Упражнения для самостоятельного решения

1. Для атома с электронной структурой 1s²2s²2p³ определите

значения всех четырёх квантовых чисел для каждого электрона.

2. Энергетическое состояние внешнего электрона

атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n=3, l=0, m_l= 0. Атомы каких элементов имеют такой электрон? Составьте электронные формулы атомов этих элементов.

3. Напишите все квантовые числа для электронов

атомов: лития,бора, азота, фтора.

4. Напишите электронные формулы для атомов натрия, хрома,

железа, аргона, марганца, азота, кислорода, кремния, кобальта, отвечающие низшему энергетическому состоянию атомов.

5. Атому какого из элементов отвечает каждая из приведённых

электронных формул:

а)1s²2s²2p³ ; б)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ ; в)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶5d¹6s² ; г)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s² ; д)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹ ?

6. Атомам каких элементов и каким состояниям этих элементов отвечают следующие электронные формулы: 1s²2s² и 1s²2s¹2p¹; 1s²2s²2p¹ и 1s²2s¹2p³

10. Окислительно_восстановительные реакции

Химические реакции можно подразделить на 2 основных типа. К первому типу относятся реакции, протекающие без изменения степени окисления (реакции обмена, некоторые реакции соединения и разложения). Движущей силой таких процессов является образование продуктов с более прочными связями. В качестве примера можно привести следующие реакции:

СаО + H₂O = Са(ОН)₂ 3SO₃ + Al₂O₃ = Al₂(SO₄)₃ NH₄Cl = NH₃ +HCl.

Реакции второго типа протекают с изменением степеней окисления элементов. К ним относятся все реакции с участием простых веществ, многие природные, лабораторные, промышленные, органические, биохимические и многие другие. Примеры:

_{0 0 +2 -1 0 +2 0 +2 -2 +1 0 -3 +1}

Ca + Cl₂ = CaCl₂ Zn + CuSO₄ = Cu +ZnSO₄ C₂H₄ +H₂= C₂H₆.

Очевидно, имеет смысл подробнее остановиться на самом понятии степень окисления. В настоящее время степень окисления определяется как условный заряд, возникающий на атомах в сложных соединениях, как результат приема или отдачи определенного числа электронов в соответствии со значениями электроотрицательностей взаимодействующих атомов. Иными словами, условно предполагается, что связи на 100% ионные. При таком подходе конкретные значения степеней окисления могут быть положительными, отрицательными, нулевыми (углерод в метанале СН₂О) и даже дробными (для Fe₃O₄, в котором степень окисления железа равна +8/3, а также во многих органических веществах). Существуют определенные правила, по которым находится степень окисления.

1. Степень окисления атомов в простом веществе равна 0.

2. Степень окисления атомов в простых ионах (Br ^-,Cl^-,S^2- и т.д.) равна заряду этого иона.

3. Степень окисления водорода в не ионных соединениях равна +1(а также --1 в соединениях с бором и кремнием и активными металлами).

4. Степень окисления кислорода практически всегда равна –2. В пероксидах типа Н₂О₂ степень окисления кислорода составит –1, в соединениях со фтором: O₂F₂ и ОF₂, соответственно +1 и +2). Степень окисления фтора в соединениях всегда равна –1.

5. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле или формульной единице равна 0, а в ионе – заряду этого иона.

Степень окисления представляет собой величину в заметной степени формальную, не отражающую количественные характеристики реального процесса. Например, в молекуле HCl реальные частичные заряды на атомах водорода и хлора равны +0,18 и

– 0,18, соответственно, а не +1 и –1, как следует из определения степени окисления.

Существуют два фактора, из-за которых меняется степень окисления. Это— или переход электронов (полный или частичный) от одного участника процесса к другому, или перераспределение электронной плотности между атомами реагентов в соответствии с конкретным механизмом реакции. При дальнейшем рассмотрении, в целях упрощения, будет рассматриваться изменение степени окисления, как результат перехода электронов.

Окислители и восстановители

Окислители — это атомы, молекулы или ионы, принимающие электроны от других атомов. Степень окисления окислителя уменьшается. Окислителями могут быть как простые, так и сложные вещества. К сильным окислителям принадлежат простые вещества — неметаллы верхней части VI и VII групп периодической системы. Окислителями могут быть также ионы и молекулы, в которых центральный атом имеет высшую или высокую степень окисления: N⁺⁵(HNO₃), S⁺⁶(H₂SO₄конц),Mn⁺⁷(KMnO₄), Cr⁺⁶(K₂Cr₂O₇ и K₂CrO₄), Fe⁺³(FeCl₃).

Восстановители — атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны другим атомам. Степень окисления восстановителя повышается. Важнейшие восстановители— металлы и водород в свободном состоянии, металлы и неметаллы в низшей степени окисления: S^-2(H₂S),N^-3(NH₃),I^-(KI).Атомы металлов в нулевой степени могут проявлять только восстановительные свойства и не могут принимать электроны. Наиболее выраженные восстановительные свойства проявляют металлы IА и IIА групп. Вещества, содержащие атомы в промежуточных степенях окисления, могут быть как окислителями, так и восстановителями: N⁺³(NO^2-),Mn⁺⁴( MnO₂),O^-1(H₂O₂), S⁺⁴(SO₃^2-)

При протекании ОВР окислитель восстанавливается, восстановитель – окисляется, причем оба процесса протекают одновременно. Соответственно, окислители и восстановители взаимодействуют в таких соотношениях, чтобы числа принятых и отданных электронов были одинаковы.

Конкретное проявление окислительных или восстановительных свойств атомами различных элементов зависит от многих факторов. К важнейшим из них следует отнести положение элемента в таблице Менделеева, степень окисления элемента в данном веществе, особые свойства других участников реакции (характер среды для растворов, концентрация реагентов, температура, стереохимические свойства сложных частиц и др.)

В максимальной степени окисления элемент может проявлять только окислительные свойства, а в минимальной степени окисления могут проявлять только восстановительные свойства.

Тем не менее, необходимо отметить, что максимальная степень окисления не означает автоматическое проявление ярко выраженных окислительных свойств. Чтобы реализовались свойства сильного окислителя, частица должна быть неустойчивой, максимально несимметричной, с неравномерным распределением электронной плотности. Так, в разбавленных растворах сульфат-ион SO₄^2- , содержащий атом серы в максимальной степени окисления +6 , вообще не проявляет окислительных свойств, так как имеет высокосимметричное тетраэдрическое строение. Тогда как в концентрированных растворах серной кислоты заметная доля частиц находится в виде недиссоциированных молекул и ионов HSO₄^- , имеющих несимметричное строение с неравномерным распределением электронной плотности. Как следствие этого, концентрированная серная кислота, особенно при нагревании, — очень сильный окислитель. Как и в случае с серной кислотой, для реализации восстановительных свойств недостаточно иметь только минимальную степень окисления. В качестве примера можно привести азот в степени окисления –3. Высокосимметричный ион аммония NH₄⁺ в растворе крайне слабый восстановитель. Молекула аммиака, обладающая меньшей симметричностью, проявляет достаточно сильные восстановительные свойства при нагревании. Можно привести реакцию восстановления из оксидов:

3FeO + 2NH₃ = 3Fe +3H₂O +N₂