Контрольное задание № 1

Основные понятия и законы химии.

Все вещества состоят из химических элементов. Химический элемент - вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств, или вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Атом - наименьшая частица элемента, сохраняющая его свойства. Атомной массой называется масса атома_, выраженная в а.е.м. (атомная единица массы). 1 а.е.м. = 1,6610^-27 кг. Атомная масса элемента указана в периодической таблице.

Молекула - наименьшая частица простого или сложного вещества, сохраняющая его свойства.

Моль - это количество простого или сложного вещества, которое содержит столько структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов), сколько их находится в 12 г изотопа углерода ¹²С, а именно 6,02  10²³ (число Авогадро).

Молярная масса - это масса числа Авогадро структурных единиц вещества. Молярную массу выражают в г/моль, кг/моль.

Для проведения расчетов часто необходимо знать массу нескольких молей или, наоборот, найти, сколько молей заключено в данной массе вещества. Количество молей простого или сложного вещества n находят из отношения массы m этого вещества к его молярной массе М:

.

Пример 1. Сколько молей заключено в 90 г воды?

Решение: М_H2О = 18 г/моль, m = 90 г.

Для вывода простейшей формулы вещества достаточно знать его состав и атомные массы образующих данное вещество элементов.

Пример 2. Найти простейшую формулу соединения, содержащего 12 % углерода, 40 % кальция, 48 % кислорода.

Решение. Обозначим числа атомов углерода, кальция и кислорода в простейшей формуле соединений через x, y и z. Атомные массы этих элементов равны 12, 40 и 16. Поэтому массы углерода, кальция и кислорода относятся как 12x : 40у : 16 z. По условию задачи это отношение равно 12 : 40 : 48. Следовательно, 12x : 40y : 16 z = 12 : 40 : 48, откуда

X : Y : Z =12/12 : 40/40 : 48/16 = 1: 1 : 3.

Таким образом, простейшая формула соединения CaCO_3.

Абсолютные массы атомов и молекул могут быть найдены через число Авогадро. Если в моле любого вещества содержится 6,02∙10²³ молекул или атомов, то, зная массу моля (молярную массу), можно найти массу атома или молекулы. Пример 3. 1) Какова масса атома кремния; 2) молекулы гипса.

Решение.1) М_Si = 28г/моль;

m_{Si = =} 4.15∙10^-23 г

2) МCaSO₄∙2H₂O = 172 г/моль;

m_CaSO4∙2H2O = .

Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. Следствие из закона Авогадро: моль любого газа при нормальных условиях (температура 273К и давление 101,325 кПа) занимает объем 22,4 д. Этот объем называется молярным объемом (V_m).

Пример 4. Вычислить объем, занимаемый при н.у. 64 г кислорода. 2 моль = 44,8 л,

; V= V_m ∙n = 22,4г/моль∙2 моль = 44,8г.

Решение M _O =32 г/моль.

Если газ измерен в условиях, отличных от нормальных, то для расчета молярной массы можно воспользоваться уравнением Менделеева - Клапейрона:

PV= RT,

где P-давление газа, Па; V - объем газа, м³. m - масса газообразного вещества, г; М - молярная масса газа, г/моль; Т - абсолютная температура, К; R - универсальная газовая достоянная, равная в системе СИ 8,314 Дж/моль∙K

Эквивалентом вещества (э) называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Эквивалентной массой (Э_m) называется масса 1 эквивалента вещества.

Пример 5. Определить эквивалент и эквивалентные массы элементов в соединениях HJ, H₂S, NН₃.

Решение. В указанных соединениях с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов йода, 1/2 моля атомов серы и 1/3 моля атомов азота.

Следовательно, согласно определению, эквиваленты йода, серы и азота соответственно равны: 1 молю, 1/2 и 1/3 моля. Исходя из мольных масс атомов этих элементов, находим, что эквивалентная масса йода равна 126,9 г/моль, серы - 32 . 1/2= 16 г/моль, азота - 14∙1/3 = 4,67 г/моль. Эквивалентный объем (Э_\/) - это объем, занимаемый одним эквивалентом данного газообразного вещества при данных условиях.

Закон эквивалентов: массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m₁ и m₂ пропорциональны их эквивалентным мас­сам (объемам):

(1)

Пример 6. На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л, водорода (н.у.) Вычислить эквивалентную массу оксида и эквивалентную массу металла. Чему равна атомная масса металла?

