Учебное пособие 46

Методические указания

Изучение этих тем предусматривает знание основных положений квантовой механики: двойственной природы движения электрона и его волновые свойства (уравнение Луи де Бройля), принцип неопределенности Гейзенберга, уравнение Шредингера. Иметь представление о волновой функции Ψ и ее графического изображения. Для правильного составления электронных структур многоэлектронных атомов необходимо знать квантовые числа и уметь распределять электроны по атомным орбиталям.

Нужно знать принципы и правила распределения электронов на энергетических уровнях и подуровнях (принцип наименьшей энергии, принцип Паули его следствия, два правила Клечковского и правило Гунда). Необходимо знать современную формулировку периодического закона, его фундаментальное значение. Иметь представление о структуре периодической системы в двух вариантах – длиннопериодном и короткопериодном. Изучить свойства атомов - радиус атомов, энергия ионизации (I), энергия сродства к электрону (Е), электроотрицательность (ЭО). При подготовке к лабораторной работе студент должен уметь составить электронные формулы атомов элементов и оценить закономерности изменения свойств элементов и их соединений (оксидов и гидроксидов) по периодам и группам.

Материалы темы 3.4.1 содержатся в главе 1 учебника [1,

с. 17-24]

Материалы темы 3.4.2 содержатся в главе 1 учебника [1,

с. 26-27]

Материалы темы 3.4.3 содержатся в главе 1 учебника [1,

с. 27-30]

Материалы темы 3.4.4 содержатся в главе 1 учебника [1,

с. 31-34]

9

Вопросы для самопроверки

1.Применимо ли понятие траектории движения к микрочастицам (электрону)? Чем оно определяется и какое понятие его заменяет?

2.Что называют принципом неопределенности и соотношением неопределенности?

3.Какое экспериментальное подтверждение нашла гипотеза де Бройля о волновых свойствах электрона?

4.Какое уравнение является основным уравнением квантовой механики и что описывают волновые функции, получаемые его решением?

5.Какие квантовые числа и в одинаковой ли мере определяют энергию электрона?

6.Что в атоме называют энергетическим уровнем и подуровнем? При каком условии эти понятия сливаются?

7.Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением главного квантового числа характеризуется энергетический уровень, если он расщеплен на 4 подуровня. Дайте их буквенные обозначения.

8.Что называют атомной орбиталью (АО)? Как связана каждая АО с понятием электронного облака?

9.Как связано с принципом Паули определение емкости энергетических уровней и подуровней? Какими формулами она для них выражается?

10. Какому общему принципу подчиняется заполнение электронных оболочек многоэлектронных атомов?

11.В какой последовательности заполняются АО до образования электронной оболочки атома аргона?

12.Что называют электронной формулой и электронной

конфигурацией атома, иона? Какой вид они имеют для атомов и ионов: Na и Na+, Ca и Ca2+, Cl и Cl- Какие из этих ионов

имеют электронное строение атомов неона, аргона и криптона?

13. Что называют энергией ионизации (I)? В каких единицах она измеряется?

10

14.Как изменяется I в подгруппах А и В периодической системы сверху вниз? В периоде - слева направо?

15.Что называют сродством атома к электрону? Какой элемент имеет наибольшее значение I1, почему?

16.Какой вывод можно сделать о свойствах элемента по значению для него ионизационного потенциала и сродства к электрону?

17.Что называют абсолютной и относительной электроотрицательностью?

18.Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов s-

иp-элементов в периоде? Объясните причину и покажите различие в свойствах гидроксидов первого и предпоследнего элемента 3-го периода.

3.5.Химическая связь

3.5.1.Квантово-механическая теория химической связи. Модель Гейтлера-Лондона. Основные положения и понятия метода валентных связей (ВС). Основные характеристики химической связи (энергия и длина связи).

3.5.2.Квантово-механическая теория валентности. Свойства ковалентной связи (насыщаемость, направленность, поляризация). Гибридизация атомных орбиталей. Донорноакцепторная связь.

3.5.3.Ионная связь. Водородная связь. Силы Ван-дер-

Вальса.

Методические указания

На основании квантово-механической теории химической связи студентам необходимо понять три основных принципа образования химической связи в соответствии с методом валентных связей (ВС), механизмы ее образования (обменный, донорно-акцепторный). Нужно знать основные характеристики химической связи (длина связи, энергия связи), свойства ковалентной связи (насыщаемость, направленность, полярность). Знать основные типы

11

гибридизации, а также иметь представление о различных видах химической связи (донорно-акцепторная, ионная, водородная). Уметь прогнозировать основные физические и химические свойства соединения на основании типа химической связи в нем. Необходимо изучить метод молекулярных орбиталей и знать его преимущества в сравнении с методом ВС.

