Введение

Рабочая тетрадь служит как для описания химического эксперимента, так и для самоконтроля усвоенного материала, что очень важно в дистанционном обучении.

Тетрадь содержит 7 заданий по четырём блокам (дидактическим единицам) рабочей программы, т.е. изучается полный курс дисциплины «Химия». Для выполнения каждого задания следует изучить и усвоить относящийся к данному заданию материал по источникам, указанным в разделе «Подготовка к выполнению задания».

Краткие теоретические сведения рабочих заданий являются основой для понимания описываемых экспериментов и приводимых примеров. Упражнения предназначены для самостоятельного выполнения и являются методом самоконтроля усвоения учебного материала.

Разделы «Выполнение задания» содержат типовые примеры, ориентируясь на которые студент может самостоятельно выполнить предлагаемые упражнения, причём, следует не только указывать правильные ответы, но и давать достоверные пояснения на свободных строчках. Если перед номерами ответов стоят значки «□», то правильных ответов несколько.

Задание, выполненное без пояснения, не зачитывается.

При изучении экспериментальной части раздела «Выполнение задания» в соответствующих местах рабочей тетради составляется уравнения реакций описанных опытов, формулируются и записываются выводы.

Рабочие задания сопровождается типовыми контрольными упражнениями, аналогичными заданиям экзаменационного тестирования и предназначены для самоконтроля степени усвоения материала студентами.

Задания 1и 7 написаны О.В. Артамоновой; 2-5 – О.Р. Сергуткиной, 6 – О.Б. Кукиной.

Задание 1. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

1.1. Строение атома и периодическая система

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

· лекцию «Строение атома и периодическая система» [Конспект лекций, раздел 1.1]

Цель выполнения задания

∙ Установить связь между положением элементов в периодической системе, строением их электронных оболочек и свойствами.

∙ Выяснить причины и закономерности периодического изменения свойств элементов и их соединений.

Теоретические сведения

Атом химического элемента представляет собой сложную квантово-механическую систему. Охарактеризовать состояние электрона в атоме можно с помощью квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного, спинового. В квантово-механической модели строения атома используют вероятностный подход. Область пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной орбиталью.

Атомные орбитали, разрешённые на первых четырёх энергетических уровнях и соответствующие им состояния электронов представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения квантовых чисел и состояния электронов

Главное квантовое число	n = 1	n = 2	n = 3	n = 4
Орбитальное квантовое число и типы АО	s (l=0)	s (l=0), p(l=1)	s(l=0), p(l=1), d(l=2)	s(l=0), p(l=1), d(l=2), f(l=3)
Состояние электрона	1s	2s, 2p	3s, 3p, 3d	4s, 4p, 4d, 4f

Электронное строение атома может быть представлено в виде электронных формул или энергетических (квантовых) ячеек. При распределении электронов в атоме учитывают:

∙ принцип минимальной энергии,

∙ правило Клечковского;

∙ принцип (запрет) Паули;

∙ правило Гунда.

Электроны в атоме в первую очередь заполняют атомные орбитали с минимальной энергией. Последовательность заполнения атомных орбиталей:

l s < 2 s < 2р < 3 s < 3р < 4 s < 3d < 4р < 5 s ≈ 4 d < 5р < 6 s ≈ 5 d ≈ 4f …. (1.1)

В соответствии с принципом Паули на одной атомной орбитали максимально может быть только два электрона.

Порядок написания электронных формул следующий:

1) по таблице Д.И. Менделеева находят символ элемента и записывают его;

2) слева внизу от символа ставят порядковый номер элемента, который указывает общее количество электронов в атоме;

3) после символа – номер энергетического уровня: 1, 2, 3, 4, …, значение которого численно совпадает с главным квантовым числом;

4) затем − тип орбитали (s, p, d, f). Сверху справа над типом орбитали записывают количество электронов на данной орбитали.

Электронное строение атома определяет положение элемента в периодической системе. Номер периода совпадает с максимальным значением главного квантового числа. Количество неспаренных электронов определяет валентность в стационарном состоянии, номер группы совпадает с максимальной степенью окисления элемента.

С ростом заряда ядра периодически меняется электронная конфигурация атомов, поэтому периодически меняются различные характеристики атомов, например, их размеры, энергия ионизации, сродство к электрону, относительная электроотрицательность, валентность, степень окисления и другие, определяющие окислительно-восстановительную способность и кислотно-основную характеристику элементов.