Решение. Согласно закону эквивалентов:

. (2)

Эквивалентный объем водорода Vmэ(H₂) , молекула которого состоит из двух атомов, т.е. содержит два моля атомов водорода, равен 22,4 : 2 =11,2 л. В формуле (1) - отношение m_H2/m_э(H2). Заменяем равным ему отношением V_H2/V_mэ(H2) , где V_H -объем водорода: Vтэ(Н₂) - эквивалентный объем водорода:

. (3)

Из уравнения (2) находим эквивалентную массу оксида металла m :

;

г/моль

Согласно закону эквивалентов m = m _{+ m} , отсюда

m = m - m = 35,45 – 8 = 27,45 г/моль. Молярная масса металла определяется из соотношения m_э =А/В, где m_э - эквивалентная масса, А - мольная масса металла, В - стехиометрическая валентность элемента; А =m_э ∙ B =27,45∙2 = 54,9 г/моль. Так как атомная масса в а.е.м. численно равна молярной массе, выражаемой в г/моль, то искомая атомная масса металла 54,9 а.е.м.

Пример 7. Сколько металла, эквивалентная масса которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см³ кислорода (н.у.)?

Решение. Так как молярная масса О₂ (32 г/моль) при н.у. занимает объем 22,4 м, то объем эквивалентной массы кислорода (8 г/ моль) будет 22,4 : 4 = 5,6 л = 5600 см³. По закону эквивалентов

, или

откуда m_me = 12,16∙310/5600= 0,673 г.

Пример 8. Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы H SO 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. Эквивалент (эквивалентная масса) сложного вещества, как и эквивалент (эквивалентная масса) элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основная) равна молярной массе (M), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гидроксильных групп). Следовательно, эквивалентная масса H₂SО₄ в реакции (1) М_H2SO4 = 98 г/моль, а в реакции (2) M_H2SO4 / 2 = 49 г/моль. Эквивалентная масса Al(OH)₃ в реакции (3) М_Al(OH) = 78 г/моль, а в реакции (4) M_AL(OH) / 3 = 26 г/моль.

Задачу можно решить и другим способом. Так как H₂SO₄ взаимодействует с одной эквивалентной массой КОН и двумя эквивалентными массами магния, то ее эквивалентная масса равна в реакции (1) M/1 г/ моль и в реакции (2) М/2 г/ моль. Al(OH)₃ взаимодействует с одной эквивалентной массой НСl и тремя эквивалентными массами HNO₃, поэтому его эквивалентная масса в реакции (3) равна м/1 г/моль, в реакции (4) М/3 г/моль. Эквиваленты Н₂S0₄ в уравнениях (1) и (2) соответственно равны 1 моль и 1/2 моль; эквиваленты AL(ОН)₃ в уравнениях (3) м (4) соответственно равны 1 моль и 1/3 моль.

Задача 1

Выразить в молях: а) 6,02·I0²¹ молекул С0₂; б) 1,2·10²⁴ атомов кислорода; в) 2,0·10²³ молекул воды. Чему равна молярная масса указанных веществ?

Задача 2

Определите эквивалент и эквивалентную массу фосфора, кислорода и брома в соединениях РН₃ , H₂O, HB₂.

Задача 3

Из 1,3 г гидроксида металла получается 2,85 г его сульфата. Вычислите эквивалентную массу этого металла.

Ответ: 9 г/моль.

Задача 4

В какой массе NaOH содержится столько же эквивалентов, сколько в 140 г КОН?

Ответ: 100 г.

Задача 5

Химическим анализом установлено наличие в веществе: 40% меди, 20% серы и 40 % кислорода. Определить его простейшую формулу.

Задача 6

Найти простейшую формулу вещества, в состав которого входят водород, углерод, кислород и азот в соотношений масс 1: 3: 4: 7 .

Задача 7

При окислении 16,74 г двухвалентного металла образовалось 21,54 г оксида. Вычислите эквивалентные массы металла и его оксида. Чему равны мольная и атомная массы металла?

Задача 8

Вывести формулу кристаллогидрата хлорида кальция, зная, что 7,3 г кристаллогидрата теряет при обезвоживании 3,6 г воды.

Ответ: CaCl₂ ∙ 6H₂O

Задача 9

Определить массу и число атомов железа в сульфате железа (III).