Материалы темы 5.1 содержатся в главе 1 учебника [1, с.

35-42]

Материалы темы 5.2 содержатся в главе 1 учебника [1, с.

42-56]

Материалы темы 5.3 содержатся в главе 1 учебника [1, с.

57-72]

Вопросы для самопроверки

1.Какую химическую связь называют ковалентной? Дайте определение, отмечающее три основные черты ее характера.

2.Что является причиной образования любой химической связи? Каким энергетическим эффектом сопровождается этот процесс?

3.Чем объяснить большую устойчивость системы из двух связанных атомов (например, Н2) по сравнению с системой из двух свободных атомов (2Н)?

4.Как связаны между собой энергия и длина связи? Приведите примеры.

5.Кроме таких параметров, как энергия и длина связи, какими тремя свойствами характеризуется ковалентная связь? Что понимается под насыщаемостью ковалентной связи и чем она определяется?

6.Чем объясняется способность многих элементов к образованию числа связей, превышающего число неспаренных электронов в их атомах? Какое состояние атома называют основным и возбужденным? Приведите примеры.

12

7.Какое состояние электронов, атомных орбиталей или атомов в целом называют валентным? Сколько валентных состояний возможно для атомов кислорода и серы, фтора и хлора?

8.Как определяют число σ- и π- связей в кратных связях? Чему равно их число в молекулах, образованных а) только двойными связями; б) простыми и двойными связями?

9.Чем было вызвано появление теории гибридизации атомных орбиталей и каковы основные положения этой теории?

10.Чем объясняется несимметричная форма гибридных орбиталей и почему она выгодна для образования связей?

11.Какие ковалентные связи называют неполярными и полярными? Чем определяется степень полярности связи?

12.Какую связь называют ионной? Почему она является предельным случаем ковалентной связи?

13.Какую связь называют водородной и почему ее образуют только те атомы водорода, которые связаны с атомами наиболее электроотрицательных элементов?

14.Какие три вида межмолекулярного взаимодействия называют ван-дер-вальсовыми силами? Чем определяется каждый из них? Какое взаимодействие оказывается наиболее слабым?

15.Какие атомы или ионы называют донорами и акцепторами электронных пар? Приведите примеры.

3.6.Растворы

3.6.1.Общие свойства растворов. Способы выражения концентрации веществ.

3.6.2.Свойства растворов неэлектролитов. Законы Рауля. Осмос. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

3.6.3.Свойства растворов электролитов. Степень диссоциации. Сильные электролиты. Понятие об активной концентрации. Слабые электролиты. Константа диссоциации. Закон разбавления Оствальда.

13

3.6.4.Электролитическая диссоциация воды. рН растворов. Гидролиз солей.

3.6.5.Дисперсные системы. Общие понятия о дисперсных системах.

3.6.6.Коллоидные растворы. Структура коллоидных частиц и их свойства. Устойчивость коллоидов.

Методические указания

При изучении тем данного раздела необходимо уметь использовать различные способы выражения концентрации веществ, иметь представление об идеальных растворах и их свойствах. Знать законы Рауля и два следствия, которые позволяют определить молекулярную массу вещества по значениям повышения температуры кипения раствора или его замерзания. Важным является умение рассчитать осмотическое давление, используя закон Вант-Гоффа. Необходимо знать свойства сильных и слабых электролитов и их важнейшие характеристики – степень диссоциации, активную концентрацию, константу диссоциации и уметь их определять. На основании представлений о ионном произведении воды уметь рассчитывать рН растворов, правильно составлять уравнения гидролиза различных солей и характеризовать их кислотность.

Необходимо иметь представление о дисперсных системах, включая их классификацию. Знать методы получения коллоидных растворов, кинетические и оптические свойства, их структуру, а также их кинетическую и агрегативную устойчивость.

Материалы темы 3.6.1 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 204-205]

Материалы темы 3.6.2 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 205-207]

Материалы темы 3.6.3 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 208-224]

14

Материалы темы 3.6.4 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 224-238]

Материалы темы 3.6.5 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 242-243]

Материалы темы 3.6.6 содержатся в главе 8 учебника [1,

с. 243-250]

Вопросы для самопроверки

1.Что выражает величина, которую называют концентрацией данного компонента? Чем отличается молярная концентрация от нормальной

2.Какой объем воды потребуется для растворения нитрата калия массой 8 г, если в приготовленном растворе массовая доля соли должна составить 1%?

3.Что называют эбуллиоскопической и криоскопической константами? Зависят ли они от природы растворенного вещества и природы растворителя?

4.При какой температуре кипят и замерзают водные растворы неэлектролитов, моляльность которых равна 1 моль/кг?

5.Что называется осмотическим давлением? В каких приборах оно определяется?

