Методичк Рязановой

m[Ca(OH)2] = ν[Ca(OH)2]·M[Ca(OH)2] = 0,7·74 = 12,52.

Задача 2 . Сколько водорода (по массе и по объему) нужно затратить на получение 50 г аммиака?

Первый способ решения (через массу вещества) 1. Составим уравнение реакции:

N2 + 3H2 = 2NH3

2. Найдем молярные массы водорода и аммиака:

3. Найдем массу водорода. При cоставлении пропорции учитываем коэффициенты

4. На основе следствия закона Авогадро найдем объем водорода:

Второй способ решения (через количество вещества) 1. Вычислим число моль, соответствующее 50 г аммиака:

2. Найдем объем 50 г аммиака:

49

3. Найдем число моль водорода, затраченных на образование 50 г NH3:

N 2 + 3H 2 = 2NH3

Вычисления на основе закона Авогадро и следствий из него

Расчеты объема газа, количества его моль, количества молекул можно производить с помощью закона Авогадро (см. табл. 6). Следует использовать параметры, относящиеся к единице количества вещества – моль:

1 моль

З а д а ч а. Найдите число моль, число молекул, объем 100 г газа, составляющего основную часть воздуха (условия нормальные).

Р е ш е н и е. Основная составная часть воздуха – азот N2, 78,2 % (об.). 1. Найдем число моль в 100 г азота:

2. Найдем число молекул в 100 г азота

3. Найдем объем 100 г азота:

50

Вычисление молярной массы эквивалента химических соединений

Вычисление молярных масс эквивалента кислот производят с учетом их основности (число атомов водорода); оснований – с учетом их кислотности (число гидроксильных групп). Однако если кислота является многоосновной, а основание – многокислотным, то для таких веществ характерно несколько значений эквивалентной массы. Величина молярного эквивалента определяется в зависимости от того, сколько атомов водорода кислоты или сколько гидроксид-ионов основания приняли участие в реакции.

Для химических веществ значения молярных масс эквивалента могут быть различными в зависимости от того, в обменном или окислительно-восстановительном процессе оно принимает участие.

П р и м е р 1. Определите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты в следующих реакциях:

1)Н3РО4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O

Мэкв(Н3РО4 ) = МН33РО4 = 983 = 32,6

2)Н3РО4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O

Мэкв(Н3РО4 ) = МН33РО4 = 982 = 49

Пр и м е р 2. Вычислите молярную массу эквивалента азотной кислоты в двух реакциях:

1) НNO3 + NaOH = NaCl + H2O

Реакция является обменной.

Мэкв(НNО3 ) = МН1NО3 = МНNО3 = 63

разб.

Реакция является окислительно-восстановительной, HNO3 – окислитель.

Мэкв(HNO3 ) = M HNO3 3 = 633 = 21

Молярную массу эквивалента окислителя нашли делением его молекулярной массы на число электронов, принятых одной его молекулой (см. табл. 5).

П р и м е р 3. Найдите молярную массу эквивалента Na2CO3 в двух реакциях:

1)Na2CO3 + НСl = NaHCO3 + NaCl

Мэкв(Na2CO3 ) = MNa12CO3 = MNa2CO3 =106

2)Na2CO3 + 2 НСl = 2 NaСl + CO2 + H2O

51

П р и м е р 4. Вычислите, сколько моль и моль-эквивалентов содержится в 196 г серной кислоты.

Р е ш е н и е 1. Вычислим молярную массу серной кислоты:

2. Вычислим молярную массу эквивалента серной кислоты:

4. Найдем число молярных масс эквивалентов в 196 г H2SO4:

Определение формулы соединения по процентному содержанию элементов

Чтобы найти соотношение между числом атомов в молекуле вещества, нужно разделить процентное содержание элементов на их атомные массы. Если получаются дробные числа, нужно принять наименьшее количество за единицу и разделить на него все полученные величины. Полученные цифры будут соответствовать числу атомов элементов в молекуле вещества.

З а д а ч а. Найдите формулу соединения, содержащего 32,43 % натрия, 22,55 % серы и 45,02 % кислорода.

Р е ш е н и е. Обозначим число атомов натрия, серы и кислорода в молекуле через Х, Y и Z соответственно. Находим соотношения между числами атомов в молекуле вещества:

X : Y : Z = 32,4323 : 22,5532 : 45,0216 =1,4 : 0,7 : 2,8.

Наименьшее количество 0,7 примем за единицу. Тогда, разделив на 0,7 все члены равенства, получим X : Y : Z = 2 : 1 : 4. Следовательно, формула химического вещества

Na2SO4.

Содержание питательных элементов в удобрениях

Содержание питательных элементов в удобрениях выражают в процентах N, P2O5 и K2O. Для соединений, не содержащих кислорода, также производят пересчет на оксиды. Например, количество калия в удобрениях, содержащих КСl, выражают в процентах К2О.

