Задача 41

Укажите основные черты различия в свойствах двух элементов: а) одного и того же периода: калия и брома, калия и меди; б) одной и той же группы: хлора и марганца.

Задача 42

Какое место в Периодической системе занимают два элемента, один из которых характеризуется наибольшим значением ионизационного потенциала и электроотрицательности, а другой - наименьшим зна­чением этих величин?

Задача 43

Как изменяются свойства элементов главных подгрупп по периодам и в пределах одной группы? Что является причиной этих изменений? Назовите два резко отличающихся по своим свойствам элемента; а) од­ного и того же периода; б) одной и той же группы.

Задача 44.

Приведите примеры Р- элементов, которые в виде простых веществ являются металлами и неметаллами. Назовите гидроксиды элементов, относящиеся к классу кислот, оснований, проявляющие кислотно-основную двойственность.

Задача 45.

Атом элемента имеет электронную формулу 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3р⁵ Определите место элементов в Периодической системе и напишите для него электронные формулы иона Э^- и условного иона Э⁷⁺

Задача 46

Из двух элементов один образует ион Э³⁺, а другой - Э³⁺ .Оба иона имеют одинаковую электронную конфигурацию, которая выражается формулой 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶. Определите период, группу, подгруппу и порядковый номер каждого элемента.

Задача 47

Конфигурация валентных электронов в атомах двух элементов выражается формулами: а) Зs²3р² и 3d³4s² ; б) 3d ³ 4s² и 4s²4p³ . В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

Задача 48.

Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s- и р- элементов в группах Периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

Задача 49

Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность p -элементов в периоде, в группе Периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

Задача 50

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.

Задача 51

Какой из элементов четвертого периода - ванадии или мышьяк - обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов.

Задача 52

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.

Задача 53

Исходя из положения элементов в Периодической системе составьте формулы следующих соединении: метаванадиевой и рениевой кислот, оксида технеция, отвечающего его высшей степени окисления, и водородного соединения германия. Изобразите графически формулы соединений.

Задача 54

Исходя из положения металла в Периодической системе, дайте мотивированный ответ на вопрос: какого из двух гидроксидов более сильное основание: Ва(ОН)₂ или Мg(ОН)₂; Са(ОН)₂ или Fе(ОН)₂; Cd (ОН)₂ или Sr(OH)₂ ?

Задача 55

У какого из р -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.

Задача 56

Атомные массы элементов в Периодической системе непрерывно уве­личиваются, тогда, как свойства простых тел изменяются периоди­чески. Чем это можно объяснить. Дайте мотивированный ответ.

Задача 57

Какова современная формулировка Периодического закона? Объясните, почему в Периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу.

Задача 58

Перечислить электронные аналоги среди элементов VI группы Периодической системы элементов. Написать в общем виде электронные формулы валентных электронных подуровней атомов этих элементов.

Задача 59

Одинакова ли энергия ионизации атома цезия и атома лития, у которого валентный электрон предварительно возбужден на 6s -подуровень? Ответ обосновать.

Задача 60

Значение первых потенциалов ионизации элементов 1 группы Периодической системы элементов соответственно равны (в В): Li -5,4; Сs - 3,9; Сu - 7,7; Аg- 9,2. Указать: а) у элементов какой подгруппы 1 группы металлические свойства выражены более резко; б) чем объяснить различный ход изменения значений потенциалов ионизации в подгруппах.

Химическая связь и строение молекул.

Проблема химической связи и строения химических соединений - одна из важнейших проблем современной химии.

Образование химического соединения происходит потому, что оно более энергетически устойчиво. Атомы объединяются в молекулы при возникновении химических связей между ними. Число этих связей определяется валентностью данного атома. Так как основные особенности атома определяются свойствами электронов и их распределением вблизи ядра, то описание связей в молекуле состоит в том, чтобы найти распределение электронной плотности в этой молекуле. Эта задача очень трудна, поэтому для описания химических связей в любых молекулах в настоящее время наибольшее распространение получили упрощенные полуэмпирические методы - метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО). В основе этих методов лежат представления квантовой механики.

С точки зрения метода валентных связей механизм возникновения связи заключается в образовании электронных пар, при этом происходит частичное слияние одноэлектронных облаков двух атомов, что приводит к увеличению электронной плотности между ядрами этих атомов или к разрыхлению электронного облака и уменьшению электронной плотности. В первом случае возникают силы притяжения между атомами (электронные пары имеют противоположно направленные спины) во втором - силы отталкивания (спины одного и того же направления). Такая двухцентровая, двухэлектронная связь называется ковалентной.

По методу молекулярных орбиталей (МО) состояние электрона в атоме квантовой механиков описывается при помощи совокупности атомных орбиталей, каждая из которых характеризуется определенным набором атомных квантовых чисел. В методе МО состояние молекулы описывается как совокупность электронных молекулярных орбиталей, каждой из которых также соответствует определенный набор молекулярных квантовых чисел, характеризующих ее энергию и расположение в пространстве. Если теория ВС за атомами, входящими в состав молекулы, сохраняет их индивидуальность, то теория МО рассматривает молекулу как единую частицу. В отличие от атомных одноцентровых (одно ядро) молекулярные орбитали являются многоцентровыми. Заполнение молекулярных орбиталей происходит так же, как и атомных, с соблюдением принципа Пayли и правила Хунда.

Пример 1. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа AB_n , если связь в них образуется за счет 1p - ; 1р² -; - 1р³ -гибридизации орбиталей атома А?

