Химия_УМП

91

3.Какая из приведенных электронных конфигураций нормального состояния атома является правильной:

4.У какого из указанных элементов – Li, Cs, Cu, Ag – металлические свойства выражены более резко:

1)у серебра; 2) у меди; 3) у лития; 4) у цезия?

92

3.Какая из приведенных электронных конфигураций нормального состояния атома является правильной:

4.Значение какого ионизационного потенциала (J) углерода больше – первого или пятого и почему?

1) первого; 2) пятого; 3) значения J одинаковы?

5. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Учение о химической связи должно ответить на вопросы: почему атомы объединяются в молекулы, кристаллы? Почему химические соединения имеют тот или иной состав, то или иное строение?

Совокупность химически связанных атомов представляет собой сложную систему атомов, ядер и электронов. Между этими носителями зарядов действуют силы электростатического действия (притяжения и отталкивания).

Выяснить, как распределяется электронная плотность в молекуле и кристалле, и означает описать химическую связь в веществе.

Химическая связь осуществляется только в том случае, если при сближении атомов (двух или большего числа) полная энергия системы (сумма кинетической и потенциальной энергий) понижается.

Силы, связывающие атомы друг с другом, имеют электрическую природу. Но вследствие различия в проявлении этих сил химические связи могут быть разного типа: ковалентная, ионная и металлическая.

Образование ковалентной связи происходит за счет перехода электронов с атомных орбиталей на молекулярную, общую для обоих атомов, и образования электронной пары. Согласно квантовой теории, подобная пара может образоваться только в том случае, если электроны имеют различные спины.

93

Образование химической связи всегда сопровождается выделением энергии. Разрыв ее требует затраты энергии.

Связь считается неполярной, если связующая электронная пара находится на равном расстоянии от обоих ядер. При смещении электронной пары в сторону атома более электроотрицательного элемента связь становится полярной и, если смещение выражено весьма резко, связь считается ионной. Примеры строго неполярных (Cl – Cl, H – H, C – C), полярных (H – Cl, H – I, C – Cl), ионных (KCl, Na – F).

Целиком ионных связей нет, т.к. атом, отдавая электрон, получает способность притягивать его обратно и, следовательно, отрицательный заряд в молекуле не строго локализован. Это имеет существенное значение для оценки различных свойств соединений.

Металлическая связь осуществляется делокализованными электронами в пределах металлического кристалла. Наличие свободных незанятых энергетических уровней обеспечивает свободное перемещение электронов, и весь кристалл превращается в единую систему взаимосвязанных атомов. Металлическая связь проявляется не только в металлах, но и в некоторых интерметаллических соединениях (NiSb, MgZn2, MgNi2Sn), в карбидах (WC, Fe3C) и силидах (CrSi2, TiSi2) и др. Межмолекулярные связи с энергией ниже 20 ккал/моль (их обычно не называют химическими) также имеют электрическую природу. Они менее прочны, чем межатомные.

Свойства соединений зависят от характера межатомных и межмолекулярных связей. Соединения с ионными или сильно полярными связями (кислоты, соли) способны к электролитической диссоциации в расплавах и растворах полярных растворителей.

Высокие температуры плавления и кипения имеют вещества с ионной (NaCl, KBr) или атомной кристаллической решеткой (алмаз, кремний), низкие

– с молекулярной кристаллической решеткой (органические соединения, твердые CO2, NH3).

Многие вещества с атомной кристаллической решеткой – германий, кремний, серое олово (α-Sn), мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур обладают свойствами полупроводников.

Найдена зависимость между окраской веществ и ионным характером связи между атомами в их составе.

Окраска соединений зависит от поглощения электронами света в видимой части спектра. Наблюдения окраски ряда сухих веществ и их растворов показали, что такое поглощение света характерно для электронов менее стабильных электронных оболочек, тогда как электроны более стабильных оболочек поглощают свет в ультрафиолетовой части спектра, поэтому вещества остаются бесцветными. Уменьшение в различии природы атомов, а, следовательно, ослабление ионного характера связи способствует появлению и усилению окраски веществ.