З а д а ч а 1. Образец соли содержит 80 % КСl. Какому процентному содержанию К2О это соответствует?

52

Р е ш е н и е. В 100 г 80 % образца соли содержится 80 г соли. Масса 1 моль КСl равна 74,5 г. Масса 1 моль К2О равна 94 г. Составляем пропорцию, учитывая, что 1 моль К2О отвечает 2 моль КСl:

О т в е т: 100 г образца соответствует 50,4 г К2О, то есть 50,4 % К2О.

З а д а ч а 2. Образец преципитата содержит 60 % СаНРО4. Какому процентному содержанию Р2О5 это соответствует?

Р е ш е н и е. Гидрофосфат кальция СаНРО4 можно представить в виде оксидов:

2CaHPO4 = 2СаО Р2 О5 Н2О

О т в е т: В 100 г преципитата содержится 31,3 г Р2О5, что составляет 31,3 % Р2О5.

Раздел 2 . Строение атома. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Нужно знать: формулировку периодического закона и сущность заложенных в ней идей; современные представления о строении атома; основные закономерности изменения свойств элементов и их сложных соединений.

Нужно уметь: характеризовать строение атома на основе положения элемента в периодической системе; составлять формулы его важнейших соединений; раскрывать значение элемента и его соединений для сельского хозяйства, для растений; анализировать экологические проблемы, связанные с получением и применением практически важных соединений.

Основным законом химии – одним из всеобъемлющих законов природы – является периодический закон Д.И. Менделеева: свойства элементов, а также формы и свойства их сложных соединений находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер.

Периодический закон помогает понять сущность химических явлений, свойства каждого элемента, закономерности изменения свойств большого количества элементов, свойства сложныхвеществ, решатьпромышленные, сельскохозяйственные иучебные проблемы.

Состав атома

1.Атом имеет сложное строение.

2.В центре атома находится ядро. Ядро содержит ядерные частицы, называемые нуклонами. Важнейшими из нуклонов являются протоны (масса равна 1, заряд +1,

т.е. 11 р ) и нейтроны (масса равна 1, заряд 0, т.е. 10n ).

53

Протоны и нейтроны – тяжелые частицы, масса всего атома (ma) равна сумме масс протонов и нейтронов (соответственно mp и mn):

ma = ∑ mp + ∑ mn.

3. Атом является электронейтральной частицей. Заряд атома равен нулю. Это объясняется тем, что вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны (е–). Положительный заряд ядра нейтрализуется отрицательным зарядом электронов. Величина заряда ядра определяет общее число электронов в атоме.

Электронная структура атома определяет его химические свойства.

Чтобы понять разнообразие электронных структур атомов, нужно изучить свойства электрона.

Свойства электрона

Установлено, что электроны обладают двойственными свойствами – свойства-

ми частицы и свойствами волны. Поэтому свойства электрона описываются на основе квантово-механической теории с помощью четырех квантовых чисел.

Квантовые числа

1.Главное квантовое число n характеризует запас энергии электрона на данном уровне и удаленность его от ядра. Оно принимает значения целых чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ...; соответствует номеру электронного уровня, на котором находится электрон; определяет количество подуровней на каждом уровне.

2.Побочное квантовое число l (орбитальное) характеризует орбитальный момент количества движения, определяет форму орбитали (электронного облака, которое образуется при движении электрона в атоме).

Побочное квантовое число принимает значения целых чисел от 0 до (n − 1), то есть 0, 1, 2, 3 ... Количество значений, которое принимает побочное квантовое число, равно величине главного квантового числа.

Электроны с различными значениями побочных квантовых чисел имеют различную форму орбиталей:

Электроны с одинаковой формой электронных орбиталей образуют подуровни на данном электронном энергетическом уровне.

Количество подуровней на уровне соответствует номеру уровня (величине глав-

ного квантового числа).

54

3. Магнитное квантовое число m характеризует магнитные свойства электрона, которые зависят от направления расположения электронного облака в пространстве. Оно принимает значения целых чисел, как положительные, так и отрицательные, включая 0, в пределах величины побочного квантового числа:

Таким образом, число значений, которое принимает магнитное квантовое число, Nm можно вычислить по формуле:

Nm = 2l + 1,

где l − величина побочного квантового числа.

4. Спиновое квантовое число s характеризует собственный момент количества движения электрона. Спин электрона принимает значения +12 и −12 (в единицах 2hπ ).

Квантовые числа n, l, m и s полностью характеризуют свойства электрона, его движение в атоме.

Обнаружено следующее: все электроны в атоме различны. Они различаются ка- ким-нибудь свойством – или запасом энергии, или формой электронного облака, или направлением его расположения в пространстве, или внутренними свойствами, собственным моментом количества движения. А это значит, что электроны должны отличаться друг от друга значением какого-либо квантового числа. Это правило сформулировал Паули. По принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Исходя из этого возможного разнообразия электронов, выведена формула для расчета максимального количества электронов на данном уровне:

Nn = 2 n2,

где n – величина главного квантового числа (номер уровня).