6.Какие вещества называют электролитами? Чем отличаются их водные растворы от растворов неэлектролитов?

7.На какие группы условно делят электролиты по величине степени их диссоциации? Приведите примеры представителей этих групп.

8.Почему константа электролитической диссоциации является более удобной характеристикой электролита по сравнению со степенью диссоциации?

9.В растворе объемом 250 мл содержится сульфат

натрия массой 3,55 г. Считая степень диссоциации равной 100 %, найдите молярную концентрацию ионов натрия Na+ и SO42-

?

15

10.Что называют ионным произведением воды? В каком соотношении находится эта величина с константой диссоциации воды?

11.Если в водном растворе известна концентрация одного из ионов Н+ или ОН- то как находится концентрация второго иона?

12.Для каких солей гидролиз проходит ступенями? Чем определяется их число и как изменяется интенсивность гидролиза от первой ступени к последней?

3.7.Окислительно-восстановительные реакции

Классификация окислителей и восстановителей. Количественная характеристика окислительновосстановительных реакций, протекающих в водных растворах. Окислительно-восстановительные потенциалы. Уравнение Нернста. Методы составления окислительновосстановительных реакций.

Методические указания

При изучении данной темы прежде всего студенты должны уметь определить отличие окислительновосстановительных реакций от реакций обмена, используя представление об окислительных числах. Знать классификацию окислителей и восстановителей, которая помогает определить окислитель и восстановитель в реакциях. Используя один из методов (электронного баланса или ионноэлектронный) составления уравнений реакций, должны уметь определять стехиометрические коэффициенты перед молекулами. С учетом условий протекания реакций должны знать их классификацию (три типа), понимать влияние среды на образование возможных продуктов. Должны знать уравнение Нернста и понимать значение окислительновосстановительных потенциалов, используя которые уметь определять направленность реакций.

16

Материалы темы 3.7 содержатся в главе 9 учебника [1,

с. 251-259]

Вопросы для самопроверки

1.Что положено в основу классификации химических процессов на реакции обмена и окислительновосстановительные?

2.Что называют окислением и восстановлением, окислителем и восстановителем? Назовите вещества, наиболее известные как сильные окислители или восстановители. За счет чего каждое из них проявляет эти свойства?

3.Что называют окислительно-восстановительными коэффициентами? Какие существуют методы для их определения? Покажите сущность каждого и объясните, в каких случаях и почему один из них предпочтительнее другого.

4.Напишите электронно-ионные уравнения для

следующих превращений, идущих в водных растворах: MnO4-

→ MnO2 ; MnO4- → MnO42-; MnO4- → Mn; SO32- → SO42-; NO2- → NO3-.

5.Что положено в основу классификации окислительновосстановительных реакций? Перечислите возможные типы этих реакций и приведите примеры.

6.Какие окислительно-восстановительные потенциалы называют стандартными? Какой величиной определяется направленность окислительно-восстановительных реакций?

3.8.Электрохимические процессы

3.8.1.Строение двойного электрического слоя для металлов различной активности. Электродный потенциал. Гальванические элементы. ЭДС элемента. Явление поляризации при работе гальванического элемента.

3.8.2.Стандартный водородный электрод. Измерение электродных потенциалов с помощью водородного электрода.

17

3.8.3.Теоретические основы электролиза. Понятие о перенапряжении. Водородное перенапряжение. Уравнение Тафеля.

3.8.4.Последовательность протекания катодных и анодных процессов. Законы Фарадея.

3.8.5.Техническое применение электролиза.

Методические указания

На основании представлений о строении двойного электрического слоя студенты должны понимать причины появления скачка потенциала на границе металл-раствор. По значениям стандартных электродных потенциалов и с учетом уравнения Нернста уметь составлять гальванические элементы. Знать устройство водородного электрода и уметь использовать его для измерения электродных потенциалов. Зная значения электродных потенциалов, уметь рассчитывать электродвижущую силу элемента (ЭДС). Должны знать причины снижения ЭДС со временем и иметь представление о явлении поляризации электродов в процессе работы гальванических элементов, знать виды поляризации и методы их устранения.

Необходимо изучить теоретические основы электролиза. Представлять, какие окислительно-восстановительные процессы могут протекать на электродах в растворах и расплавах электролитов под действием постоянного электрического тока. Должны понимать причины возникновения поляризации на электродах, обусловленной замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса. Понимать, как в зависимости от характера замедленной стадии на электроде возникает или концентрационная, или электрохимическая поляризация. Иметь представление о зависимости потенциал-плотность тока (поляризационная кривая) и способах ее экспериментального построения. Знать последовательность катодных и анодных процессов и уметь составлять схемы окислительновосстановительных реакций, протекающих на электродах в

18