Задача 10

Определить массу натрия, которая потребуется для реакции с кислородом, содержащим 6 ,02∙10²³ молекул.

Задача 11

В состав 1 моль оксида серы входит 6,02∙10²³ атомов серы и 18,06∙10²³ атомов кислорода. Определить формулу оксида, а также массу серы в 8 г железа.

Задача 12

Сколько необходимо малахита (СuОН)₂СО₃, чтобы при его полном разложении получилось: а) 0,25 моль Сu0 (оксида меди); б) 0,2 моль воды; в) 224 л С0₂ (диоксида углерода) (н. у.).

Ответ: 2220 г.

Задача 13

Вычислить массу 1 м³ воздуха при 17°С и давлении 83,2 кПа.

Ответ: 1 кг.

Задача 14

Вычислить эквиваленты и эквивалентные массы Al(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями: Al(OH)₃+HCl=Al(OH)₂Cl+H₂O

Al(OH)₃+3HNO₃=Al(NO₃)₃+3H₂O

Ответ: 78 г/моль,

26г/моль.

Задача 15

Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) дигидрофосфата калия; б) нитрата дигидроксовисмута (III). Напишите - уравнение реакций этих веществ с КОН и определите их эквиваленты и эквивалентные массы.

Задача 16

При 17°С и давлении 104 кПа масса 624 мл газа равна 1,56 г. Вычислить молекулярную массу газа.

Ответ: 49,0 г/моль,

Задача 17

Вычислить мольную массу газа, если масса 600 мл его при нормальных условиях равна 1,714 г.

Ответ: 64,0 г/моль.

Задача 18

При окислении 4,08 г металла образовалось 14,06 г оксида. Определить эквивалентную массу металла.

Ответ: 3,27 г/моль,

Задача 19

При растворении 0,03 г металла в кислоте выделилось 28 мл водорода, измеренного при н.у. Определить эквивалентную массу металла и его атомную массу, если металл двухвалентен.

Ответ: 12 г/моль;

24 а.е.м.

Задача 20

В каком количестве сероуглерода содержится столько же молекул, сколько их в 3·10^-3 м³ воды?

Ответ: 12,64 кг,

СТРОЕНИЕ АТОМА.

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение. Движение электрона в атоме носит 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, m).Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям квантовых чисел n, l и m, называется атомной электронной орбиталью. .

Энергия электрона в атоме достаточно точно определяется для так называемых разрешенных (допустимых) состояний, которым соответствует конкретный набор значений трех квантовых чисел. Такое разрешенное состояние называют орбиталью. Обозначение орбитали производят при помощи комбинации цифр и букв. Главное квантовое число n обозначается целым числом 1,2,3 и т.д. Оно определяет энергию электрона на орбитали и ее размер (среднее расстояние от ядра до периферии орбитали). Орбитальное квантовое число, обозначающееся при помощи букв s, р, d, f и т.д., соответствующих значениям l=0,1,2,3..., определяет форму орбитали. Магнитное квантовое число m указывает ориентацию орбитали в пространстве. Например, p - орбитали ориентированы вдоль осей координат x , y , z - Р_x , P , Р_z . Значение трех квантовых чисел и их зависимость (l от n и m от l) определяют разрешенные уровни и подуровни (оболочки и подоболочки). Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором квантовых чисел, поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_s=± 1/2).

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Атомные орбитали, которым отвечают значения l, равные 0,1,2 и 3, называются соответственно s-, p-, d- и f- орбиталями. В графических схемах электронного строения атомов каждая орбиталь обозначается символом . При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он имеет наименьшую энергию - меньшую сумму n+l (правило Клечковского).

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид:

S 1s 2s 2p 3s 3p

Ti 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Графически схема заполнения электронами этих орбиталей имеет следующий вид:

Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда).

Пример 3. Вычислите квант энергии желтого света (λ=589 нм), поглощающего или выделяемого физическим телом.

Решение. Квант энергии - мельчайшая порция энергии, выделяемая или поглощаемая при энергетических переходах внутри атома. Согласно теории Планка: Δ Е= h·ν , где h - постоянная Планка, равная 6 ,63·10^-34 Дж·с; -частота излучения , вычисляется по формуле:ν=c \  = 5,09·10¹⁴ c^-1, значит

ΔE=h··ν = (6,63·10 Дж·с)(5.09·10 с ) = 3,37·10^-19 Дж.

