Zadachi_po_khimii

Методика самостоятельной работы. Основная форма работы студентов-заочников над изучаемым курсом – работа с книгой. Изучать курс рекомендуется по темам в следующем порядке:

1.Прочесть все разделы учебника, относящиеся к данной теме.

2.Детально изучить материал: усвоить теоретические положения, математические соотношения и принципы решения задач.

Контрольные задания. В процессе изучения курса химии студент должен выполнить два контрольных задания. Варианты заданий приведены на стр. 77-79.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена. Для замечаний следует оставлять поля. Решения задач необходимо

3

представлять в порядке, указаном в задании. Работа должна быть подписана и датирована. Работа отсылается в институт на рецензию. Если контрольная работа не зачтена, следует выполнить ее во второй раз в соответствии с указаниями рецензента и выслать на повторное рецензирование вместе с незачтенной работой.

Консультации. Для оказания помощи студентам в изучении и усвоении ими учебного материала проводятся устные и письменные консультации. За письменной консультацией следует обращаться на кафедру, устной – в учебно-консультационный пункт.

Лабораторные занятия. Для студентов, проживающих в Москве или в месте нахождения филиала, лабораторные занятия организуются в течение семестра. Остальные студенты выполняют работы в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Зачет. Выполнив лабораторный практикум, студенты сдают зачет. Они должны объяснить результаты работы и выводы из них. Экзамен. К сдаче экзамена допускаются студенты, которые сдали зачет по лабораторному практикуму. Студенты, сдающие экзамен, предъявляют экзаменатору обе контрольные работы, отрецензированные и зачтенные преподавателем.

ПРОГРАММА КУРСА

Строение атомов и Периодический закон Д.И. Менделеева

Квантовые числа. Принцип Паули. Энергетические диаграммы атомов. Последовательность заполнения энергетических уровней. Правила Клечковского. Правило Хунда. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и энергетическая структура атомов. Электронные семейства элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации, cродство атома к электрону, электроотрицательность.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. I

[2], гл. II

Химическая связь и строение молекул

Типы химических связей. Метод валентных связей. Направленность ковалентной связи и строение молекул. Метод молекуляр-

4

ных орбиталей. Энергетические диаграммы двухатомных молекул. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Понятие о комплексных соединениях. Водородная связь. Классификация кристаллов по типу химической связи в них.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. II

[2], гл. III

Энергетика химических процессов и химическое сродство

Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические расчеты. Энтальпия образования химического соединения. Энергетические эффекты фазовых переходов. Экзотермические и эндотермические процессы. Понятие об энтропии. Изменение энтропии при химических процессах и фазовых переходах. Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах. Направленность химических процессов.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. V

[2], гл. I

Химическая кинетика и химическое равновесие

Скорость химических реакций в гомогенных и гетерогенных системах. Основной постулат химической кинетики. Температурная зависимость скорости химических реакций. Цепные реакции. Понятие о фотохимии и радиационной химии. Химические и фазовые равновесия. Принцип Ле Шателье.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. V1, VII [2], гл. I

Равновесия в растворах

Растворы. Равновесия в растворах электролитов. Сильные и слабые электролиты. Кислотно-основные свойства веществ. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Гидролиз солей.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. VIII или [2], гл. VI

5

Дисперсные системы и поверхностные явления

Основные виды дисперсных систем Поверхностные явления. Коллоиды и наносистемы. Получение, устойчивость. ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. VIII или [2], гл. VI

Электрохимические процессы

Электродные потенциалы. Водородный электрод. Ряд активности металлов. Теория гальванических элементов. Основные виды коррозии металлов. Методы защиты от коррозии. Химические реакции под действием электрического тока. Законы электролиза. ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. X, XI или [2], гл. VIII

Полимеры. Методы получения полимерных веществ

Реакции полимеризации. Радикальная и ионная полимеризация. Реакции поликонденсации. Аморфные и кристаллические полимеры. Релаксационные и ориентационные явления в полимерах. Механические и электрические свойства полимеров.

ЛИТЕРАТУРА

[1], гл. XШ, ХIV

[2], гл. ХШ, ХIV

Основная литература

[1].Н.В. Коровин, и др. Курс общей химии. М.: Высшая школа. 1998, 558 с.

[2].А.Н. Харин, Н.А. Катаева, Л.Т. Харина. Курс химии. М.: Высшая школа. 1983. 431с.

