- •I. Основные понятия и законы химии. Атомные и молекулярные массы. Моль.
- •II. Эквивалент. Эквивалент простого и сложного вещества. Закон эквивалентов.
- •III. Строение атома. Развитие периодического закона.
- •Ядро атома. Ядерные реакции. Радиоактивность.
- •IV. Классы неорганических соединений степени окисления
- •Свойства оксидов, гидроксидов и солей. Оксиды
- •Гидроксиды
- •Основания
- •Основания делятся на растворимые и нерастворимые в воде.
- •Кислоты
- •Амфотерные гидроксиды
- •V. Ионные реакции
- •Реакции с образованием газов
- •VI. Окислительно-восстановительные реакции
- •5 Группа (на примере азота)
- •6 Группа ( на примере s)
- •7 Группа ( на примере хлора)
- •Окислительно-восстановительные свойства соединений марганца (d-семейство)
- •Окислительно - восстановительные свойства соединений хрома (d-семейство).
- •VII. Химическая кинетика и равновесие
- •VIII. Энергетика химических процессов. Элементы химической термодинамики.
Ядро атома. Ядерные реакции. Радиоактивность.
Ядро атома состоит из протонов (относительная масса 1, относительный заряд +1) и нейтронов (относительная масса 1, заряд 0). Протоны и нейтроны относятся к элементарным частицам.
Число протонов в ядре атома Z определяет положительный заряд ядра. Этот заряд в относительных единицах равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Относительная масса ядра складывается из массы протонов, которая также будет равна Z, и массы нейтронов, которая в относительных единицах (а.е.м.) равна числу нейтронов в ядре N. Так как практически вся масса атома сосредоточена в ядре (масса электронной оболочки значительно меньше массы ядра), можно считать, что относительная атомная масса равна сумме масс протонов и нейтронов в ядре:
Ar = Z+N
Все химические элементы имеют атомы с различными массами – изотопы. Изотопы какого-либо элемента отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре. Элемент водород, например, имеет три изотопа: протий 11Н (в ядре 1 протон и О нейтронов, относительная масса атома 1), дейтерий 12Н или D (в ядре 1 протон и 1 нейтрон, относительная масса атома 2) и тритий 13Н или Т (в ядре 1 протон и 2 нейтрона, относительная масса атома 3). Многие элементы в природе имеют несколько изотопов. Большое число изотопов химических элементов получают искусственным путем.
Пример. Исходя из положения элементов в ПСЭ, составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?
Решение. Используя представления о распределении металлических и неметаллических свойств элементов в периодах, а также о зависимости высшей степени окисления от номера группы, можно изменения химических свойств элементов III периода представить в следующей таблице:
Номер группы
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
Элемент
|
Na |
Mg |
Al |
Si |
P |
S |
Cl |
Валентные электроны |
3s1 |
3s2 |
3s23p1 |
3s23p2 |
3s23p3 |
3s23p4 |
3s23p5 |
Высшая степень окисления |
+1 |
+2 |
+3 |
+4 |
+5 |
+6 |
+7 |
Формула оксида
|
Na2O |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
SO3 |
Cl2O5 |
Формула гидроксида |
NaOH |
Mg(OH)2 |
Al(OH) 3 H3AlO3 |
H2SiO3 |
H3PO4 |
H2SO4 |
HClO4 |
Химический характер гидроксида |
основной |
основной |
амфотерный |
кислый |
кислый |
кислый |
кислый |
Пример. Составить электронную формулу атома кремния и графическую схему заполнения электронами валентных орбита-лей этого атома в нормальном и в возбужденном состояниях.
Р е ш е н и е. Составляем электронную формулу атома кремния. 1s22s22p63s23p2. Валентными орбиталями в этом атоме являются орбитали внешнего (третьего) электронного слоя, т.е. 3s-, Зр- и незаполненные Зd-орбитали. Графически схема заполнения электронами этих орбиталей имеет следующий вид:
|
|
|
|
|
|
3d |
|
|
|
|
3p |
|
|
|
|
|
|
3s |
↑ |
↑ |
|
|
|
|
|
|
↓↑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Размещение электронов на 3р-подуровне показано здесь в соответствии с правилом Хунда: суммарный спин атома имеет при этом максимальное значение (1). Другие возможные размещения электронов на Зр-подуровне, например,
3p 3p
↑
|
↓
|
|
|
или
|
|
↓↑ |
|
|
отвечают нулевому значению суммарного спина атома и, следовательно, соответствуют возбужденному состоянию атома.
