Учебное пособие 800215

Домашние задания

Задание 2.8. Рассмотрите образование ковалентной связи на примере молекулы азота (N2). Укажите, сколько связей осуществляется в молекуле азота. Как можно объяснить ее высокую устойчивость?

Задание 2.9. Укажите тип химической связи в молекулах KBr, I2, H2S. Ответ поясните.

Задание 2.10. Как изменяется полярность связи в ряду: Н2О → Н2S → Н2Se → Н2Те?

Задание 2.11. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами, может проявить хлор в нормальном и в возбужденном состояниях? Ответ объясните, распределив валентные электроны атома хлора по квантовым ячейкам.

2.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Теоретические вопросы

1. Основные сведения о строении атома:

·электронное облако, атомная орбиталь;

·квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное, спиновое;

·типы атомных орбиталей;

·порядок заполнения электронных уровней и орбиталей (принцип наименьшей энергии, правило Клечковского, принцип Паули; правило Гунда);

·электронные формулы и энергетические ячейки.

2. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева:

·периодический закон Д.И. Менделеева;

·структура периодической системы элементов и ее связь со строением атомов;

·периодическое изменение свойств химических элементов. Зависимость металлических и неметаллических свойств элементов от положения в периодической системе. Энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

3.Основные виды химической связи. Распределение электронной плотности при образовании каждого вида химической связи. Изменение полной энергии системы, в которой образуется химическая связь.

4.Химическая связь и валентность элементов. Химическая связь ковалентная (полярная, неполярная), ионная. Обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

5.Нормальное и возбуждённое состояние атомов. Изменение распределения электронов в энергетических (квантовых) ячейках при переходе из нормального в возбуждённое состояние.

32

Задачи и упражнения

1. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, ml, ms, характеризующие состояние электрона в атоме?

Какие значения они принимают для валентных электронов атома кальция? Определите место этого элемента в периодической системе (период, группу), его свойства, характер оксида и гидроксида. Составьте электронную формулу кальция.

2. Какие орбитали заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4р; 6s или 5р? Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 22 и 40. Определите место каждого элемента в периодической системе (период, группу, подгруппу); к металлам или неметаллам относятся данные элементы?

3. Какие значения может принимать магнитное квантовое число ml при орбитальном квантовом числе l = 0; l = 1; l = 2; l = 3? Какие элементы в периодической системе относятся к s-, p-, d-, f- семействам? Приведите примеры элементов s-, p-, d- семейства и напишите их электронные формулы.

4. Чем отличается последовательность в заполнении атомных орбиталей у атомов элементов d- семейства от последовательности заполнения их у атомов s- и р- семейства? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 26. Покажите распределение валентных электронов по энергетическим ячейкам.

5. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям для атомов фосфора, алюминия, кремния, серы.

6.Напишите электронную формулу элементов кремния и титана. На каком основании кремний и титан, расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

7.В чем заключается принцип Паули? Какое максимальное число электронов может распределяться на s-, p-, d-орбиталях четвертого энергетического уровня? Укажите, к какому семейству относятся элементы кальций, железо, бром. Напишите электронные формулы этих элементов.

8.У какого элемента – бора или алюминия – сильнее выражены металлические свойства? Объяснение дайте в соответствии со строением их атомов. Напишите электронные формулы бора и алюминия и распределите электроны по энергетическим ячейкам.

9. Какую валентность в нормальном и возбуждённом состоянии может проявлять фосфор? Напишите электронную формулу фосфора и распределите валентные электроны по энергетическим ячейкам. Составьте формулы его соединений с кислородом и водородом.

33

10.Что такое энергия ионизации? У какого из элементов: натрия или алюминия энергия ионизации выше? Напишите электронные формулы этих элементов.

11.Что такое сродство к электрону? У какого из элементов: хлора или брома сродство к электрону выше? Напишите электронные формулы этих элементов.

12.Укажите тип химической связи в молекулах KCl, Cl2, H2О. Ответ поясните.

13.Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами, может проявить йод в нормальном и в возбужденном состояниях? Ответ поясните, распределив валентные электроны атома йода по энергетическим ячейкам. Почему атом фтора, стоящий в одной группе с йодом, не может проявить валентность, равную номеру группы?

14.Какая молекула более прочная: N2 или Cl2? Ответ объясните на основании механизма образования ковалентной связи.

15.Сколько ковалентных связей могут образовать атомы алюминия, хлора, магния в нормальном и в возбужденном состояниях?

16.Определите тип связи, который возникает между атомами Н и Вr,

Ри О, Rb и I.

Тема 3. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ

Прочитайте и запомните слова и словосочетания, приведённые в табл. 3.1. 3.1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Химическая кинетика изучает закономерности протекания реакций во времени и факторы, которые влияют на скорость химических реакций. Под скоростью химической реакции понимают число взаимодействий частиц, которое происходит в единицу времени в единице реакционного пространства.