Тенденции изменения энергии ионизации (J), сродства к электрону (E) и относительной электроотрицательности (ОЭО) элементов главных подгрупп II − IV периодов периодической системы представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Изменение энергии ионизации, сродства к электрону и относительной

электроотрицательности в главных подгруппах периодической системы элементов

В одних и тех же группах и в одних и тех же подгруппах расположены элементы с одинаковым строением внешних электронных оболочек (электронные аналоги), которые оказывают наибольшее влияние на химические свойства элементов. Поэтому можно сказать, что в одних и тех же группах и подгруппах находятся элементы со сходными свойствами, что находит своё выражение в составе высших оксидов, гидроксидов и летучих водородных соединений (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Формулы некоторых соединений в зависимости от положения

элементов в периодической системе

Главные подгруппы периодической системы
I	II	III	IV	V	VI	VII
Число электронов на внешнем электронном уровне
1	2	3	4	5	6	7
Формулы высших оксидов
Э2О	ЭО	Э2О3	ЭО2	Э2О5	ЭО3	Э2О7
Формулы газообразных водородных соединений
			ЭН4	ЭН3	Н2Э	НЭ
Формулы высших гидроксидов
ЭОН	Э(ОН)2	Э(ОН)3	Н2ЭО3	НЭО3	Н2ЭО4	НЭО4

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

Пример 1.1. Максимальное число электронов на орбитали n = 2, l = 1 равно …

1) 4 2) 6 3) 8 4) 2

Решение. В соответствии с табл. 1.1, значению n = 2, l = 1 соответствуют атомные орбитали 2р, которых максимально может быть три. В соответствии с принципом Паули на одной орбитали максимально может быть только два электрона, а на трёх − 6.

Правильный ответ: 2.

Упражнение 1.1. Максимальное число электронов на орбитали n = 3, l = 2  равно …

1) 4 2) 6 3) 10 4) 2

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 1.2. Относительная величина электроотрицательности элементов уменьшается в ряду … □ 1) Se, S, O □ 2) B, C, N □ 3) Cl, Br, J □ 4) P, Si, Al

Решение. Относительная величина электроотрицательности элементов уменьшается в периодах справа налево (ответ 4) и в главных подгруппах сверху вниз (ответ 3).

Правильные ответы: 3 и 4.

Упражнение 1.2. Относительная величина электроотрицательности элементов увеличивается в ряду … □ 1) As, P, N □ 2) Al, Si, P □ 3) O, S, Se □ 4) P, Al, Si

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 1.3. Порядковый номер элемента, валентные электроны атома которого расположены на орбиталях 4s²4p⁴, равен 1) 22 2) 32 3) 34 4) 24

Решение. В соответствии со строением внешнего энергетического уровня 4s²4p⁴ данный элемент расположен в четвёртом периоде (заполняются четыре квантовых слоя, n = 4). На АО внешнего энергетического уровня 6 электронов, следовательно, это элемент 6 группы главной подгруппы, т.к. валентные электроны находятся в состоянии «s» и «p». В периодической системе это элемент селен, него порядковый номер 34, Для подтверждения правильности ответа напишем электронную формулу селена ₃₄ Se 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴.

Правильный ответ: 3.

Упражнение 1.3. Порядковый номер элемента, валентные электроны атома которого расположены на орбиталях 3s²3p², равен 1) 12 2) 6 3) 14 4) 4

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 1.4. Хлорид-иону соответствует электронная конфигурация…

1) 1s²2s²2p⁶3s²3d⁶ 2) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ 4) 1s²2s²2p⁶3s²3р⁵

Решение. Электронная формула хлора ₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Хлорид-ион Cl^¯ имеет на один электрон больше: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Правильный ответ 2.

Упражнение 1.4. Иону О²ˉ соответствует электронная конфигурация…

1) 1s²2s²2p³ 2) 1s²2s²2p⁶ 3) 1s²2s²2p⁰ 4) 1s²2s²2p⁵

____________________________________________________________________

Пример 1.5. Частицы, обладающие одинаковым строением внешнего энергетического уровня, расположены в ряду …

1) Ar, Clˉ, Ca²⁺ 2) O^2-, Mg²⁺, Ar 3) Ne, Al³⁺,S^2- 4) Ne, Clˉ , Ca²⁺

Решение.

