Zadachi_po_khimii
.pdf
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Тема 1. Строение атомов и Периодический закон |
|
||
|
Д.И. Менделеева................................................................... |
6 |
|
Тема 2. Химическая связь и строение молекул............................... |
8 |
||
Тема 3. Термохимические расчёты ................................................ |
13 |
||
Тема 4. Направление химических реакций ................................... |
16 |
||
Тема 5. Кинетика химических реакций ......................................... |
19 |
||
Тема 6. |
Химическое равновесие..................................................... |
23 |
|
Тема 7. |
Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия ...................... |
27 |
|
Тема 8. |
Равновесия в водных растворах электролитов ................ |
38 |
|
Тема 9. |
Химические реакции в растворах ..................................... |
40 |
|
Тема 10. Окислительно-восстановительные реакции и редокс- |
|
||
|
потенциалы ......................................................................... |
44 |
|
Тема 11. |
Электродный потенциал и теория гальванического |
|
|
|
элемента .............................................................................. |
50 |
|
Тема 12. |
Коррозия металлов ............................................................ |
54 |
|
Тема 13. |
Электролиз ......................................................................... |
60 |
|
Тема 14. |
Органические соединения, полимеры. ............................ |
64 |
Методика самостоятельной работы. Основная форма работы студентов-заочников над изучаемым курсом – работа с книгой. Изучать курс рекомендуется по темам в следующем порядке:
1.Прочесть все разделы учебника, относящиеся к данной теме.
2.Детально изучить материал: усвоить теоретические положения, математические соотношения и принципы решения задач.
Контрольные задания. В процессе изучения курса химии студент должен выполнить два контрольных задания. Варианты заданий приведены на стр. 77-79.
Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена. Для замечаний следует оставлять поля. Решения задач необходимо
3
представлять в порядке, указаном в задании. Работа должна быть подписана и датирована. Работа отсылается в институт на рецензию. Если контрольная работа не зачтена, следует выполнить ее во второй раз в соответствии с указаниями рецензента и выслать на повторное рецензирование вместе с незачтенной работой.
Консультации. Для оказания помощи студентам в изучении и усвоении ими учебного материала проводятся устные и письменные консультации. За письменной консультацией следует обращаться на кафедру, устной – в учебно-консультационный пункт.
Лабораторные занятия. Для студентов, проживающих в Москве или в месте нахождения филиала, лабораторные занятия организуются в течение семестра. Остальные студенты выполняют работы в период лабораторно-экзаменационной сессии.
Зачет. Выполнив лабораторный практикум, студенты сдают зачет. Они должны объяснить результаты работы и выводы из них. Экзамен. К сдаче экзамена допускаются студенты, которые сдали зачет по лабораторному практикуму. Студенты, сдающие экзамен, предъявляют экзаменатору обе контрольные работы, отрецензированные и зачтенные преподавателем.
ПРОГРАММА КУРСА
Строение атомов и Периодический закон Д.И. Менделеева
Квантовые числа. Принцип Паули. Энергетические диаграммы атомов. Последовательность заполнения энергетических уровней. Правила Клечковского. Правило Хунда. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и энергетическая структура атомов. Электронные семейства элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации, cродство атома к электрону, электроотрицательность.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. I
[2], гл. II
Химическая связь и строение молекул
Типы химических связей. Метод валентных связей. Направленность ковалентной связи и строение молекул. Метод молекуляр-
4
ных орбиталей. Энергетические диаграммы двухатомных молекул. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Понятие о комплексных соединениях. Водородная связь. Классификация кристаллов по типу химической связи в них.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. II
[2], гл. III
Энергетика химических процессов и химическое сродство
Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические расчеты. Энтальпия образования химического соединения. Энергетические эффекты фазовых переходов. Экзотермические и эндотермические процессы. Понятие об энтропии. Изменение энтропии при химических процессах и фазовых переходах. Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах. Направленность химических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. V
[2], гл. I
Химическая кинетика и химическое равновесие
Скорость химических реакций в гомогенных и гетерогенных системах. Основной постулат химической кинетики. Температурная зависимость скорости химических реакций. Цепные реакции. Понятие о фотохимии и радиационной химии. Химические и фазовые равновесия. Принцип Ле Шателье.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. V1, VII [2], гл. I
Равновесия в растворах
Растворы. Равновесия в растворах электролитов. Сильные и слабые электролиты. Кислотно-основные свойства веществ. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Гидролиз солей.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. VIII или [2], гл. VI
5
Дисперсные системы и поверхностные явления
Основные виды дисперсных систем Поверхностные явления. Коллоиды и наносистемы. Получение, устойчивость. ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. VIII или [2], гл. VI
Электрохимические процессы
Электродные потенциалы. Водородный электрод. Ряд активности металлов. Теория гальванических элементов. Основные виды коррозии металлов. Методы защиты от коррозии. Химические реакции под действием электрического тока. Законы электролиза. ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. X, XI или [2], гл. VIII
Полимеры. Методы получения полимерных веществ
Реакции полимеризации. Радикальная и ионная полимеризация. Реакции поликонденсации. Аморфные и кристаллические полимеры. Релаксационные и ориентационные явления в полимерах. Механические и электрические свойства полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
[1], гл. XШ, ХIV
[2], гл. ХШ, ХIV
Основная литература
[1].Н.В. Коровин, и др. Курс общей химии. М.: Высшая школа. 1998, 558 с.