Количество электронов на данном подуровне определяется по формуле:

N1 = 2 (2l + 1),

где l − величина побочного квантового числа.

Электронные орбитали

Состояние электрона, характеризующееся определенными значениями главного, побочного и магнитного квантовых чисел, называют орбиталью (обозначается или –).

55

По следствию принципа Паули, на одной орбитали могут находиться два электрона с противоположными спинами.

Исходя из этого, можно рассчитать количество орбиталей на различных подуровнях:

Орбитали заполняются электронами в соответствии с правилом Хунда.

Правило Хунда

Устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором величина суммарного спина электронов максимальная.

Это условие выполняется, если электроны заполняют все свободные орбитали подуровня сначала по одному, а затем происходит пополнение каждой орбитали вторым электроном.

Нормальное и возбужденное состояние атома

В нормальном состоянии электроны заполняют орбитали подуровня в соответствии с правилом Хунда. При поглощении атомом энергии он может переходить в возбужденное состояние. При этом электроны переходят на свободные орбитали в пределах данного уровня.

Электронные формулы элементов

Электроны заполняют уровни и подуровни в атомах в соответствии с законом минимальной энергии. Электроны поступают сначала на электронные уровни и подуровни с минимальным запасом энергии, то есть как можно ближе к ядру. Запас энергии электронов на уровнях и подуровнях увеличивается в следующей последовательности:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ≈ 4f < 6p < 7s < 6d ≈ 5f < 7p.

В соответствии с этим электроны и заполняют электронные уровни и подуровни в атомах.

Химические свойства элементов являются результатом определенного электронного строения атома. Выявлять химические свойства элементов помогают электронные формулы. При составлении электронной формулы элемента сначала пишут цифру, соответствующую величине главного квантового числа, то есть номеру уровня, на котором находится электрон. Затем пишут букву, соответствующую величине побочного квантового числа, то есть подуровню, на котором находится электрон, и в виде показателя пишут цифру, соответствующую числу электронов на данном подуровне.

56

Например:

Элементы первого периода (один энергетический уровень)

В атоме гелия завершается электронный состав первого энергетического уровня. Элементы, следующие после гелия, повторяют электронное строение первого уровня без всякого изменения.

Элементы второго периода (два энергетических уровня)

Элементы, у которых электроны заполняют s-подуровень, называются s-элементами. Первые два элемента любого периода являются s-элементами.

Элементы, у которых электроны заполняют р-подуровень, называются р-элементами. Последние 6 элементов любого периода являются р-элементами.

В атоме неона завершается электронный состав второго энергетического уровня. Элементы, следующие за неоном, повторяют без изменения электронную структуру первого и второго уровней.

Элементы третьего периода (три энергетических уровня)

57

Третий период заканчивается аргоном, у которого на внешнем – третьем энергетическом уровне 8 электронов. Значит, внешний – третий уровень у аргона завершен, так как на внешнем уровне не может быть больше 8 электронов. Но у других элементов на третьем уровне (если он не является внешним) число электронов может достигать 18.

Свойства s- и р-элементов

Количество электронов на внешнем уровне у s- и р-элементов соответствует номеру группы, в которой находится элемент.

Уs- и р-элементов электроны заполняют внешний уровень и химические свойства элементов меняются быстро, от металлических к неметаллическим.

Главные подгруппы периодической системы образуют s- и р-элементы.

Уs- и р-элементов валентными являются электроны внешнего уровня.

Элементы четвертого периода (четыре энергетических уровня)

В больших периодах между первыми двумя s-элементами и последними шестью р-элементами, у которых электроны заполняют внешний уровень, внедряются 10 d-элементов, у которых электроны заполняют d-подуровень второго снаружи уровня.

Sc 1s22s22p63s23р63d14s2

№ 21 (1-й d-элемент) 21 е–

Мn 1s22s22p63s23р63d54s2

№ 25 (5-й d-элемент) 25 е–

Zn 1s22s22p63s23s63d104s2

№ 30 (10-й d-элемент) 3завершенуровень

30 е–

В атоме цинка завершается третий электронный уровень (18 е–). Элементы, следующие за цинком, без изменения повторяют электронное строение трех уровней. Последние 6 элементов периода являются р-элементами.

Свойства d-элементов

У всех d-элементов, независимо от номера группы, на внешнем уровне находится 2 электрона (или один электрон, если имеет место проскок электрона). Поэтому d-элементы проявляют металлические свойства. У d-элементов валентными являются электроны двух уровней – внешнего уровня и d-подуровня предпоследнего уровня. Побочные подгруппы периодической системы образуют d-элементы.

Изменение электронной структуры, величин радиусов атомов элементов приводит к изменению их химических свойств. Периодическое изменение электронного строения атомов элементов является причиной периодического изменения химических свойств элементов, а также сложных соединений, которые они образуют.

58