При затрате некоторой энергии один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную Зр-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так что возникающая электронная конфигурация (1s22s22p 63s 13p3) также соответствует одному из возможных возбужденных состояний кремния:
|
|
|
|
|
|
3d |
|
|
|
|
3p |
|
|
|
|
|
|
3s |
↑ |
↑ |
↑ |
|
|
|
|
|
↑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронными аналогами называют элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых общей для всех элементов формулой. В периодической системе элементов электронные аналоги входят в состав одной подгруппы.
Пример . На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов? Почему их помещают в разных подгруппах? Р е ш е н и е. Электронные конфигурации атомов:
Cl 1s22s23p63s23p5 ; Mn 1s22s22p63s23p63d54s2.
Валентные электроны хлора — 3s23р5, а марганца — 3d54s2; таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. На этом основании оба элемента помещают в одну и ту же седьмую группу периодической системы, но в разные подгруппы.
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
В каких группах и подгруппах периодической системы находятся s- и р-элементы?
Какое максимальное число электронов может находиться на третьем и четвертом энергетических уровнях?
Как теория строения атома объясняет усиление неметаллических свойств элементов в пределах периода с увеличением атомного номера?
Как с точки зрения теории строения атома объяснить усиление металлических свойств элементов с увеличением их атомной массы в пределах группы?
На основании строения атома докажите, у какого элемента II группы, у магния или стронция,
сильнее проявляются металлические свойства.
Что общего в строении атомов лития, натрия, калия?
Назовите элементы I группы, в предпоследнем слое атомов которых содержится 8 электронов,18 электронов.
Напишите электронные формулы для ионов: Fe2+, Fe3+, Cl-, S2-, Cu2+, Сr3+.
Может ли ион двухвалентного металла иметь электронную конфигурацию ls22s22p63sl; ls22s22p63s23p6?
На основании электронной структуры установите химические свойства элементов с порядковыми номерами 7, 17, 20, 26.
Сколько электронных слоев у атомов с числом протонов в ядре 4, 9, 17, 19? Ответ обоснуйте.
Для всех ли элементов номер группы соответствует числу электронов в последнем слое атома? Ответ поясните.
Сколько неспаренных электронов содержится в основном состоянии в электронных оболочках атомов хлора, серы, углерода?
Среди приведенных ниже конфигураций укажите возможные и невозможные: а)1р2; б) 4s2; в) 5f4; г) 3d3; д) 4р5; е) 2р4; ж) 3d8.
В следующих конфигурациях укажите, какие подуровни достроены, а какие не заполнены электронами до полной их емкости: a)3s2; б) 5d8; в) 4f14; г) 6s1; д) 2р6; е) 3d10.
Составьте электронную формулу атома элемента, расположенного: а) в шестой группе III периода; б) в четвертой группе в пятом ряду IV периода; в) в седьмой группе в седьмом ряду V периода.
Назовите элементы IV, V и VI периодов, у которых заканчивается заполнение d-орбиталей (3d10, 4d10, 5d10).
Напишите электронные формулы атомов IV периода седьмой группы.
Назовите элементы, имеющие следующие электронные формулы:
а) 1s22s22p63s23p5; б) 1s22s22p63s23p64s1;
в) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1;
Напишите электронную формулу атома железа. Как распределяются электроны на d-подуровне и какова высшая валентность железа?
Назовите элементы, имеющие по одному электрону на 3d-и 4d-пoдypoвняx. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и укажите их положение в периодической системе.
Исходя из распределения электронов по орбиталям атома кремния в возбужденном состоянии, объясните проявление этим v элементом валентности, равной четырем.
На примере марганца и мышьяка покажите применимость правила Хунда.
Назовите элементы, имеющие по одному электрону на Зр1- и 4р1-подуровнях. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и укажите их положение в периодической системе.