Основные факторы, влияющие на скорость химических реакций:

·природа реагирующих веществ;

·температура;

·концентрация реагирующих веществ;

·присутствие катализатора.

Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций

Необходимым условием химического взаимодействия является столкновение частиц, которых будет тем больше, чем больше концентрация веществ.

Рассмотрим необратимую гомогенную химическую реакцию, протекающую в одну стадию:

Влияние концентрации веществ на скорость реакции выражается через

закон действующих масс:

при постоянной температуре скорость химической реакции пропор- циональна произведению концентраций реагирующих веществ в сте- пенях, равных стехиометрическим коэффициентам данных веществ

в уравнении реакции.

Математически закон действующих масс в данном случае можно выра-

зить через кинетическое уравнение реакции:

где k – константа скорости реакции, которая зависит от природы реагирующих веществ и температуры;

caA , cbB – концентрации реагирующих веществ, взятые в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Пример 3.1. Для процесса сжигания метана

СН4 (газ) + 2О2 (газ) → СО2 (газ) + 2Н2О (газ)

кинетическое уравнение реакции имеет вид:

Упражнение 3.1. Запишите кинетическое уравнение реакции образования аммиака

N2 (газ) + 3H2 (газ) →2NH3 (газ).

Пример 3.2. Рассмотрим, как изменится скорость сжигания метана СН4 (газ) + 2О2 (газ) → СО2(газ) + 2Н2О (газ),

если концентрацию кислорода увеличить в три раза. Решение. Запишем кинетическое уравнение реакции:

υ= k ×сСН4 ×сО2 2 .

При увеличении концентрации кислорода в три раза кинетическое уравнение примет вид:

Разделим выражение для υ1 на выражение для υ:

υ1 = k ×сСН4 ×9(сО2 )2 = 9.

υ k ×сСН4 (сО2 )2

Таким образом, скорость химической реакции увеличится в 9 раз.

Упражнение 3.2. Как изменится скорость образования аммиака

N2 (газ) + 3H2(газ) → 2 NH3 (газ),

36

если: а) концентрацию водорода увеличить в два раза; б) концентрацию азота уменьшить в четыре раза?

Пример 3.3. Как изменится скорость окисления оксида углерода (II)

2СО (газ) + О2 (газ) → 2СО2 (газ) , если внешнее давление увеличить в два раза?

Решение. Запишем кинетическое уравнение реакции, выразив скорость через парциальные давления реагирующих веществ:

υ = k × рСО2 × рО2 .

При увеличении внешнего давления в два раза парциальные давления всех газообразных веществ увеличатся в два раза, тогда кинетическое уравнение примет вид:

Скорость химической реакции увеличится в восемь раз.

Упражнение 3.3. Как изменится скорость взаимодействия Са(ОН)2 с газообразным оксидом серы (IV)

Са(ОН)2 (раствор) + SO2 (газ) → СаSO3 (твёрдый) + Н2О (жидкая), если: а) концентрацию Са(ОН)2 увеличить в три раза;

б) давление увеличить в три раза?

Если реагирующие вещества находятся в одной фазе, например в виде газов или в растворённом состоянии, то химическая реакция называется гомоген- ной. Гетерогенные реакции происходят в разных фазах, например: жидкая ─ твёрдая, твёрдая – газообразная. В кинетические уравнения гетерогенных реакций включаются концентрации только жидких и газообразных веществ, т.к. концентрации твёрдых компонентов условно приняты равными единице.

Пример 3.4. Запишите кинетическое уравнение для реакции растворения оксида меди в серной кислоте:

H2SO4 (раствор) + CuO (твёрдый) CuSO4 (раствор) + H2O (жидкая).

Решение. Кинетическое уравнение имеет вид: υ = k ×сН2SO4 .

Упражнение 3.4. Запишите кинетическое уравнение растворения карбоната кальция в воде, насыщенной углекислым газом

СаСО3 (твёрдый) + Н2О (жидкая) + СО2 (газ) → Са(НСО3)2 (раствор).

Влияние температуры на скорость химических реакций

Не каждое столкновение частиц приводит к химическому превращению (химической реакции). В реакцию вступают только активные частицы. При повышении температуры число таких частиц будет больше и скорость химиче-

ских реакций с повышением температуры увеличивается.

По правилу Вант-Гоффа при изменении температуры на каждые 10 ° С скорость химической реакции изменяется в 2 ÷ 4 раза

37

γ − температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз изменяется скорость реакции при изменении температуры на 10 ° С.

Пример 3.5. Как изменится скорость химической реакции, если температуру: а) увеличить от 20 ° С до 50 ° С; б) уменьшить от 70 ° С до 50 ° С? Температурный коэффициент скорости реакции равен трём.

