Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Учебное пособие с заданиями к самостоятельной работе
.pdf
11
Орбитальное квантовое число l (побочное) уточняет запас энергии
электрона, что ведет к делению энергетического уровня на подуровни, а
также определяет форму электронного облака. Принимает значения от 0 до
(n-1). (т.е l бывают s, p, d и f).
Магнитное квантовое число ml определяет направление атомной
орбитали в пространстве различных магнитных полей, т.е. характеризует
пространственную ориентацию электронного облака. Принимает значения
от – l через 0 до + l). Общее число ml = 2l +1.
Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными
значениями квантовых чисел n, l, ml, т.е определенными размерами,
формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называют
атомной орбиталью.
ns подуровень ml = 0 (1 орбиталь)
np подуровень ml = -1, 0, 1 (3 орбитали)
nd подуровень ml = -2, -1, 0, 1, 2 (5 орбиталей)
nf подуровень ml = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 (7 орбиталей)
Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент
импульса электрона, связанный с вращением его вокруг собственной оси
(англ. spin — веретено). Принимает значения +1/2 и – 1/2. Положительное
и отрицательное значения спина связаны с его направлением. Поскольку
спин — величина векторная, электрон с соответствующим знаком ms
условно обозначают стрелкой, направленной вверх или вниз: ↑ или ↓. В
пределах одной орбитали могут находиться только два электрона с
противоположными спинами. В результате s-подуровень может содержать
только 2 электрона, p-подуровень 6 электронов (3 орбитали),
d-подуровень 10 электронов (5 орбиталей), f-подуровень
14 электронов (7 орбиталей). Общая характеристика электрона в
многоэлектронном атоме определяется принципом Паули: в атоме не
может быть двух электронов, у которых бы все 4 квантовые числа были бы
одинаковы.
Распределение электронов по квантовым уровням происходит в
соответствии с законом минимума энергии: электроны заполняют
свободные орбитали с минимальной энергией.
1s/ 2s2p/ 3s3p/ 4s3d4p/ 5s4d5p/ 6s4f5d6p/ 7s5f6d7p/
Периодический закон Менделеева: свойства химических элементов, а
также формы и свойства их соединений находятся в периодической
зависимости от заряда ядер их атомов.). При сопоставлении периодической
системы с электронным строением атома установлены следующие
закономерности (атомы в невозбужденном состоянии). Число квантовых
уровней у атома любого элемента равно номеру периода. На внешнем
энергетическом уровне максимальное число электронов равно 8 (s2p
6
). На
предвнешнем квантовом уровне максимальное число электронов равно 18
(s2p6d10). Максимальное число электронов в различных квантовых уровнях
определяется по формуле 2n2
12
Число электронов равно положительному заряду ядра. Каждый
элемент в периодической системе отличается от предыдущего на
1 электрон. Этот электрон размещается в квантовой ячейке (атомной
орбитали) с минимальной энергией.
Распределение электронов в атомах химических элементов
подчиняется правилу Клечковского: заполнение электронных уровней в
периодической системе происходит в порядке возрастания суммы n+l
(раньше заполняется там, где меньше n+l); если для двух подуровней
сумма n+l будет одинаковой, то заполняется подуровень с меньшим n.
Вопросы для самоконтроля
1. Сколько электронов может максимально находиться на одной
электронной орбитали?
2. Сколько электронов максимально может находиться на s-подуровне?
р-подуровне? d-подуровне?
3. Какой энергетический уровень заполняется раньше: первый или
второй? Ответ поясните.
4. Почему в атоме лития электрон, расположенный на втором
электронном уровне, находится на s-орбитали, а не на р-орбитали?
5. Как распределяются электроны по орбиталям на р-подуровне?
6. Какие квантовые числа определяют состояние электрона?
7. Что характеризует главное квантовое число электрона?
8. Что характеризует орбитальное квантовое число электрона?
9. Что характеризует магнитное квантовое число электрона?
10. Что характеризует спиновое квантовое число электрона?
11. Какие значения может принимать спиновое квантовое число
электрона?
12. Как обозначается квантовое число электронных слоев?
Задания для самостоятельной работы
1. Что характеризует орбитальное квантовое число? Какие значения
оно принимает? Какие типы электронных орбиталей вам известны?
2. Что характеризует спиновое квантовое число электрона?
3. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий располагаются в
одной группе? Почему их помещают в разные подгруппы? Составьте
формулы высших оксидов этих элементов и определите их характер.
4. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов второго
периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется
кислотно-основной характер этих соединений?
5. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов
ІІІ-А подгруппы. Как изменяется кислотно-основной характер этих
соединений и почему?
6. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего
периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется
кислотно-основной характер этих соединений?
13
7. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют углерод,
фосфор, сера и йод? Составьте формулы соединений данных элементов,
отвечающих этим степеням окисления. Как изменяется их окислительная
активность?
8. Как изменяется окислительная активность элементов
ІV-А подгруппы, р-элементов V периода? Дайте мотивированный ответ.
9. Как изменяется радиус атомов у элементов V-А подгруппы,
р-элементов четвертого периода? Как изменяется их окислительная
активность?
10. Как изменяется восстановительная активность s-элементов первой
группы? Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов этой
группы. Как изменяется основной характер этих гидроксидов?
11. Как изменяется восстановительная активность металлов
II-А группы? Как изменяется основной характер оксидов и гидроксидов
этих металлов?
12. Как изменяются свойства р–элементов V-А подгруппы? Составьте
формулы соединений, отвечающих их низшей и высшей степеням
окисления.
13. Как изменяется окислительная активность, неметаллические
свойства элементов VІІ-А подгруппы? Составьте формулы водородных
соединений элементов этой подгруппы.
14. Какой из элементов четвертого периода, ванадий или мышьяк,
обладает более выраженными металлическими свойствами? Напишите
формулы кислородных соединений этих элементов, укажите их характер.
15. У какого из элементов четвертого периода, хрома или селена,
сильнее выражены металлические свойства? Почему? Составьте формулы
оксидов и гидроксидов, укажите их характер.
16. Как изменяется восстановительная активность элементов третьего
периода? Почему? Составьте формулы оксидов этих элементов.
17. Исходя из величины степени окисления атомов, определите, какой
из двух гидроксидов является более сильным основанием: а) Fe(OH)
2
или
Fe(OH)
3
, б) Mn(OH)
2
или Mn(OH)4, в) Sn(OH)2 или Sn(OH)4?
18. Какую низшую степень окисления проявляют: хлор, сера, азот,
углерод? Составьте формулы водородных соединений этих элементов. Как
изменяется восстановительная способность этих соединений?
19. Какую высшую и низшую степени окисления проявляет кремний,
мышьяк, селен, хлор? Составьте формулы соединений данных элементов,
отвечающих этим степеням окисления.
20. У какого из р–элементов пятой группы периодической системы,
фосфора или сурьмы, неметаллические свойства сильнее выражены?
Составьте формулы водородных и кислородных соединений этих
элементов.
21. Укажите самый активный металл и неметалл пятого периода.
Напишите формулы их оксидов и укажите их характер.
14
22. Хлор образует соединения, в которых он проявляет степени
окисления 1+, 3+, 5+, 7+. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов,
отвечающих этим степеням окисления. Как изменяется сила кислот?
23. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий располагаются
в одной группе? Почему их помещают в разные подгруппы? Составьте
формулы высших оксидов этих элементов и определите их характер.
Тема 3. Истинные растворы. Растворение веществ как физикохимический процесс. Коллигативные свойства растворов
Раствор однородная (гомогенная) многокомпонентная система,
состоящая из растворителя, растворенных веществ и продуктов их
взаимодействия. Растворитель — вещество, в среде которого равномерно
распределены в виде молекул или ионов растворенные соединения, это
компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном
состоянии, что и раствор. Если же вещества до растворения находились в
одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то
растворителем будет компонент в большем количестве.
Различают истинные и коллоидные растворы. К истинным растворам
относятся растворы, в которых частицы растворенного вещества имеют
размеры 10-7-10
-8
м. Коллоидные растворы имеют размеры частиц
10-3-10
-7
м.
По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская
вода), газообразными (воздух) или твердыми (многие сплавы металлов).
Растворение — физико-химический процесс, при котором частицы
растворяемого вещества взаимодействуют с частицами растворителя, при
этом образуется гомогенная устойчивая система переменного состава. При
растворении протекает физический процесс разрушения структуры
растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами
растворителя. Одновременно происходит взаимодействие молекул
растворителя с частицами растворенного вещества, это химический
процесс.
Энергетической характеристикой растворения является теплота
образования раствора, алгебраическая сумма тепловых эффектов всех
эндо- и экзотермических стадий процесса. Эндотермические,
поглощающие теплоту процессы, такие, как разрушение кристаллической
решетки, разрывы химических связей в молекулах и т.д.; экзотермические,
выделяющие теплоту процессы, такие, как образование продуктов
взаимодействия растворенного вещества с растворителем (сольваты,
гидраты) и др.
Способы выражения концентрации растворов
Массовая доля
(или процентная концентрация вещества)
отношение массы растворенного вещества
вавm
к общей массе раствора
15
рарm
. Для бинарного раствора, состоящего из растворённого вещества и
растворителя:
рар
вав
m
m
.
