Решение типовых задач

I. Основные химические законы.

Пример 1. Сколько металла, эквивалентная масса которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см³ кислорода (н.у.)?

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

m_Ме V (О₂) m_Ме 310

m _э(Ме) = V_mэ (О₂) или 12,16 = 5600

откуда m_Ме = 12,16 ^. 310 : 5600 = 0,673 г.

Пример 2. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите эквивалентную массу металла (m_э(Ме)).

Решение. При решении задачи следует иметь в виду: а) эквивалент (эквивалентная масса) гидроксида равен сумме эквивалентов (эквивалентных масс) металла и гидроксильной группы; б) эквивалент (эквивалентная масса) соли равен сумме эквивалентов (эквивалентных масс) металла и кислотного остатка. Вообще эквивалент (эквивалентная масса) химического соединения равен сумме эквивалентов (эквивалентных масс) составляющих его частей.

Учитывая это, подставляем соответствующие данные в уравнение:

m₁ m₂ 3,85 m_э(Ме) + m_э(NO3^-₎

m_э(1) = m_э(2) получим 1,60 = m_э(Ме) m_э(OH^-₎

3,85 m_э(Ме) + 62

1,60 = m_э(Ме) + 17 ; m_э(Ме) = 15 г/моль

Пример 3. Плотность некоторого газа по воздуху составляет 1,1. Рассчитайте мольную массу газа, определите, какой двухатомный газ имеет такую плотность?

Решение: В предположении идеального газа моль любого газа занимает один и тот же объем 22,4 л (следствие из закона Авогадро), поэтому плотности газов оказываются пропорциональными их молярным массам:

ρ_г M_г

D_в (г) = — = — ,

ρ_в M_в

где D_в (г) — плотность газа Г по воздуху В, а M_г и M_в - молярные массы газа

и воздуха, соответственно.

Мольная масса воздуха считается равной 29 г/моль. Следовательно, мольная масса определяемого газа равна: М_г = 1,1 ^. 29 = 32 г/моль. Используя Периодическую систему элементов, определяем, что двухатомным газом с данной мольной массой может быть только кислород О₂, так как мольная масса элементарного кислорода составляет М_О = 16 г/моль.

Пример 4. Вычислить значение молярной массы вещества, если пары массой 2,6 г при температуре 87^оС и давлении 83,2 кПа занимают объем, равный 1200 мл.

Решение: Из уравнения Менделеева-Клапейрона PV = mRT / М выразим молярную массу и рассчитаем значение:

mRT 2,6 ^. 8,314 ^. 360

М = PV = 83,2 ^. 1,2 = 78 г/моль

II. Строение атома и систематика химических элементов. Периодический закон и периодическая система элементов д.И. Менделеева.

Пример 1. Написать электронную формулу и краткую электронную схему элемента с порядковым номером 22. К какому электронному семейству, периоду, группе, подгруппе он принадлежит? Указать конкурирующие подуровни.

Решение. Элементом с порядковым номером 22 является титан (Ti). Электронная формула имеет вид:

₂₂Ti 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d².

Два первых квантовых уровня полностью заполнены, поэтому электронную схему можно записать в кратком виде:

₂₂Ti s p d

3 4						
	

Титан относится к d-семейству, т.к. у него заполняется d-подуровень. 4s 3d являются конкурирующими подуровнями. Он находится в четвертом периоде, т.к. заполняется четвертый энергетический уровень (максимальное n равно 4), в четвертой группе: сумма электронов на конкурирующих подуровнях равна 4 (4s² 3d²), в побочной подгруппе – заполняются внешний и предвнешний энергетические уровни.

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов

₂₅ Mn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s²

₃₅ Br 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵

Марганец – d – элемент VIIВ – группы, а бром – р – элемент VIIА – группы. 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. У элементов 5 периода I группы с порядковыми номерами 37 и 47 имеется одинаковая электронная конфигурация внешнего уровня 5s¹. Почему эти элементы находятся в разных подгруппах? Ответ мотивировать электронным строением атомов этих элементов. Определить принадлежность данных элементов к электронному семейству. Какими свойствами обладают атомы этих элементов?

Решение. Элемент с порядковым номером 37 – рубидий. Его электронная формула: ₃₇Rb 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹.

Элемент находится в главной подгруппе, т. к. идет заполнение внешнего уровня n = 5. Рубидий относится к электронному s-семейству.

Элемент с порядковым номером 47 – серебро, электронная формула:

₄₇Ag 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹ 4d¹⁰.

Серебро находится в побочной подгруппе, т.к. идет заполнение внешнего и предвнешнего энергетических уровней (конкурирующие подуровни). У серебра наблюдается “провал” электрона с 5s- на 4d-подуровень, который объясняется более выгодным энергетическим состоянием атома (минимальный запас энергии). Серебро относится к d-семейству, т.к. последним заполняется d-подуровень.

Эти элементы обладают восстановительными свойствами (металлическими), т.к. на внешнем энергетическом уровне имеют по одному электрону, который они способны легко отдать.