1
	32	53 I	127	2	37	42 Mo	98	2
	33	25 Mn	55	2	38	24 Cr	52	1
	34	28 Ni	58	0	39	16 S	32	1
	35	27 Co	59	2	40	17 Cl	35	0

* Следует учесть «провал» электрона с внешнего s-подуровня.

41—50. Выберите исходные данные в таблице 5 и приведите

обоснованные ответы на вопросы.

1)Напишите электронную формулу невозбужденного атома элемента с зарядом ядра Z, приведите графическую схему распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям).

2)Укажите валентные электроны его атома. Для каждого из них приведите значения всех квантовых чисел.

3)Сколько в атоме данного элемента электронов с совокупностью главного и орбитального квантовых чисел n и l?

Таблица 5 – Исходные данные к задачам №№ 41 – 50

	Номер	Z	n	l	Номер	Z	n	l
	задачи				задачи
	41	38	5	0	46	39	3	1
	42	22	3	1	47	23	3	2
	43	41	4	2	48	33	3	2
	44	50	5	1	49	13	2	1
	45	20	4	0	50	51	4	2

14

51.Какие характеристики электрона и электронной орбитали в атоме отражает главное квантовое число n? Напишите электронную формулу атома серебра (учтите «провал» электрона с внешнего s-подуровня). Какие значения принимает n в атоме серебра? Сколько электронов в нем характеризуется каждым из значений n?

52.Какие характеристики электрона и электронной орбитали в атоме отражает орбитальное квантовое число l? Какие значения может принимать

l? Напишите электронную формулу мышьяка. Укажите электроны, для которых l 1. Сколько таких электронов в атоме мышьяка?

53. Какие характеристики электрона и электронной орбитали в атоме отражает магнитное квантовое число ml ? Какие значения может принимать ml ? Напишите электронную формулу цинка. Для каждого из электронов третьего квантового уровня атома цинка укажите значения главного,

орбитального и магнитного квантовых чисел.

54.Какие значения принимает спиновое квантовое число s? В чем заключается правило Хунда? Приведите графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям) в невозбужденных атомах марганца и сурьмы. Чему равна сумма спинов электронов в каждом из них?

55.В чем заключается принцип Паули? Какое максимальное число электронов могут содержать: а) квантовые подуровни 4s, 4р, 4d, 4f; б)

четвертый квантовый уровень. Почему? Напишите электронную формулу атома ксенона. Сколько в нем имеется вакантных орбиталей четвертого квантового уровня?

56.Используя правило Клечковского, расположите в порядке возрастания энергии подуровни 4р, 4s, 3d. Составьте электронные формулы атомов калия, скандия, галлия. К каким электронным семействам они относятся?

57.Почему квантовая механика исключает понятие орбиты как траектории электрона в атоме? Чем отличаются понятия орбита и орбиталь?

15

В атоме какого элемента реализуется структура двух последних квантовых уровней: 4s2 4 p6 4d 10 5s2 ? Составьте полную электронную формулу.

58. Какое уравнение отражает корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов? Почему и как реально проявляются волновые свойства электрона? Почему не проявляются волновые свойства макрообъектов,

например, теннисного мяча? Составьте электронную формулу атома криптона. Сколько орбиталей первых четырех квантовых уровней не заполнены электронами в атоме криптона? К каким подуровням они относятся?

59.Составьте электронную формулу атома аргона. Приведите по два катиона и аниона с такой же электронной формулой. Расположите эти частицы в порядке возрастания их радиуса. Ответ мотивируйте.

60.Атомы каких элементов имеют в невозбужденном состоянии на четвертом квантовом уровне только по два электрона? Напишите их электронные формулы. К каким электронным семействам относится каждый из них?

3. Периодический закон Д.И. Менделеева

Контрольные задания

61.Какие высшие степени окисления проявляют элементы третьего периода периодической системы: Na, Mg, Al, P, Cl? Напишите формулы оксидов и гидроксидов этих элементов в высшей степени окисления. Как изменяются в периоде кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов с увеличением заряда ядра атомов этих элементов? Почему?

62.Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов элементов А-подгруппы периодической системы? Составьте

молекулярное и ионно-молекулярное уравнения, доказывающие амфотерность гидроксида бериллия.

63. Какие степени окисления проявляет марганец? Напишите формулы его оксидов и гидроксидов. Как и почему изменяются их кислотно-основные

16

свойства с возрастанием степени окисления марганца? С какими степенями окисления марганца вещества могут проявлять свойства: а) только окислительные; б) только восстановительные; в) как окислительные, так и восстановительные? Приведите примеры соответствующих веществ.