Решение. А) t1 = 20 ° С, t2 = 50 ° С

По правилу Вант-Гоффа:

Скорость реакции увеличится в 27 раз.

Б) t1 = 70 ° С, t2 = 50 ° С

По правилу Вант-Гоффа:

Скорость реакции уменьшится в 9 раз.

Упражнение 3.5. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры от 30 ° С до 60 ° С скорость химической реакции увеличилась в 8 раз?

Домашние задания

Задание 3.2. Как изменится скорость реакции образования серной кислоты

SO2 (газ) + NO2 (газ) + H2O (жидкая) → H2SO4 (раствор) + NO (газ) ,

если первоначальную концентрацию SO2 уменьшить в два раза?

Задание 3.3. Как изменится скорость реакции, протекающей по уравнению: Са(ОН)2 ( раствор) + СО2 (газ) → СаСО3 (твёрдый) + Н2О (жидкая),

если : а) концентрацию Са(ОН)2 увеличить в три раза; б) давление уменьшить в два раза?

Задание 3.4. Как изменится скорость реакции при увеличении температуры на 30 оС, если температурный коэффициент реакции равен двум?

Как изменится скорость реакции, если температуру понизить от 50 ° С до 30 ° С?

38

3.2. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ И ЕГО СМЕЩЕНИЕ

Большинство химических реакций обратимы, то есть могут идти как в прямом, так и в обратном направлении:

прямая реакция

обратная реакция

Кинетические уравнения прямого и обратного процессов:

Химическое равновесие наступает тогда, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. В состоянии равновесия устанавливаются равновесные концентрации всех реагирующих веществ, которые записываются в квадратных скобках:

k прямой реакции [A]а [B]b = k обратной реакции [D]d [E] e.

Отношение константы скорости прямой реакции к константе скорости обратной реакции представляет собой константу химического равновесия (закон действующих масс для обратимых реакций):

и показывает соотношение равновесных концентраций продуктов и исходных веществ. Константаравновесияколичественнохарактеризуетсостояниехимическогоравновесия.

Пример 3.6. Запишите кинетические уравнения прямой и обратной реакций и выражение для константы равновесия реакции разложения воды фтором

2F2 (газ) + 2H2O (жидкая) 4HF (раствор) + O2 (газ).

Решение.

υпрямой реакции = kпрямой реакции [F2 ]2 [H2O]2 ;

υобратной реакции = kобратной реакции [HF]4 [O2 ];

K = [HF]4 [O2 ] . [F2 ]2 [H2O]2

Упражнение 3.6. Для равновесной системы

СО (газ) + Н2О (пар) СО2 (газ) + Н2 (газ)

запишите кинетические уравнения прямой и обратной реакции, а также выражение для константы химического равновесия.

Упражнение 3.7. Для равновесной системы СаСО3 (твёрдый) + Н2О (жидкая) + СО2 (газ) Са(НСО3)2 (раствор)

запишите кинетические уравнения прямой и обратной реакции, а также выражение для константы равновесия.

39

Смещение химического равновесия

В состоянии химического равновесия идёт и прямая, и обратная реакции, но концентрации веществ не меняются, так как скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Но если изменить внешние факторы: температуру, давление, концентрации веществ, то скорость прямой реакции не будет равна скорости обратной реакции. Через некоторое время вновь наступит состояние равновесия, но с иными равновесными концентрациями.

Переход системы из одного состояния равновесия в другое под влиянием изменения внешних факторов называется смещением химического равновесия.

Смещение химического равновесия происходит в соответствии с принци-

пом Ле Шателье.

Если система находится в состоянии устойчивого химического равно- весия, то при воздействии внешних факторов она стремится умень- шить внешнее воздействие.

Влияние концентрации

По закону действующих масс скорость реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. В ходе прямого процесса концентрации исходных веществ уменьшаются, а потому уменьшается скорость прямой реакции. Чтобы увеличить скорость прямой реакции, нужно увеличить концентрацию исходных веществ.

Пример 3.7. Каких веществ и почему станет больше в равновесной системе: 2H2S (газ) + SO2 (газ) 2H2O (пар) + 3S (твёрдая),

если увеличить концентрацию сероводорода (H2S)?

Решение. В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции равны. При увеличении концентрации одного из исходных веществ (H2S) увеличится скорость прямой реакции и больше образуется продуктов реакции, то есть Н2О и S.

Упражнение 3.8. Концентрацию каких веществ и почему в равновесной системе:

SO2 (газ) + NO2 (газ) + H2O (жидкая) H2 SO4 (раствор) + NO (газ)

следует: · увеличить, · уменьшить,

чтобы увеличить выход серной кислоты?

Влияние температуры

В термодинамике тепловой эффект реакции обозначается rН. Экзотермические реакции идут с выделением теплоты в окружающую среду,

40