3. Индивидуальные задания для самостоятельной подготовки студентов

3.1. Примеры решения типовых задач

Пример 1. По положению в периодической системе: а) рассмотрите строение электронных оболочек атома кремния; б) составьте электронную формулу и графическую схему заполнения электронами валентных орбиталей атома в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение:

а) Кремний Si имеет порядковый номер 14 и находится в третьем периоде главной подгруппы IV A - группы периодической системы. Следовательно, в атоме кремния 14 электронов, которые расположены на 3-х энергетических уровнях. На внешнем валентном уровне находятся 4 (3s² 3p²), т.е. кремний относится к р-электронному семейству;

б) Электронная формула атома кремния: ₁₄Si 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Валентными орбиталями в этом атоме являются орбитали внешнего (третьего) электронного уровня, т.е. 3s - и Зр - орбитали и не заполненные Зd-орбитали. Графическая схема заполнения электронами этих орбиталей в нормальном состоянии имеет следующий вид (в соответствии с правилом Гунда):

3	↑↓	↑	↑
2	↑↓	↑↓	↑↓	↑↓
1	↑↓		p
	s

При затрате некоторой энергии один из Зs -электронов атома кремния может быть переведен на Зр – орбиталь, при этом атом переходит в возбужденное состояние, которому соответствует электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹3p³

3	↑	↑	↑	↑
2	↑↓	↑↓	↑↓	↑↓
1	↑↓		p
	s

Максимальная валентность определяется максимальным числом неспаренных электронов, которые могут быть на валентных орбиталях, т.е. для атома Si равна 4. Формула оксида - SiO₂.

Кремний проявляет неметаллические свойства, образуя кремневую кислоту H₂SiO₃.

Пример 2. Объясните, на каком основании селен ₃₄Se и молибден ₄₂Мо находятся в одной группе, но в разных подгруппах периодической системы? Какие химические свойства проявляют эти элементы?

Решение: Атомы Se и Мо имеют следующие электронные конфигурации:

Se - 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁴;

Mo - 1s²2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 5s¹ 4d⁵.

Валентные электроны: Se - 4s² 4p⁴; Mo - 5s¹4d⁵. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе одной группы, но в бразовании связей у них может участвовать одинаковое максимальное число электронов - 6. У селена - это 4s² 4p⁴, у молибдена - 5s¹4d⁵, где 4d⁵ - электроны предпоследнего (n-1) недостроенного энергетического уровня. На этом основании оба элемента помещены в одну VI группу периодической системы, но в разные подгруппы (Se - VI А , Мо – VI В).

Внешний энергетический уровень атома селена содержит 6, что определяет его неметаллические свойства. Молибден - металл, так как у него на внешнем энергетическом уровне 2, но если в образовании связей участвуют 4d -электроны, то Мо может проявлять и неметаллические свойства.

Формулы высших оксидов: SеO₃; МоО₃.

Пример 3. Составьте схемы распределения электронов по энергетическим ячейкам в атоме СI и ионе CI^-.

Решение. Электронная формула хлора CI⁰: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Зр⁵ 3d⁰. При переходе в ионное состояние происходят следующие изменения конфигурации валентного уровня:

Сl⁰ Сl^- ... 3s² 3p⁶ 3d⁰

Тогда схемы распределения электронов по энергетическим ячейкам будут выглядеть следующим образом:

3

↑↓

↑↓

↑↓

↑

3

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

1

↑↓

p

1

↑↓

p

s

s

Сl⁰ Сl^-

Пример 4. Определите тип химической связи в молекулах NaBr, HBr, Br₂.

Решение: Тип химической связи в молекуле можно определить, сравнивая значения электроотрицательности (ЭО) атомов, входящих в ее состав (табл. 5). Молекулы, образованные атомами, имеющими одинаковую электротрицательность (как в данном случае Br₂), являются электросимметричными, химическая связь в них – ковалентная неполярная.

Если электроотрицательности атомов отличаются друг от друга (как в данном случае, в молекуле NaBr- ЭО_Na═ 0,9, ЭО_Br═ 2,8; в молекулеHBr- ЭО_H═ 2,1, ЭО_Br═ 2,8), то связь в молекуле – ковалентная полярная. Чем значительнее отличаются друг от друга значения электроотрицательности атомов, тем более полярной является эта связь.

С увеличением разности между ЭО атомов растет степень ионности связи в молекуле. Разность ЭО, равная 1,7, соответствует 50% -ному ионному характеру связей, поэтому связи с разностью больше 1,7 могут считаться ионными. В молекуле NaBr– разность ЭО равна 1,9; следовательно, химическая связь в ней – ионная. В молекулеHBrразность ЭО равна 0,7 и соответственно, связь в ней – ковалентная полярная.

Пример 5. Определите тип гибридизации и валентные углы в молекуле BeCl₂.

Решение: В молекуле ВеСl₂ обе химические связи равноценны, несмотря на то что в их образовании участвуют различные орбитали (s и p) центрального атома (электронная формула атома Be в возбужденном состоянии 1s²2s¹2p¹). Это объясняется гибридизацией s - и p-орбиталей, приводящей к образованию двух гибридных sp-орбиталей. Относительно друг друга две гибридные sp - орбитали расположены под углом 180 ^о, поэтому молекулы с таким видом гибридизации линейны.

Таким образом, перекрывание sp – гибридных орбиталей атома бериллия с 3p – АО 2 атомов хлора приводит к образованию линейной молекулы гидрида бериллия ВеСl₂; валентный угол Cl –Be - Cl в молекуле ВеСl₂ равен 180 ^о.