[2].А.Н. Харин, Н.А. Катаева, Л.Т. Харина. Курс химии. М.: Высшая школа. 1983. 431с.
Дополнительная литература
[4]А.В. Глинка. Курс общей химии. М.: Высшая школа. 1990.
[5]В.А. Киреев. Курс физической химии. М.: Высшая школа. 1975.
6
Тема 1. Строение атомов и Периодический закон Д.И. Менделеева
Пример 1. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит 2 электрона на 3d-подуровне. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент, как он называется и к какому электронному семейству относится?
Решение. Поскольку 3d-подуровень заполняется по правилу Клечковского только при заполненном 4s-подуровне, данный d-элемент (переходный металл) находится в четвертом периоде. Общее число валентных электронов с учётом 2 электронов на 4s- подуровне составляет 4, что соответствует 4 группе таблицы Менделеева. В побочной подгруппе четвёртой группы четвёртого периода расположен титан (Ti). Следовательно, два электрона на подуровне 3d имеются у атома титана.
Электронная формула атома Ti: 1s22s22p63s23p64s23d2. Титан относится к d-электронному семейству элементов, энергетическая диаграмма его атома с учетом правил Клечковского и правила Хунда имеет следующий вид:
4s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
↑↓ |
|
|
|
|
|
3d |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
3s |
|
3p |
|
↑ |
↑ |
|
|
|
|
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
↑↓ |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задачи
1.Перечислите квантовые числа, определяющие состояние электрона в атоме. Укажите, что они характеризуют.
2.Объясните, что означает термин «корпускулярно-волновой дуализм». Приведите уравнение движения электрона. Укажите физический смысл волновой функции.
3.Что определяет главное квантовое число? Какие значения оно может принимать? Рассчитайте максимальное количество электронов на N-уровне. Напишите электронные формулы титана и свинца. К каким семействам они относятся?
7
4.Что определяет орбитальное квантовое число? Какие значения оно может принимать? Рассчитайте максимальное количество электронов на d-подуровне.
5.Что называется электронной орбиталью? Какое квантовое число определяет пространственную ориентацию орбитали? Рассчитайте максимальное число орбиталей на f-подуровне.
6.Что определяет спиновое квантовое число? Какие значения оно может принимать? Сколько электронов могут занимать одну орбиталь и почему?
7.Сформулируйте принцип наименьшей энергии и правила Клечковского. Определите, энергия какого подуровня выше: 3d или 4p. Сравните электронное строение атомов и химические свойства хрома и брома.
8.Сформулируйте правило Хунда. Приведите схему распределения 6 электронов по орбиталям d-подуровня. Определите максимальную валентность фтора и хлора в соединениях.
9.Какие электроны называются валентными? Как определяется максимальная валентность элемента? На основе электронного строения укажите максимально возможную валентность элементов Са, N и Mn в соединениях, приведите примеры таких соединений.
10.Какие элементы относятся к s-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома Сs, опишите химические свойства этого элемента.
11.Какие элементы относятся к p-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома At, объясните химические свойства этого элемента.
12.Какие элементы относятся к d-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома Pt, объясните химические свойства этого элемента.
13.Какие элементы относятся к f-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетиче-
8
скую диаграмму атома Eu, объясните химические свойства этого элемента.
14.Сравните энергетические диаграммы атомов Nb и Sb. Объясните различия в химических свойствах этих элементов.
15.Составьте электронную формулу элемента, атом которого содержит 7 электронов на 5d-подуровне. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент? Перечислите его основные химические свойства.
16.Составьте электронные формулы атомов молибдена и теллура. На каких подуровнях расположены валентные электроны этих атомов? Объясните различия в химических свойствах этих элементов одной группы.
17.Напишите электронную формулу атома криптона. Объясните связь между строением атома и химической инертностью этого элемента.
18.Что такое энергия ионизации? Как изменяется восстановительная активность s- и p- элементов в группах Периодической системы с ростом заряда ядер их атомов?
19.Что такое сродство к электрону? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системе с ростом заряда ядер их атомов?
20.Объясните закономерности в изменениях от элемента к элементу по второму периоду: а) энергии ионизации; б) энергии сродства к электрону.