Массовую долю выражают в долях от единицы или в процентах.
Молярная концентрация
M
c
или молярность, моль/л количество
молей растворённого вещества
вавn
в одном литре раствора V:
VМ
m
V
n
c
вав
ваввав
M
.
Раствор называют молярным или одномолярным, если в 1 л раствора
растворен 1 моль вещества, децимолярным растворен 0,1 моль
вещества, сантимолярным растворен 0,01 моль вещества,
миллимолярным растворен 0,001 моль вещества.
Моляльная концентрация (моляльность) раствора
т
c
, моль/кг,
показывает количество молей растворенного вещества
вавn
в 1 кг
растворителя
лярL
:
т
c
=
лярвав
вав
ляр
вав
LМ
m
L
n
.
Титр, г/мл содержание растворенного вещества в граммах в 1 мл
раствора:
рар
вав
V
m
Т
.
Мольная доля растворённого вещества безразмерная величина,
равная отношению количества растворенного вещества
вавn
, моль, к
общему количеству растворенного вещества и растворителя
(
лярвав
nn
), моль, в растворе:
лярвав
вав
nn
n
.
Нормальная концентрация раствора
,нc
моль-экв/л, (нормальность или
молярная концентрация эквивалента вещества) число граммэквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора.
16
,
рарвав
вав
н
VЭ
т
c
Грамм-эквивалент вещества количество граммов вещества,
численно равное его эквиваленту. Эквивалент
вавЭ
условная единица,
равноценная одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или
одному электрону в окислительно–восстановительных реакциях.
Раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и
записывают как 0,1 н.
Растворимость вещества s максимальная масса вещества, которая
может раствориться в 100 г растворителя:
100
ляр
вав
m
т
s
.
Коэффициент растворимости отношение массы вещества,
образующего насыщенный раствор при данной температуре, к массе
растворителя:
ляр
вав
s
m
т
k
.
Растворы, образованные частицами строго одинакового размера,
между которыми действуют примерно одинаковые силы
межмолекулярного взаимодействия, не происходит химического
взаимодействия, изменения температуры и объема называются
идеальными.
У идеальных растворов (как и у идеальных газов) некоторые свойства
не зависят от природы растворенного вещества. К идеальным растворам
стремятся очень разбавленные растворы.
Предельно разбавленными называются такие растворы, в которых
молярная доля растворенного вещества
1
х
< 0,005 и, следовательно,
молярная доля растворителя
2
х
близка к единице.
Поведение растворенного вещества в предельно разбавленном
растворе не подчиняется законам идеальных растворов. Растворение газов
в воде представляет собой экзотермический процесс. Поэтому
растворимость газов с повышением температуры уменьшается. При
растворении газа в жидкости устанавливается равновесие:
Газ + Жидкость
Насыщенный раствор
При этом объем системы существенно уменьшается. Следовательно,
повышение давления должно приводить к смещению равновесия вправо, к
увеличению растворимости газа.
17
Давление пара растворенного вещества подчиняется закону Генри:
для предельно разбавленных растворов парциальное давление
насыщенного пара растворенного вещества пропорционально его
молярной доле:
1
хkр
,
где
k
константа Генри (или коэффициент Генри).
Следствие из закона Генри: объем газа, растворяющегося при
постоянной температуре в данном объеме жидкости, не зависит от его
парциального давления. Газы подчиняются закону Генри при невысоких
давлениях и в случае отсутствия химического взаимодействия между
молекулами газа и молекулами растворителя.
Свойства растворов, которые зависят только от концентрации частиц в
растворе и не зависят от природы растворенного вещества, называются
коллигативными.
К коллигативным свойствам растворов относят:
- понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором;
- понижение температуры замерзания и повышение температуры
кипения растворов по сравнению с температурами замерзания и кипения
чистых растворителей;
- осмотическое давление.
Уравнения, описывающие коллигативные свойства, выведены из
условия, что частицы в растворе не взаимодействуют между собой, то есть
ведут себя аналогично идеальным газам. Следует отметить, реальные
растворы не обладают свойствами идеального раствора, но при малых
значениях концентраций растворенного вещества практически ведут себя
как идеальные, и уравнения, описывающие коллигативные свойства,
достаточно точны для большинства разбавленных растворов.
Первый закон Рауля
Давление насыщенного пара растворителя над раствором
р
всегда
меньше, чем над чистым растворителем
о
р
.