Сколько свободных d-орбиталей имеет атом ванадия? Напишите для него электронную и электронно-графическую формулы.
Пользуясь правилом Хунда, покажите распределение электронов по квантовым ячейкам (орбиталям) у атомов хлора, кобальта, азота.
Напишите электронно-графическую формулу для атома хлора. Сколько электронных пар в атоме хлора и какие орбитали они занимают? Сколько неспаренных электронов в атоме хлора?
Могут ли содержаться d-электроны в данном слое, если его структура заканчивается одной из следующих конфигураций: 3s1; 4p1; 5f11?
Напишите электронные формулы атомов элементов: цезия, лантана, тантала, свинца. К каким элементам они относятся (s, p, d или f)?
Указать порядковый номер элемента, у которого: а) заканчивается заполнение электронами орбиталей 4d; б) начинается заполнение подуровня 4р.
Какой подуровень заполняется в атомах после подуровня 5s?
У какого элемента начинает заполняться подуровень 4f? У какого элемента завершается заполнение этого подуровня?
Записать электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра: а) 8; б) 13; в) 18; г) 23; д) 53; е) 63; ж) 83. Составить графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей этих атомов.
Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации: а) 1р3; б) 3р6; в) 3s2; г) 2s2; д) 2d5; e) 5d2; ж) 3f12; з) 2р4; и) Зр7.
Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы: а) В; б) S; в) As; г) Сr; д) Hg; e) Eu?
Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается формулой: а) 5s25p4; б) 3d54s1. Определить порядковый номер и название элемента.
Электронная структура атома описывается формулой 1s22s22p63s23p63d64s2. Какой это элемент?
Написать электронные формулы ионов: а) Sn2+; б) Sn4+; в) Мn2+; г) Сu2+; д) Cr3+; e) S2-.
Составьте электронную формулу атома элемента , подчеркните в формуле валентные электроны, укажите к какому электронному семейству относится данный элемент. Распределите электроны атома по электронным ячейкам и укажите число неспаренных электронов в атоме в нормальном (невозбуждеяном) состоянии. Напишите формулу высшего оксида. Определите число протонов и нейтронов:
а) 3517 Cl и 3717 Cl ; б) 4220 Ca и 4020 Ca ; в) 6831Ga и 7031Ga ; г) 3216S и 3416S ; д) 2311Na и 2411Na ;
и) 5525Mn и 5625Mn ; к) 4722Ti и 4822Ti ; л) 3015P и 3215P ; м) 2814Si и 3014Si ; н) 2613Al и 2713Al .
Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов III периода ПСЭ, отвечающие их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?
Что такое сродство к электрону? Как изменяется окислительная активность элементов в ряду N, О, F? Ответ мотивируйте строением атомов данных элементов.
Какую высшую степень окисления проявляют мышьяк, хром. марганец? К каким электронным семействам принадлежат эти элементы? Составьте формулы оксидов данных элементов, отвечающих этой степени окисления.
Какую низшую степень окисления проявляют фосфор, кислород, фтор, кремний? Почему? Составьте и назовите формулы водородных соединений этих элементов. К какому электронному семейству они относятся?
Что понимают под электроотрицательностью? Как изменяются неметаллические свойства элементов в рядах: a) Si, Р, S, Cl; б) Cl, Br, I ? Почему?
Что такое энергия ионизации ? Используя значения J , объясните, какой из металлов - калий, рубидий, цезий или франций– легче всего окисляется.
Внешние уровни атомов имеют строение ...2s22p2; ...4s24p 1 ; ...5s25p4; ...6s1. В каких периодах, группах и подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам они принадлежат?
Внешний и предвнешний уровень имеет строение: ... 3s23p63d44s2; ...4s24p64d105s25p4. В каких периодах, группах и подгруппах находятся эти элементы, к какому электронному семейству они относятся? Составьте формулы оксидов, соответствующие высшей степени окисления этих элементов.
Какие степени окисления проявляют углерод и хлор? Ответ мотивируйте , исходя из строения атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов, соответствующие всем возможным положительным степеням окисления этих элементов.