Согласно теории Планка, атом или молекула, излучающие или поглощающие энергию с длиной волны 589 нм, могут терять или приобретать энергию только порциями, кратными величине 3,37 · 10^-19 Дж. Например, могут получить энергию 6,74 · 10^-19 Дж, но не 5,22 · 10^-19 Дж.

Пример. 4. Какова характерная длина волны электрона, имеющего скорость 5,97·10⁶ м/с (масса электрона 9,11·10^-28 г)?

Решение. Длина волны электрона вычисляется по формуле

λ= ,

где h- - постоянная Планка; m - масса частицы, кг; V - скорость движения электрона, м/с.

λ=

Пример 5. Вычислите частоту линии в спектре атомарного водорода, которая соответствует переходу электрона из состояния с n = 4 в состояние с n = 2.

Решение:

Δ Е =h · ν = R ( ,

где R_H - постоянная Ридберга, Дж.

Отсюда частота линии равна:

 =

Отрицательный знак величины указывает на то, что атом испускает свет. Полученные значения ν можно использовать для вычисления длины волны излучения.

.

Задача 21.

Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня, атомов некоторого элемента имеют следующие значения: n = 4; l = 0; m = 0; m_s = ±1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите, сколько свободных 3 d –орбиталей содержит.

Задача 22

Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается формулой: a) 5s² 5р⁴; б) 3d⁵4s¹ . Определите порядковый номер и название элемента.

Задача 23

Какое число электронов содержит атом, если следующий электрон должен сделать выбор между 5s- и 4d- АО? Какую из них и почему он предпочтет? Атом какого элемента при этом образуется?

Задача 24

В атоме элемента находится 5 электронных слоев и 7 внешних электронов. Какими квантовыми числами они характеризуются?

Задача 25

Сколько электронных слоев и какое число электронов содержит атом с внешним электронным слоем: а) 4s²4p²; б)5s²5p⁶ ?

Задача 26

Для скольких АО сумма n + l = 8? Есть ли такие орбитали у электронов периодической системы? Атомы каких элементов имеют наибольшее значение суммы n+l?

Задача 27

Каковы значения квантовых чисел n , l , m для орбиталей 4f подоболочки?

Задача 28

Желтый свет, испускаемый при внесении солей натрия в пламя горелки, имеет длину волны 589 нм. Какова частота этого излучения?

Ответ: 5,09 ·10¹⁴ с^-1

Задача 29

Скорость движения электрона равна 2·10⁸ м/с. Рассчитайте длину волны электрона.

Задача 30

Масса фотона равна массе электрона (9,108·10^-3 кг). Какая длина волны соответствует этому фотону?

Задача 31

Чему равна энергия кванта света с длиной волны 5,7·10^-7 м?

Ответ: 3,4410^-9Дж

Задача 32.

Длина волны электрона 0,242·10^-7 м. Вычислите скорость движения электрона.

Ответ: 3,0·10⁴ м/ с.

Задача 33

Чему равна энергия перехода между 4-м и 3-м энергетическими уровнями в атоме водорода?

Задача 34.

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

Задача 35.

Один квант света (фотон) несет энергию, равную 3,06´10^-19Дж. Какой длине волны, частоте колебании это соответствует?

Ответ: 649 нм; 4,62´10¹⁴с^-1 .

Задача 36

Вычислите энергию фотона в пучке желтого цвета, для которого λ = 589 нм.

Ответ: 3,37·10^-19 Дж.

Задача 37

Какой энергии (ΔЕ) соответствует линия в спектре неона, если ее λ = 185 нм?

Ответ: 1,07·10^-18 Дж.

Задача 38.

Определите энергию кванта излучения атома ртути (эВ) при длине волны излучения 253,7 и 185,0 нм.

Ответ: 4,89 и 6,69 эВ.

Задача 39.

Разница двух энергетических состояний электрона (ΔЕ) равна 195,25 кДж/моль. Какой в этом случае должна быть частота поглощаемого или излучаемого света?

Ответ: 4,84 · 10¹⁴ с^-1

Задача 40

Какую энергию несут кванты света с длиной волны 550 и 500 нм? Первые соответствуют желтой, а вторые - зеленой области видимой части спектра электромагнитного излучения.

Ответ: 3,611· 10^-19 и

3,972 · 10^-19 Дж