94

5.1. Контрольные вопросы

Внимание. При ответах на контрольные вопросы и выполнении индивидуального задания воспользуйтесь справочными данными (таблицы приложения).

5.1.1.Какой тип химической связи и тип проводимости в элементарных и сложных полупроводниках. Объяснить на примере Ge и GaSb. Изменится ли тип проводимости, если формула антимонида сурьмы будет нестехиометрического состава (GaSb0,85).

5.1.2.Два полупроводниковых соединения (А и В) типа термисторов характеризуются следующими соотношениями между сопротивлени-

ем и температурой:

Какой из этих термисторов имеет большую энергию активации, характеризующую образование электронов проводимости? Что можно сказать в этом отношении о термисторе В, для которого имеются следующие данные:

5.1.3. Объяснить характер изменения ширины запрещенной зоны в ряду изоструктурных соединений цинка с р – элементами VI группы:

5.1.4.Карбид кремния SiC (карборунд – прозрачное бесцветное вещество, имеет алмазоподобную структуру, является полупроводником ( Е = 2,86эВ). При наличии примесей атомов р – элементов У группы в SiC возникает проводимость электронного типа и окраска зеленого цвета. При наличии же примесей атомов р – элементов III группы и s – элементов II группы карбид кремния приобретает дырочную проводимость и голубой цвет. Избыток кремния сверх стехиометрического отношения (т.е. состава SiC0,9) вызывает элек-

95

тронную проводимость, а избыток углерода – дырочную. Объясните эти факты.

5.1.5. Объясните характер изменения температуры плавления в ряду

Почему: 1) ионные кристаллы в отличие от металлических обладают хрупкостью; 2) ковалентные кристаллы отличаются высокой твердостью; 3) металлические кристаллы отличаются пластичностью?

5.1.6. Объяснить различие в электропроводности алмаза, кремния, германия и олова. Ширина запрещенной зоны Е и удельное сопротивление ρ их кристаллов имеют следующие значения:

Почему алмаз – диэлектрик, кремний, германий и α - олово – полупроводники, β – олово – металлический проводник?

5.1.7.Почему графит – проводник, алмаз – изолятор, но при нагревании полупроводник (высокотемпературный).

5.1.8.Эффективные заряды на атомах водорода в его соединениях с элементами 3-го периода имеют следующие значения:

Какие из соединений относится к производным водорода со степенью окисления +1 и –1? Приведите их химические названия.

5.1.9. Приведены значения эффективных зарядов на атомах кислорода в оксидах элементов 3-го периода

Как сказывается изменение степени окисления элемента и эффективного заряда на атоме кислорода в оксидах на характер их кислотно – основных свойств?

96

5.1.10. Укажите, какая кристаллическая решетка (атомная, молекулярная, ионная, металлическая) реализуются в следующих твердых веществах:

1)Fe, Si, AgBr, I2, Cu, Cs, CO2, MgCl2, C, NaI;

2)Ni, Ge, CsF, N2, H2O, Na, Hg, C6Н6, AgI, SiC;

3)Ca, Sn, RbCl, Al, SiO2, Ne, At2, Br2, BN, KNO3.

Какой тип химической связи осуществляется в указанных веществах? Являются ли эти вещества электропроводниками или диэлектриками?

5.1.11.Чем можно объяснить различия в химическом характере гидро-

ксидов Be(OH)2 и Mg(OH)2?

5.1.12.Какова природа химической связи в основных, кислотно – основных (амфотерных) и кислотных оксидах?

5.1.13.Чем объясняется изменение характера оксидов элементов по периодам? Пример.

5.1.14.Чем объясняется кислотность, основность и амфотерность гидроксидов? Пример.

5.1.15.Чем объясняется изменение характера гидроксидов элементов по периодам слева направо? Пример.

5.1.16.Как изменяется характер оксидов и гидроксидов в группах сверху вниз? Пример.

5.1.17.Объясните строение алмаза. Почему он отличается высокой твердостью?

5.1.18.Исходя из строения и характера химической связи, объясните, почему графит используется: 1) как смазочный материал; 2) как материал электродов.