Тема 2. Химическая связь и строение молекул
Пример 1. Используя метод валентных связей, укажите для молекулы СН4:
1)тип химической связи, виды химических связей и их кратность;
2)атомные орбитали, участвующие в образовании связей, тип гибридизации;
3)конфигурацию молекулы, наличие или отсутствие дипольного момента.
9
Решение:
Между атомом углерода и атомами водорода возникает ковалентная слабополярная связь, так как различие между электроотрицательностями Н и С невелико. Образуются 4 σ–связи.
В образовании связей участвуют 4 sp3-гибридизованные орбитали одного атома С и s-орбитали 4-х атомов Н.
Молекула имеет тетраэдрическое строение, симметрична, поэтому дипольный момент молекулы равен нулю.
Пример 2. Используя метод молекулярных орбиталей, постройте для молекулы С2 энергетическую диаграмму и укажите:
1)число электронов на связывающих орбиталях;
2)число электронов на разрыхляющих орбиталях;
3)порядок связи;
4)магнитные свойства молекулы.
Решение: Энергетическая диаграмма молекулы С2.
Атом С |
Молекула С2 |
Атом С |
σ*2pz
π*2px π*2py
2p |
|
|
|
|
|
2p |
|
|
|
σ2pz
π2px π2py
1)4 электрона располагаются на двух π2p связывающих орбиталях и 2 электрона – на внутренней σ2s связывающей орбитали (на диаграмме не показана);
2)на внутренней σ*2s разрыхляющей орбитали (на диаграмме не показана) расположены 2 электрона;
3) порядок связи n = N связ − N раз = 2, где Nсвяз – число
2
электронов на связывающих орбиталях, Nраз – число электронов на разрыхляющих орбиталях;
10
4)молекула диамагнитна, так как все электроны спарены и суммарный спин частицы равен 0.
Пример 3. Используя метод валентных связей (МВС), определите перекрыванием каких атомных орбиталей образуются химические связи в молекулах PH3, Cl2, BH3? В какой из них в образовании связей участвуют sp2-гибридные орбитали?
Решение. Поскольку в состав данных химических соединений входят элементы с близкими значениями электроотрицательностей (см. табл. 1), это означает, что они образованы по ковалентному типу связи. Чтобы определить, какие орбитали перекрываются, надо выявить неспаренные (валентные) электроны в атомах взаимодействующих элементов.
Во внешней орбите атома фосфора неспаренными являются
электроны трех p-орбиталей: |
|
|
|
|
N=3 |
s |
p |
p |
p |
|
↑↓ |
↑ |
↑ |
↑ |
Именно они и участвуют в образовании связи с s-электронами трех атомов водорода
↓ ↓ ↓
причем спины электронов противоположно направлены. Таким образом, в молекуле PH3 образуются три ковалентные связи.
В молекуле Cl2 каждый из атомов имеет по одному неспаренному электрону на p-орбитали:
↑↓ ↑↓ ↑
Их перекрывание приводит к образованию одной ковалентной связи.
Атом бора при взаимодействии с атомами водорода находится в возбужденном состоянии, т.е. вместо одной s- и двух p- орбиталей образуются три sp2-гибридные (видоизмененные) орбитали:
sp
↑↑ ↑
11
Гибридные орбитали имеют ярко выраженный направленный характер. Перекрывание sp2-гибридных орбиталей с s-орбиталями трех атомов водорода приводит к образованию треугольной плоской молекулы BH3, в центре которой находится атом бора, а в вершинах – атомы водорода. В силу симметричности расположения связей молекула не имеет дипольного момента.
Задачи
21.Перекрывание каких атомных орбиталей приводит к образо-
ванию химической связи в молекулах H2S и CH4? Какова пространственная структура этих молекул? В какой из них возможна гибридизация атомных орбиталей?
22.Составьте электронные схемы строения молекул следующих
веществ: HI, F2O, SiO2, CS2. В какой из этих молекул ковалентная связь является наиболее полярной? Почему?
23.Перечислите основные типы химических связей. Укажите к
какому из них относится связь в молекулах LiF, H2O, N2. Чем определяется полярность ковалентной связи?
24.Рассмотрите с позиции метода молекулярных орбиталей
(МО) возможность образования молекул B2 и F2. Определите кратность связи для каждой молекулы. Какая из них является более устойчивой?
25.В каких из следующих веществ: BaO, CH4, SO3, AgBr имеется ионная связь? Напишите электронные уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.
26.Как возникает σ–связь, какие атомные орбитали могут участвовать в ее образовании? Ответ поясните на примере молекул НСl и ВеF2.
27.Какие типы химической связи имеются в следующих веще-
ствах: NH3, BF3, BaCl2.
28.Как возникает π–связь, какие атомные орбитали могут участвовать в ее образовании? Ответ поясните на примере молекул С2Н4 и СО.
29.Чем определяется насыщаемость ковалентной связи. Укажите кратность связи в молекулах СО и F2.