Дополнительная литература

[4]А.В. Глинка. Курс общей химии. М.: Высшая школа. 1990.

[5]В.А. Киреев. Курс физической химии. М.: Высшая школа. 1975.

6

Тема 1. Строение атомов и Периодический закон Д.И. Менделеева

Пример 1. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит 2 электрона на 3d-подуровне. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент, как он называется и к какому электронному семейству относится?

Решение. Поскольку 3d-подуровень заполняется по правилу Клечковского только при заполненном 4s-подуровне, данный d-элемент (переходный металл) находится в четвертом периоде. Общее число валентных электронов с учётом 2 электронов на 4s- подуровне составляет 4, что соответствует 4 группе таблицы Менделеева. В побочной подгруппе четвёртой группы четвёртого периода расположен титан (Ti). Следовательно, два электрона на подуровне 3d имеются у атома титана.

Электронная формула атома Ti: 1s22s22p63s23p64s23d2. Титан относится к d-электронному семейству элементов, энергетическая диаграмма его атома с учетом правил Клечковского и правила Хунда имеет следующий вид:

Задачи

1.Перечислите квантовые числа, определяющие состояние электрона в атоме. Укажите, что они характеризуют.

2.Объясните, что означает термин «корпускулярно-волновой дуализм». Приведите уравнение движения электрона. Укажите физический смысл волновой функции.

3.Что определяет главное квантовое число? Какие значения оно может принимать? Рассчитайте максимальное количество электронов на N-уровне. Напишите электронные формулы титана и свинца. К каким семействам они относятся?

7

4.Что определяет орбитальное квантовое число? Какие значения оно может принимать? Рассчитайте максимальное количество электронов на d-подуровне.

5.Что называется электронной орбиталью? Какое квантовое число определяет пространственную ориентацию орбитали? Рассчитайте максимальное число орбиталей на f-подуровне.

6.Что определяет спиновое квантовое число? Какие значения оно может принимать? Сколько электронов могут занимать одну орбиталь и почему?

7.Сформулируйте принцип наименьшей энергии и правила Клечковского. Определите, энергия какого подуровня выше: 3d или 4p. Сравните электронное строение атомов и химические свойства хрома и брома.

8.Сформулируйте правило Хунда. Приведите схему распределения 6 электронов по орбиталям d-подуровня. Определите максимальную валентность фтора и хлора в соединениях.

9.Какие электроны называются валентными? Как определяется максимальная валентность элемента? На основе электронного строения укажите максимально возможную валентность элементов Са, N и Mn в соединениях, приведите примеры таких соединений.

10.Какие элементы относятся к s-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома Сs, опишите химические свойства этого элемента.

11.Какие элементы относятся к p-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома At, объясните химические свойства этого элемента.

12.Какие элементы относятся к d-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетическую диаграмму атома Pt, объясните химические свойства этого элемента.

13.Какие элементы относятся к f-электронному семейству? Укажите их характерные свойства. Постройте энергетиче-

8

скую диаграмму атома Eu, объясните химические свойства этого элемента.

14.Сравните энергетические диаграммы атомов Nb и Sb. Объясните различия в химических свойствах этих элементов.

15.Составьте электронную формулу элемента, атом которого содержит 7 электронов на 5d-подуровне. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент? Перечислите его основные химические свойства.

16.Составьте электронные формулы атомов молибдена и теллура. На каких подуровнях расположены валентные электроны этих атомов? Объясните различия в химических свойствах этих элементов одной группы.

17.Напишите электронную формулу атома криптона. Объясните связь между строением атома и химической инертностью этого элемента.

18.Что такое энергия ионизации? Как изменяется восстановительная активность s- и p- элементов в группах Периодической системы с ростом заряда ядер их атомов?

19.Что такое сродство к электрону? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системе с ростом заряда ядер их атомов?

20.Объясните закономерности в изменениях от элемента к элементу по второму периоду: а) энергии ионизации; б) энергии сродства к электрону.

Тема 2. Химическая связь и строение молекул

Пример 1. Используя метод валентных связей, укажите для молекулы СН4:

1)тип химической связи, виды химических связей и их кратность;

2)атомные орбитали, участвующие в образовании связей, тип гибридизации;

3)конфигурацию молекулы, наличие или отсутствие дипольного момента.

