53

53

Красноярская Государственная академия цветных металлов и золота

Кафедра Неорганической и аналитической химии

Неорганическая химия Методические указания

по решению типовых задач и контрольные задания для студентов нехимических специальностей заочной формы обучения, выполняющих одну контрольную работу

Красноярск 1999

УДК 541.001.12.

Неорганическая химия. Методические указания по решению типовых задач и контрольные задания для студентов нехимических специальностей заочной формы обучения, выполняющих одну контрольную работу

Сост. М.Г Почекутова. , Л.Н.Корытцева; ГАЦМиЗ. –Красноярск, 1999:64 с

Приведены примеры и решения задач по некоторым разделам курса “Химия” с кратким изложением основных положений теори

Печатается по решению редакционно-издательского совета академии.

Редактор

Лицензия лр № 020374 от 22. 01. 97.

Подписано в печать Формат 60 х 84 / 16. Бумага тип.

Офсетная печать. Усл. печ. л 4,0.. Уч. Изд. л. 3,0 Тираж 500 экз.

Редакционно-издательский отдел ГАЦМиЗ

660025, Красноярск, пр. Красноярский рабочий,95

Отпечатано на ротапринте ф. №5 п/о «Сибирь»

660025, Красноярск, пер. Вузовский, 3

 Красноярская государственная академия цветных металлов и золота, 1998

Содержание дисциплины

1. Строение атома и периодическая система

Д. И. Менделеева

1.1. Строение атома.

1.2. Периодическая система Д.И.Менделеева

2. Общие закономерности химических процессов.

2.1. Энергетика химических процессов

(термохимические расчеты).

2.2. Энтропия реакции. Энергия Гиббса.

2.3. Химическая кинетика и равновесие.

3. Растворы электролитов.

3.1. Диссоциация кислот, оснований и солей в воде.

3.2. Ионно-обменные реакции.

3.3. Гидролиз солей.

4. Окислительно-восстановительные реакции.

5. Электрохимические процессы

5.1. Гальванический элемент.

5.2. Электролиз

5.3. Коррозия металлов.

6. Химия металлов

7. Литература

Контрольные задания

Каждый студент выполняет вариант заданий, обозначенный двумя последними цифрами номера студенческого билета. Например, номер студенческого билета 99585, две последние цифры 85, им соответствует вариант контрольного задания 85.

Строение атома и периодическая таблица д. И. Менделеева

1.1. Строение атома

В 1911 г. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели: а) в центре атома имеется положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; б) вокруг ядра по орбитам двигаются отрицательно заряженные электроны; в) размеры атомного ядра на много порядков меньше размера самого атома

Положение электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами, которые характеризуют энергетическое состояние электронов в атоме. Существует 4 квантовых числа.

Главное квантовое число n характеризует энергию электрона на энергетическом уровне и принимает значения ряда натуральных чисел: n = 1, 2, 3, 4 …

Чем больше n , тем больше энергия электронов на энергетическом уровне, тем выше энергетический уровень. В пределах энергетического уровня электроны имеют разную форму электронных орбиталей, т.е. энергетический уровень делится на подуровни.

Орбитальное квантовое число характеризует энергию электрона на подуровне и форму орбитали. принимает значения от 0 до (n –1). = 0, 1, 2, 3 … ( n - 1 )

Между n и существует зависимость (число подуровней равно номеру энергетического уровня):

n = 1, ℓ = 0 ( s – подуровень), 1s;

n = 2, ℓ = 0,1 ( s и р – подуровни), 2s 2р;

n = 3, ℓ = 0,1,2 ( s,р,d – подуровни), 3s3p3d;

n = 4, ℓ = 0,1,2,3 ( s,р,d,f – подуровни), 4s4p4d4f.

Магнитное квантовое число характеризует направление орбитали в пространстве и принимает значения ( - …0…+ ). Магнитное квантовое число определяет количество орбиталей на подуровне (табл.1)

Таблица 1

Набор квантовых чисел

-орбитальное квантовое число	- магнитное квантовое число	Кол-во орбиталей на подуровне
0 ( s )	0	1
1( p )	-1 0 +1	3
2 ( d )	-2 –1 0 +1 +2	5
3( f )	-3 –2 –1 0 +1 +2 +3	7

Спиновое квантовое число характеризует направление вращения электрона вокруг собственной оси и принимает значения ( +1/2 ( по часовой стрелке ); -1/2 ( против часовой стрелки ).

Электроны застраивают многоэлектронный атом в соответствии с принципом Паули, правилом Гунда и правилом Клечковского.

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел. При одинаковых n, и m электроны должны отличаться спиновым квантовым числом.

Следствие I из принципа Паули: количество электронов на подуровне равно 2(2 + 1). Более конкретно это можно записать так: s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴.

Следствие II из принципа Паули: количество электронов на энергетическом уровне равно 2n² ( n – номер энергетического уровня).

Правило Гунда: электроны располагаются на подуровне таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.

Правило Клечковского:. энергетические уровни и подуровни заполняются электронами в порядке возрастания их энергии, или, в порядке возрастания (n + ). Если для двух подуровней значения (n + ) одинаковы, то раньше заполняется электронами тот подуровень, для которого значение n меньше

Пример 1.1.1. Определите набор квантовых чисел для состояния электронов 4 р⁵; 5d ⁴; 3s².

Решение. Определим набор квантовых чисел для данных состояний.

4 р⁵: 5d ⁴: 3s²:

n = 4 n = 5 n = 3

= 1 = 2 = 0

₌ -1 0 +1 ₌ -2 -1 0 +1+2 ₌ 0

m_s = 1/2 m_s = +1/2 m_{s =} = 1/2

Пример 1.1.2. Определите последовательность заполнения электронами подуровней: 3d, 4s, 4p.

Решение. Определим сумму главного и орбитального квантовых чисел для подуровней 3d, 4s, 4p.

3d : n = 3, = 2; ( n + ) = 5,

4s : n = 4, = 0; ( n + ) = 4,

4р : n = 4, = 1; ( n + ) = 5.

Последовательность заполнения электронами подуровней следующая: 4s, 3d, 4p.

Пример 1.1.3. Напишите электронные формулы атомов кальция и титана. К какому семейству элементов они относятся?

Решение. Кальций и титан – элементы IV периода и атомы их имеют 4 электронных слоя.

Электронная формула кальция 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² .

Электронная формула титана 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d².

Кальций s - элемент, титан d - элемент.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ и задания

1. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

3. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, р-, d- и f- орбитали данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 31.

4. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

5. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d, 5s или 4р? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

6. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше

4 d или 5s; 6s или 5p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

7. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных 3d- орбиталей у атома последнего элемента?

8. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин

p- электронов у атомов первого и d- электронов у атомов второго элементов?

9. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных Зd- орбиталей содержится в атомах этих элементов?

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

11. Какие значения могут принимать квантовые числа п, l, m_l и т_s , характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

12. Какие из электронных формул,

а) 1s² 2s² 2p⁵ 3s¹; б) 1s² 2s² 2p⁶ ; в) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ ;

г) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² ; д) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁷ ,отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента неверны? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

13. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 51, учитывая, что у первого происходит “провал” одного 4s-электрона на 3d- подуровень. Чему равен максимальный спин d- электронов у атомов первого и p- электронов у атомов второго элементов?

14. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4; l = 0; m_l = 0; m_s = ± ½ . Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных 3d-орбиталей содержит каждый из них.

15. Дайте определение принципу Паули? Может ли быть на подуровне атома p⁷- или d¹² электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.