64.Как изменяются окислительные и восстановительные свойства элементов VIIA-подгруппы периодической системы с увеличением заряда ядра атомов? Почему? Какая из двух реакций возможна:

1)I2 5Cl2 6H2O 2HIO3 10HCl

2)5I2 Cl2 6H2O 10HI 2HClO3

65.Какие высшие и низшие степени окисления проявляют элементы третьего периода периодической системы: Si, P, S, Cl? Приведите примеры

—напишите формулы соответствующих веществ. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства простых веществ в этом ряду?

Почему?

66. Какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: a)

LiOH или KOH ; б) Ca OH 2 или Ba OH 2 ; в) Ca OH 2 или Zn OH 2 ? Почему?

67.Известно, что только один из s-элементов образует амфотерный гидроксид. Дайте обоснованный ответ на вопрос, какой это элемент? В чем проявляется амфотерность гидроксида этого элемента? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

68.Что называется энергией ионизации и потенциалом ионизации? Как изменяется первый потенциал ионизации в подгруппе с увеличением порядкового номера элемента? Как изменяются восстановительные свойства элементов А-подгруппы от Be к Ra? Приведите обоснованные ответы.

69.Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов второго периода (Li, Be, В, С, N) в их высших степенях окисления. Как изменяется в этом ряду кислотно-основный характер гидроксидов? Приведите обоснованный ответ.

17

70. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний,

фосфор, сера и хлор? Почему? Приведите примеры соединений каждого из этих элементов в высшей и низшей степенях окисления.

71.Какие степени окисления проявляет хром? Напишите формулы его оксидов и гидроксидов. Как и почему изменяются их кислотно-основные свойства с возрастанием степени окисления хрома? Вещества с какими степенями окисления хрома могут проявлять свойства: а) только окислительные; б) только восстановительные; в) как окислительные, так и восстановительные. Приведите примеры соответствующих веществ.

72.Какие высшие степени окисления проявляют элементы четвертого периода периодической системы: Са, Ga, Ge, As, Se? Напишите формулы оксидов и гидроксидов этих элементов в высшей степени окисления. Как изменяются в этом ряду кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения,

доказывающие амфотерность гидроксида галлия.

73. Что называется энергией сродства к электрону и элекроотрицательностью? Как изменяется электроотрицательность р-

элементов в подгруппе с увеличением порядкового номера элемента?

Окислительные свойства какого из элементов — фосфора или сурьмы — выражены сильнее? Приведите обоснованный ответ.

74. Какой из двух сравниваемых элементов обладает более выраженными металлическими свойствами: а) ванадий или мышьяк; б)

галлий или мышьяк; в) висмут или мышьяк? Почему?

75. Как изменяются в ряду NH3 , PH3 , AsH3 , SbH 3 восстановительная активность и термическая устойчивость соединений? Почему?

76. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют водород,

хлор, фтор, кислород, сера? Дайте обоснованный ответ. Определите степени окисления атомов этих элементов в соединениях: CaH 2 , OF2 , HF , H2S , SO 3 ,

H2 O , Cl2 O7 .

18

77. Какой из двух сравниваемых гидроксидов и почему проявляет в большей степени основные свойства: а) CuOH или Cu OH 2 ; б) CuOH или

KOH ; в) Cu OH 2 или Ca OH 2 ?

78. Каковы для s- и p-элементов одного периода тенденции изменения радиуса атомов, энергии ионизации, энергии сродства к электрону,

электроотрицательности с увеличением порядкового номера элемента? Как изменяются окислительные и восстановительные свойства элементов третьего периода от натрия к хлору? Почему?

79. Приведите современную формулировку периодического закона.

Объясните, почему первопричиной периодичности является заряд ядра атома элемента, а не атомная масса или массовое число.

80.Как изменяется сила кислот в водных растворах галогеноводородов

вряду HF , HCl , HBr , HI ? Как изменяются восстановительные свойства анионов в ряду F- , Cl- , Br- , I- ? Могут ли эти анионы проявлять окислительные свойства? Приведите обоснованный ответ.