Электронная формула аргона ₁₈ Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Электронная формула хлора ₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Электронная формула хлорид-иона Clˉ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Электронная формула кальция ₂₀Са 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Электронная формула иона кальция Са²⁺ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Правильный ответ 1.

Упражнение 1.5. Частицы, обладающие одинаковым строением внешнего энергетического уровня, расположены в ряду …

1) Ar, Cl, Ca²⁺ 2) O^2-, Mg²⁺, Ne 3) Ne, Al³⁺, S^2- 4) Ne, Clˉ , Ca²⁺

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 1.6. Число неспаренных электронов в атоме брома в основном состоянии равно … 1) 7 2) 1 3) 3 4) 5

Решение. Электронная формула атома брома ₃₅ Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵. Состоянию электронов 4р соответствует три АО, на которых максимально может быть шесть электронов. Атом брома имеет в состоянии 4р пять электронов, следовательно, у него один неспаренный электрон:

Правильный ответ 2.

Упражнение 1.6. Число неподеленных электронных пар на валентном энергетическом уровне  атома азота в основном состоянии равно … 1) 0 2) 3 3) 2 4) 1.

Ответ подтвердите, написав электронную формулу атома азота.

_____________________________________________________________________________

Пример 1.7. Формула высшего оксида элемента, электронная конфигурация атома которого 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵, имеет вид … 1) Э₂О 2) Э₂О₃ 3) Э₂О₅ 4) ЭО₃

Решение. По числу электронов порядковый номер данного элемента «24». Это элемент хром, расположенный в шестой группе, поэтому максимальная степень окисления равна «+6» и формула высшего оксида CrO₃ (ЭО₃).

Упражнение 1.7. Формула водородного соединения элемента с электронной конфигурацией атома в основном состоянии 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ имеет вид …

1) ЭН 2) ЭН₄ 3) ЭН₃ 4) ЭН₂

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 1.8. Число завершенных энергетических уровней и максимальная степень окисления элемента с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4р¹

соответственно равно … 1) 2 и 6 2) 2 и 5 3) 3 и 3 4) 3 и 1

Решение. Порядковый номер элемента «31», это галлий, расположенный в четвёртом периоде, третьей группе, главной подгруппе. Полностью завершены у него три энергетических уровня: 1-й − 1s², 2-й − 2s²2p⁶, 3-й − 3s²3p⁶3d¹⁰. На внешнем уровне галлий имеет три электрона, которые может отдать, вступая в химическую связь, следовательно, максимальная степень окисления элемента равна трём.

Правильный ответ: 3.

Упражнение 1.8. Число завершенных энергетических уровней и максимальная степень окисления элемента с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵

соответственно равно … 1) 2 и 6 2) 2 и 5 3) 3 и 3 4) 3 и 5

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ТИПОВЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. Квантовое число l характеризует…

1) форму электронной орбитали 2) собственный магнитный момент

3) ориентацию электронной орбитали 4) энергию электронной орбитали

2. В состоянии 5p максимально может находиться ____ электронов

1) 6 2) 10 3) 2 4) 14

3. Число завершенных энергетических уровней и максимальная степень окисления элемента с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵

соответственно равно … 1) 2 и 7 2) 2 и 5 3) 3 и 5 4) 3 и 7

4. Иону Fˉ соответствует электронная конфигурация…

1) 1s²2s²2p³ 2) 1s²2s²2p⁶ 3) 1s²2s²2p⁰ 4) 1s²2s²2p⁵

5. Порядковый номер элемента, валентные электроны атома которого расположены на орбиталях 4s²4p², равен … 1) 22 2) 32 3) 34 4) 24

6. Формула водородного соединения элемента с электронной конфигурацией атома в основном состоянии 1s²2s²2p⁶3s²3p³ имеет вид … 1) ЭН 2) ЭН₄ 3) ЭН₃ 4) ЭН₂

7. Формула высшего оксида элемента, электронная конфигурация атома которого 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵, имеет вид … 1) Э₂О 2) Э₂О₇ 3) Э₂О₅ 4) ЭО₃

8. Относительная величина электроотрицательности элементов увеличивается в ряду … □ 1) Se, S, O □ 2) B, C, N □ 3) Cl, Br, J □ 4) P, Si, Al