Решение. Теория валентных связей (ВО) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только "чистых" АО, "смешанных", так называемых гибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей (g) равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в нижеприведенной таблице.

Гибридизация орбиталей и пространственная

конфигурация молекул

Тип молекулы	Исходные орбитали атома А	Тип гибридизации	Число гибридных орбиталей атома А	Пространственная конфигурация молекулы
АВ	s+р	sр	2	Линейная
АВ	s+р+р	sр	3	Треугольная
АВ	s+р+р+р	sр	4	Тетраэдрическая

Пример 2. Как метод молекулярных орбиталей (МО) описывает строение двухатомных гомоядерных молекул элементов второго периода?

Решение. Метод валентных связей (ВО) не может объяснить целый рад свойств и строение некоторых молекул (парамагнетизм молекулы 0₂; большую прочность связей в молекулярных ионах F⁺₂ и О⁺₂, чем, соответственно, в молекулах F₂ и О₂; наоборот, - меньшую прочность связи в ионе N ⁺, 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 атомных, соответствует более высокая энергия, чем атомным орбиталям. 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 (св.) и (разр.) электронами. Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Хунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности:

σ 1s<σ 1s<σ 2s<σ 2s<σ 2p <π 2р >π 2p <π 2p = π 2p <σ 2p_x

Следует отметить, что при образовании молекул B₂, С₂ и N₂ энергия связывающей σ2р_х -орбитали больше энергии связывающих 2р_y – и 2р_z - орбиталей, тогда как в молекулах 0₂ и F_2, наоборот, энергия связывающих 2p_y - и 2p_z - орбиталей больше энергии связывающей σ2p_x - орбитали. Это нужно учитывать при изображении энергетических схем (рис. 1) соответствующих молекул.

На рис. 1 изображена энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элементов второго периода. Число связывавших и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных элементов.

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

.

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляются формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначаются греческими буквами σ, π, δ, φ. Так, электронная конфигурация молекул O₂ описывается следующим образом:

O₂ [ KK(σ_s )² (σ_s )² (σ p )² (πp ) (πp_z )² πp πp ]

Буквами КК показано, что четыре 1s - электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь.

Пример 3. Рассчитайте, чему равен дипольный момент молекулы AsHз, если длина диполя равна 0,03·10^-10 м.

Решение. Напряженность поля, создаваемая диполем, пропорциональна дипольному моменту молекулы, представляющее собой произведение абсолютного значения заряда электрона g (1,60·10^-19 Кл) на расстояние l между центрами положительного и отрицательного зарядов в диполе: μ=gl .

μ=1,60·10^-19Кл · 0,03·10^-10м = 0,04·10^-29 Кл/м.

При решении задач этого раздела см. табл. 2-5 приложения.

Задача 61

Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекул H₂S и линейное молекулы CO₂ ?

Задача 62

Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул HCl, HB2, HI имеет наибольший момент диполя? Почему?

Задача 63

Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей (ВС) объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF₃?

Задача 64

Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NН₄ и BF₄ ? Укажите донор и акцептор.

Задача 65

Зная относительную электроотрицательность атомов в молекулах CsCl, CH₄ , SF₆ , определите: а) какая из молекул имеет больший электрический момент диполя; б) какой из атомов обладает большим сродством к электрону; в) к какому из атомов смещается общая электронная пара?

Задача 66

Вычислите электрический момент диполя молекулы NFз, зная, что длина диполя равна 4*10^-12 м. Какой тип связи в этой молекуле?

Задала 67

Электрические моменты диполя HСN и NH₃ равны соответственно 0,96·10^-30 и 0,46·10^-30 Кл·м. В какой молекуле связь более полярна?

Задача 68

Вычислите разность относительных электроотрицательностей атомов в молекулах ZnI₂ , CaS , SiO₂ . Какой тип химической связи в этих молекулах? Какая из молекул более полярна?

Задача 69

Электрический момент диполя молекулы H₂S равен 0,31·10^-29 _, а H₂Se - 0,08·10^-29 Кл·м. Определите, как относятся длины диполей обеих молекул.

Ответ:31: 8

Задача 70

Используя величины относительной электроотрицательность атомов, определите, к ядру какого атома смещается связующее электронное облако в соединениях К₂S, РСl₃, NO₂ . Укажите тип связи в каждой из них.

Задача 71

Длина диполя NH₂ равна 0,3·10^-10 м. Вычислите электрический момент диполя молекулы NH₃ . Какой тип связи в этой молекуле? Какую форму имеет молекула NH₃ ?

Задача 72

По разности относительной электроотрицательности атомов определите, какая молекула более полярна:a)H₂S или H₂O;6)BCl₃ или АlCl₃; в) SnO₂ или PbO₂. Укажите формы молекул этих веществ.

Задача 73

Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ (алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк) имеют указанные структуры?

Задача 74

Какой метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы BeCl₂ и тетраэдрическое СH₄?

Задача 75

Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы O₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Как метод МО объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода?

Задача 76

Нарисуйте энергетическую схему образования молекул F₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

Задача 77

Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н₂О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурax, чем их аналоги?

Задача 78

Основываясь на значениях относительных электроотрицательностей атомов, сделайте заключение о том, какая из образованных ими молекул должна быть более устойчивой: а) Н₂О или H₂S; 6) NH₃ или РН₃ ; в) BF₃.

Задача 79

Почему для молекул H₂S и НСl в отличие oт Н₂О и HF образование водородных связей не характерно?

Задача 80.

Какая связь в каждом из соединений HСlO, NaHSO₄ и КОН имеет наиболее ионный характер?