4. Химическая термодинамика1

Примеры решения задач

Пример 1. В каком направлении при стандартных условиях может самопроизвольно протекать реакция 3SO 2 г S ромб 2SO 3 г ? Ответ дайте на

основании расчетов изменения энергии Гиббса	реакции G2980 : а) по
значениям стандартных теплот образования f H 2980	: стандартных энтропии
S2980 веществ, участвующих в реакции; б) по значениям стандартных энергий
Гиббса образования f G2980 веществ, участвующих в реакции.

Решение. Проводим расчеты для реакции протекающей в прямом направлении.

а) Изменение энергии Гиббса реакции определяем по уравнению:

G2980 H 2980 T S2980 ,

1 Для решения задач этого раздела следует использовать Приложения 1-3

3SO 2 г

2SO 3 г

S ромб

19

где Т — абсолютная температура (для стандартных условий T 298 К); H 2980

— изменение энтальпии реакции; S2980 — изменение энтропии реакции. Для энтальпии и энтропии, функций состояния:

H 0 i H 0 j H 0 ,

298 f 298 прод f 298 исх

S 0 iS 0 jS 0 ,

298 298 прод 298 исх

где i, j — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Для данной реакции, используя справочные данные, находим:

H2980 f H2980 , S 2 f H2980 , SO3 3 f H2980 , SO2 2 395,2 3 296.9 100,3 кДж.

Поскольку H 2980 0 , реакция эндотермическая.

S2980 S2980 , S 2S2980 , SO3 3S2980 , SO2 31,9 2 256,2 3 248,1 200,0 Дж/К = –0,200 кДж/К

G2980 100,3 298 0,200 159,9 кДж.

б) Поскольку энергия Гиббса является, как энтальпия и энтропия,

функцией состояния, справедливо уравнение:

G0 i G0 j G0 .

298 f 298 прод f 298 исх

Для данной реакции:

G2980 f G2980 , S 2 f G2980 , SO3 3 f G2980 , SO2 2 370,4 3 300,2 159,8 кДж.

Результаты расчетов двумя способами совпадают.

Для обратной реакции изменение энергии Гиббса будет составлять ту

же величину с противоположным знаком: G0 159,8 кДж.

298 обратн.

Поскольку критерием самопроизвольного протекания реакции является

уменьшение энергии Гиббса, т. е. G 0 , реакция при

стандартных условиях самопроизвольно может протекать в обратном направлении.

Пример 2. Определите температуру TH	при	которой	установится
равновесие реакции CaO к CO2 г CaCO3 к .
При какой температуре Т (T TH	или	T TH )	возможно

самопроизвольное протекание этой реакции в прямом направлении? Как при

этом изменяется энтропия? Почему?

G2980

G2980

T TH .

20

Решение. Изменение энтальпии реакции:

H 0 f HCaCO0 3 f HCaO0 f HCO0 2 1206 635,1 393,5 177,4 кДж.

Реакция экзотермическая, поскольку H 0 0 .

Изменения энтропии реакции:

S 0 SCaCO0 3 SCaO0 SCO0 2 92,9 39,7 213,6 160,4 Дж/К = –0,1604 кДж/К.

Энтропия, характеризующая степень неупорядоченности в системе,

уменьшается, так как из наиболее неупорядоченной газовой фазы образуется наиболее упорядоченная — кристаллическая.

Равновесие устанавливается при условии G0 H 0 TH S 0 . Отсюда температура, при которой это происходит:

T		H 0		177,7	1106	К.
H		S 0		0,1604
В данной реакции H 0	0 , а T S 0 0 . Следовательно, G0 может быть

отрицательным при относительно низких температурах. Самопроизвольное протекание реакции возможно при температурах

Пример 3. Рассчитайте реакции MeO к Ca к Me к CaO к , где

Me — Cu; Zn; Fe. Расположите оксиды металлов в порядке уменьшения их окислительной активности.

Решение. Воспользуемся наиболее простым способом расчета

реакций по энергиям Гиббса образования участников реакции (см. пример 1,

б): G0

G0

G0

G0

f

G0

.

298

f

298, Me

f 298, CaO

f 298, MeO

298, Ca

Поскольку энергии Гиббса образования простых веществ равны нулю,

получим: G0

G0

G0

.

298

f 298, CaO

f 298, MeO

Подставим конкретные значения:

1)

для реакции

СuO Ca Cu CaO

G0

604,2 129,7 474,5

кДж;

298 1

2)

для реакции

ZnO Ca Zn CaO

G0

604,2 319,0 285,2

кДж;

298 2

3)

для реакции

FeO Ca Fe CaO

G0

604,2 239,3 364,9 кДж.

298 3