Начальный курс химии (Для студентов-иностранцев). В 2 частях. Ч. 1. Учебное пособие

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1.Гидроксид металла II группы периодической системы

химических элементов Д. И. Менделеева массой 29 г содержит 3,01∙1023 молекул. Определите этот металл и напишите электронную формулу его атома.

2.Составьте электронную формулу химического элемента, атом которого наd-орбиталях третьего энергетического уровня имеет 7 электронов.

3.Составьте электронную формулу химического элемента, атом которого на f-орбиталях четвертого энергетического уровня имеет 5 электронов.

4.Определите значения четырех квантовых чисел, характеризующих валентный электрон в атомах натрия, бора, скандия, меди, лантана.

5.Масса атома изотопа магния равна4,318∙10-26 кг. Определите число нейтронов, которое содержит ядро этого атома.

6.Найдите в периодической системе элементIII группы, высшее кислородное соединение которого имеет относительную молекулярную массу 326.

7.Какой элемент V группы образует высшее кислородное

соединение, в котором массовая доля кислорода составляет 0,56.

69

8. Рассчитайте массовые доли изотопов галлия: Ga и

71Ga,если Ar(Ga) = 69,7.

9.Изобразите графические электронные формулы возбужденных атомов галлия и фосфора.

10.Какой заряд имеет ядро атома, который имеет электронную формулу … 4d55s1?

11.Атом какого элемента пятого периода содержит наибольшее число неспаренных d-электронов?

12.Атомы каких элементов шестого периода содержат наибольшее число неспаренных f-электронов?

13.Укажите, на каких подуровнях находятся валентные электроны атома серы в возбужденном состоянии.

14.Какой заряд имеет ядро атома, который имеет электронную формулу … 5f26s26p66d17s2?

71

Тестовые задания

1.За единицу элементарного электрического заряда принята величина заряда:

2.Изотопы – это атомы одного элемента, которые имеют:

1)разные заряды и разные массовые числа;

2)одинаковые заряды и одинаковые массовые числа;

3)разный заряд, но одинаковые массовые числа;

4)одинаковый заряд, но разные массовые числа.

3.Химические свойства элементов зависит:

6.Орбитали заполняются электронами в порядке:

1)возрастания главного квантового числа (n);

2)возрастания орбитального квантового числа (l);

3)снижения их энергии (n+l);

4)возрастания их энергии (n+l).

7.Суммарное спиновое число электронов данного

8.Внешний электронный слой является завершенным, если имеет конфигурацию:

72

10.Сколько протонов и нейтронов содержится в атоме урана?

12.Ядро атома элемента содержит 12 нейтронов, Аr=23. Определите порядковый номер элемента:

15.Укажите элемент, у которого заканчивается заполнение электронами орбиталей 4d?

73

ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

3.1. Химическая связь. Ковалентная связь

Словарь

Химические элементы встречаются в природе, главным образом, не в виде отдельных атомов, а в виде сложных или простых веществ. Лишь благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) находятся в природе в атомном состоянии, что объясняется устойчивостью электронных оболочек их атомов. Во всех других веществах между атомами существует химическая связь.

Химическая связь – это взаимодействие двух или -не скольких атомов, в результате которого образуется химически устойчивая двухили многоатомная система (например, молекула или кристалл).

Химическая связь образуется за счет валентных электронов, но осуществляется по разным механизмам. Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.

Простейший пример ковалентной связи– образование молекулы водорода: H + H = H2, ∆Ho = - 436 кДж.

74

При сближении двух атомов, имеющих по одному неспаренному s-электрону с антипараллельными спинами, до определенного расстояния происходит частичное перекрываниеих электронных облаков и образуется общая электронная пара. Таким образом, между центрами обоих ядер образуется молекулярное двухэлектронное облако, которое обладает максимальной электронной плотностью в пространстве между ядрами. Увеличение плотности отрицательного заряда способствует сильному возрастанию сил притяжения между ядрами и молекулярным облаком. Молекула водорода образуется за счет взаимодействия общей электронной пары с ядрами обоих атомов (рис. 5, а).

Рис. 5. Перекрывание:

а – s-орбиталей; б – s- и p-орбиталей; в – p-орбиталей

Связь атомов с помощью общих электронных пар называется ковалентной. Схематически образование ковалентной связи

изображается с помощью электронных формул: H. + .H → H : H

или квантовых ячеек:

↑ + ↓ → ↑↓.

Рассмотрим образование молекулы хлороводорода. Электронные формулы атомов хлора и водорода(17Cl 1s22s22p63s23p5; 1H 1s1) показывают, что внешние электронные слои этих атомов имеют по одному неспаренному электрону(у атома водорода это s-электрон, а у атома хлора этоp-электрон). При сближении атомов водорода и хлора на определенное расстояние происходит перекрывание s- и p-орбиталей и образуется общая электронная пара (рис. 5, б). При образовании молекулы хлора происходит перекрывание двух p-орбиталей (рис. 5, в). В молекуле азота

75

ковалентная связь образуется за счет трех общих электронных пар, т. к. каждый атом азота имеет по три неспаренных электрона, расположенных на p-орбиталях:

s.

Электроны, которые участвуют в образовании химических связей, называются валентными. Валентные электроны у элементов главных подгрупп расположены на s- и p-орбиталях внешнего электронного слоя, а у элементов побочных подгрупп– на s-орбиталях внешнего электронного слоя и наd-орбиталях предпоследнего электронного слоя.