9

Решение:

Между атомом углерода и атомами водорода возникает ковалентная слабополярная связь, так как различие между электроотрицательностями Н и С невелико. Образуются 4 σ–связи.

В образовании связей участвуют 4 sp3-гибридизованные орбитали одного атома С и s-орбитали 4-х атомов Н.

Молекула имеет тетраэдрическое строение, симметрична, поэтому дипольный момент молекулы равен нулю.

Пример 2. Используя метод молекулярных орбиталей, постройте для молекулы С2 энергетическую диаграмму и укажите:

1)число электронов на связывающих орбиталях;

2)число электронов на разрыхляющих орбиталях;

3)порядок связи;

4)магнитные свойства молекулы.

Решение: Энергетическая диаграмма молекулы С2.

σ*2pz

π*2px π*2py

σ2pz

π2px π2py

1)4 электрона располагаются на двух π2p связывающих орбиталях и 2 электрона – на внутренней σ2s связывающей орбитали (на диаграмме не показана);

2)на внутренней σ*2s разрыхляющей орбитали (на диаграмме не показана) расположены 2 электрона;

3) порядок связи n = N связ − N раз = 2, где Nсвяз – число

2

электронов на связывающих орбиталях, Nраз – число электронов на разрыхляющих орбиталях;

10

4)молекула диамагнитна, так как все электроны спарены и суммарный спин частицы равен 0.

Пример 3. Используя метод валентных связей (МВС), определите перекрыванием каких атомных орбиталей образуются химические связи в молекулах PH3, Cl2, BH3? В какой из них в образовании связей участвуют sp2-гибридные орбитали?

Решение. Поскольку в состав данных химических соединений входят элементы с близкими значениями электроотрицательностей (см. табл. 1), это означает, что они образованы по ковалентному типу связи. Чтобы определить, какие орбитали перекрываются, надо выявить неспаренные (валентные) электроны в атомах взаимодействующих элементов.

Во внешней орбите атома фосфора неспаренными являются

Именно они и участвуют в образовании связи с s-электронами трех атомов водорода

↓ ↓ ↓

причем спины электронов противоположно направлены. Таким образом, в молекуле PH3 образуются три ковалентные связи.

В молекуле Cl2 каждый из атомов имеет по одному неспаренному электрону на p-орбитали:

↑↓ ↑↓ ↑

Их перекрывание приводит к образованию одной ковалентной связи.

Атом бора при взаимодействии с атомами водорода находится в возбужденном состоянии, т.е. вместо одной s- и двух p- орбиталей образуются три sp2-гибридные (видоизмененные) орбитали:

sp

↑↑ ↑

11

Гибридные орбитали имеют ярко выраженный направленный характер. Перекрывание sp2-гибридных орбиталей с s-орбиталями трех атомов водорода приводит к образованию треугольной плоской молекулы BH3, в центре которой находится атом бора, а в вершинах – атомы водорода. В силу симметричности расположения связей молекула не имеет дипольного момента.

Задачи

21.Перекрывание каких атомных орбиталей приводит к образо-

ванию химической связи в молекулах H2S и CH4? Какова пространственная структура этих молекул? В какой из них возможна гибридизация атомных орбиталей?

22.Составьте электронные схемы строения молекул следующих

веществ: HI, F2O, SiO2, CS2. В какой из этих молекул ковалентная связь является наиболее полярной? Почему?

23.Перечислите основные типы химических связей. Укажите к

какому из них относится связь в молекулах LiF, H2O, N2. Чем определяется полярность ковалентной связи?

24.Рассмотрите с позиции метода молекулярных орбиталей

(МО) возможность образования молекул B2 и F2. Определите кратность связи для каждой молекулы. Какая из них является более устойчивой?

25.В каких из следующих веществ: BaO, CH4, SO3, AgBr имеется ионная связь? Напишите электронные уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

26.Как возникает σ–связь, какие атомные орбитали могут участвовать в ее образовании? Ответ поясните на примере молекул НСl и ВеF2.

27.Какие типы химической связи имеются в следующих веще-

ствах: NH3, BF3, BaCl2.

28.Как возникает π–связь, какие атомные орбитали могут участвовать в ее образовании? Ответ поясните на примере молекул С2Н4 и СО.

29.Чем определяется насыщаемость ковалентной связи. Укажите кратность связи в молекулах СО и F2.