Пар над жидкостью в состоянии равновесия называется насыщенным
паром. Давление насыщенного пара — характерная величина для данного
вещества, зависит от температуры. Если в жидкости растворены нелетучие
вещества, то давление ее пара понижается. Это связано с тем, что
поверхность раствора частично занята сольватированными молекулами
растворенного вещества, благодаря чему уменьшается поверхностная
концентрация молекул самого растворителя, и, следовательно, скорость
его испарения.
Одним из важнейших коллигативных свойств идеальных растворов
является изменение давления насыщенного пара растворителя над
раствором вследствие того, что при растворении нелетучего компонента в
растворителе в поверхностном слое жидкости концентрация молекул
растворителя уменьшается. При этом снижается давление пара
18
растворителя
р
над раствором по сравнению с давлением насыщенного
пара над чистым растворителем
о
р
(рис. 2). Явление было описано в 1884 г.
французским химиком Франсуа Мари Раулем (1830-1901). Количественно
оно выражается законом, который называется законом Рауля. Понижение
давления пара раствора
р
равно разности между давлением пара
растворителя (
о
р
) и давлением пара раствора
р
.
Растворитель
Раствор
Рис. 2. Изменение количества молекул растворителя,
создающих давление пара над чистым растворителем и над раствором
Понижение давления пара раствора
р
прямо пропорционально
мольной доле растворенного вещества в растворе или пропорционально
отношению числа молей растворенного вещества к общему числу молей,
содержащихся в растворе.
ррр
о
.
лярвав
вав
оо
nn
n
рррр
,
где
вавn
— число молей растворенного вещества;
лярn
— число молей растворителя.
Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя
над раствором
о
о
р
рр
равно мольной доле растворенного вещества :
о
о
р
рр
или
о
о
р
рр
лярвав
вав
nn
n
.
Второй закон Рауля
Понижение температуры замерзания
зам
t
и повышение температуры
кипения
кип
t
растворов по сравнению с таковыми для чистого
19
растворителя пропорциональны моляльной концентрации
m
с
растворенного вещества:
эбул
ляр
вав
эбулmэбулкип
K
m
n
KсKt
лярвав
вав
mМ
m
,
криоск
ляр
вав
криоскmкриоскзам
K
m
n
KсKt
лярвав
вав
mM
m
,
где
эбул
K
эбуллиоскопическая константа растворителя, (кг·град С)/моль;
криоск
K
криоскопическая константа растворителя, (кг·град С)/моль;
m
с
моляльная концентрация, моль/кг;
Зная температуры кипения и замерзания чистых растворителей
и
зам
t
,
кип
t
можно рассчитать температуры кипения и замерзания
растворов:
кипляркип
рар
кип
ttt
..
;
замлярзам
рар
зам
ttt
.
.
Осмос. Осмотическое давление
Растворы однородны по всем частям объема. Если в один сосуд
поместить внизу концентрированный раствор, а сверху разбавленный,
то через некоторое время данная неоднородная масса станет однородной.
Такой самопроизвольный процесс перемешивания вещества, приводящий
к выравниванию его концентрации, называется диффузией. Если между
двумя растворами поместить полупроницаемую перегородку (мембрану),
то выравнивание концентраций будет проходить только вследствие
перемещения молекул растворителя (рис. 3).
Рис. 3. Осмос через полупроницаемую мембрану
20
Такая односторонняя диффузия растворителя из менее
концентрированного в более концентрированный раствор через
полупроницаемую мембрану называется осмосом.
Закон Вант-Гоффа
Осмотическое давление раствора равно газовому давлению, которое
производило бы растворенное вещество, находясь в газообразном
состоянии и занимая объем, равный объему раствора. Ученый-химик Якоб
Вант-Гофф в 1884 г. на основании анализа экспериментальных данных
П.Ф. Пфейфера по измерению осмотического давления растворов сахара
получил уравнение
TRср
Мосм
TR
VМ
m
paрвав
вав
,
где
осм
р
осмотическое давление, кПа;
М
с
молярная концентрация растворенного вещества, моль/л;
R
универсальная газовая постоянная, R= 8,314 Дж/(моль·К);
T
абсолютная температура, К;
рарV
объем раствора, л.
Осмотическое давление сила, обуславливающая осмос и отнесенная
к единице поверхности, при этом давлении прекращается диффузия
растворителя через мембрану. Измеряют осмотическое давление
осмометром (рис. 4). Он состоит из сосуда с трубкой, которая соединяется
с манометром. Окошко сосуда закрыто полупроницаемой мембраной.
Рис. 4. Схема осмометра:
1— осмометр; 2 — манометр; 3 — сосуд с растворителем
Сосуд с раствором опускают в растворитель. Растворитель
диффундирует через мембрану в раствор, уровень жидкости в трубке
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]