Если общие электронные пары обозначать чертой, то электронная формула превращается в структурную:

Ковалентная связь может образовываться между двумя атомами, один из которых имеет пару электронов, а другой - свободную орбиталь. Например, при взаимодействии аммиака NH3 и хлороводорода HCl пара s-электронов атома азота, которые не участвуют в образовании связей в молекуле аммиака(неподеленная пара электронов), становится общей для водорода и азота, получается ион аммония NH4+:

Такой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным. В данном случае донором электронной

76

пары является атом азота, а акцептором – ион водорода. Донор- но-акцепторный механизм образования ковалентной связи - на блюдается в комплексных соединениях[Ag(NH3)2]OH, K4[Fe(CN)6].

Электронные и структурные формулы показывают последовательность соединения атомов в молекуле. Например, в молекуле аммиака атомы водорода соединяются с атомом азота, но между собой не соединяются.

Вещества с ковалентными связями могут быть твердыми, (парафин, лед), жидкими (вода, спирт) и газообразными (кислород, азот, аммиак).

Контрольные задания

1.Определите число валентных электронов в атомах: углерода; алюминия, кремния, железа, фосфора.

2.Напишите электронные и структурные формулы моле-

кул: HI, H2Se, AsH3, SiH4, F2.

3.Какие из атомов могут образовывать химические связи

по донорно-акцепторному механизму: Cs, N, S, F?

4.В каких соединениях у центрального атома одна свободная пара электронов: PF5, PF3, SO2, SOCl2? Напишите электронные схемы образования указанных молекул.

5.Составьте электронные схемы образования молекул сле-

дующих веществ: Cr2O3, H2CO3,F2O, N2H4, SiF4.

Контрольные вопросы

1.Что такое химическая связь?

2.Какие существуют основные типы химической связи?

3.Какая связь называется ковалентной?

4.За счет чего образуется молекулярное двухэлектронное

облако?

5.Когда ковалентная связь образуется по донорно-акцеп- торному механизму? Что такое донор и акцептор?

6.Какие электроны называются валентными?

77

3.2. Характеристики ковалентной связи Словарь

Характеристики ковалентной связи– направленность в пространстве, полярность, насыщенность, кратность, энергия, длина и валентный угол.

Направленность ковалентной связи обусловливает пространственную структуру молекул, т. е. их геометрию (форму). Электронные орбитали (кроме s-орбиталей) имеют пространственную направленность. Ковалентная связь, которая является результатом электронно-ядерных взаимодействий, располагается в определенном направлении по отношению к ядрам атомов.

Если электронные облака перекрываются в направлении прямой, которая соединяет ядра атомов (т. е. по оси связи), такая ковалентная связь называетсяσ-связью (сигма-связью). Например, в молекулах H2, HCl, Cl2 атомы соединяются ковалентной сигма-связью. Ковалентные сигма-связи образуются при перекрывании орбиталей: s – s (H2), s – p ( HCl), р – р (Cl2).

При перекрывании p-орбиталей, направленных перпендикулярно оси связи, образуется две области перекрывания по обе стороны оси связи (рис. 6). Такая ковалентная связь называется π-связью (пи-связью). Например, в молекуле азота атомы связаны одной σ-связью и двумя π-связями (рис. 7).

78

Рис. 6. Изображение π-связи

Рис. 7. Изображение σ- и π-связей в молекуле азота

Полярность связи определяется асимметрией в распределении общего электронного облака вдоль оси связи.

Если общие электронные пары располагаются симметрично относительно обоих ядер, то такая ковалентная связь называется неполярной. В молекулах простых веществ (H2, O2, N2, Cl2) атомы соединяются неполярной ковалентной связью.

Если общие электронные пары смещаются к одному из атомов (располагаются несимметрично относительно ядер различных атомов), то такая связь называется полярной. Связь в молекулах воды, аммиака, хлороводорода - полярная.

79

Кратность ковалентной связи определяется числом общих электронных пар, которые связывают атомы. Связь между атомами при помощи одной пары электронов называется простой или одинарной (связи H – Cl, C – H, H – O). Связь при помощи

Связь при помощи трех электронных пар называется тройной (H – C ≡ C – H - ацетилен).

Длина связи – это равновесное расстояние между ядрами атомов. Длину связи выражают в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Чем меньше длина связи, тем прочнее химическая связь.

Энергия связи (кДж/моль) равна работе, которую необходимо затратить на разрыв связи. Энергия связи увеличивается с уменьшением длины и увеличением кратности связи.

Ковалентные связи, образуемые многовалентными атомами, имеют пространственную ориентацию. Углы между связями называются валентными.

Контрольные задания

1.Напишите электронные формулы и укажите свойства ковалентных связей (направленность, полярность, насыщенность, кратность) следующих веществ: CO2, CH4, NH3, C2H6, O2.

2.Укажите молекулу, у которой имеет местоπ-связь: CO2,

C2H2, C2H4, CH4.

3. Сколько π-связей в молекулах: CO, C2H4, C2H2?

Контрольные вопросы

1.Какие существуют характеристики ковалентной связи?

2.Что такое σ- и π-связь?

3.Чем определяется полярность связи?

4.Что такое насыщенность и кратность ковалентной связи?

5.Какая связь называется полярной и неполярной?

6.Что такое длина и энергия связи?

80