5.1.19.По некоторым данным эффективный заряд δ на атоме натрия в его галогенидах составляет:

Почему чисто ионные соединения не существуют?

5.1.20. Для описания валентной электронной структуры ацетилена обычно используют символическую запись H-C≡C-H. Какое число валентных электронов указано в этой записи? Правильно ли это число? Какая связь должна быть прочнее, H-C или C≡C?

5.1.21.В алмазах иногда встречаются вкрапления графита, но в графите никогда не обнаруживается вкрапления алмаза. Почему так происходит?

5.1.22.Определить, кислотными или основными свойствами в соответствии с теорией Льюиса обладают Cr3+, Cl-, H+, NH3, SO3.

5.1.23.Как влияет тип связи на электропроводимость твердых веществ на примере алмаза, германия и свинца?

97

5.1.24. Какая проводимость n или p – типа усиливается, если кристалл кремния легировать атомами: 1) фосфора; 2) алюминия?

5.1.25. Объяснить усиление проводимости (какой) при введении в кристалл германия атомов: 1) мышьяка; 2) галлия.

5.1.26. Как можно объяснить уменьшение ширины запрещенной в ниже указанных соединениях:

5.1.27. Бинарные соединения индия с р – элементами У группы имеют структуру InS. Объясните почему в ряду InN, InP, InAs ширина запрещенной зоны уменьшается:

Объясните также, почему эти вещества отличаются внешним видом: InN – мягкий черный порошок, InP – темно – серое со смолистым блеском вещество, InAs – темно – серое с металлическим блеском вещество, InSb – светло – серый сплав с металлическим блеском.

5.1.28.Как изменяется прочность связи между атомами в ряду молекул Cl2, Br2, I2. Чем объяснить?

5.1.29.Дать электронную схему молекулы азотной кислоты, учитывая возможный ковалентный и донорно – акцепторный характер связи между атомами. Чему равна ковалентность азота в молекуле азотной кислоты?

5.1.30.Сероводород при обычной температуре – газ, а вода - жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах?

5.1.31.Почему не существует молекула N3?

5.1.32.Почему молекула BeF2 линейная (а не угловая), а молекула BF3 плоская (а не пирамидальная)?

5.1.33.Какими магнитными свойствами обладает молекула О2? Объяснить:

1)диамагнитна; 2) парамагнитна.

5.1.34.Какова кратность связи в молекуле NO с позицией MMO:

1)два; 2) два с половиной; 3) три?

5.1.35.Какой тип гибридизации АО углерода в молекуле диоксида углерода:

1)sp; 2) sp2; 3) sp2d; 4) нет гибридизации; 5) sp3?

98

5.2. Варианты программного контроля

Вариант 1

1.ZnTe – сложный полупроводник. Каковы тип связи и тип проводимости? Изменится ли проводимость при легировании сурьмой: а) твердый раствор внедрения; б) твердый раствор замещения?

1)связь ионная, проводимость электронная, при легировании проводимость не изменится (а и б);

2)связь донорно – акцепторная, проводимость дырочная, при легировании проводимость электронная для случая а и б;

3)связь ковалентная (2) и донорно – акцепторная (2); проводимость электронно – дырочная; при легировании в случае а – проводимость электронная, а в случае б – дырочная.

2.Указать тип гибридизации орбиталей атома Zn в молекуле ZnCl2:

1) sp3; 2) sp2; 3) sp; 4) spd2; 5) нет гибридизации. 3. Чему равна ковалентность в молекуле СО:

1) два; 2) три; 3) четыре?

4. Какой из ионов – Ca2+ или Cd2+ - оказывают более сильное поляризующее действие на анионы rCa2+ = 0,104 нм, rCd = 0,099 нм:

1)Ca2+; 2) Cd2+; 3) поляризующее действие этих ионов одинаково?

Вариант 2

1.ZnSe0,85 – сложный полупроводник нестехиометрического состава. Каковы тип связи, тип проводимости:

1)связь донорно – акцепторная, проводимость дырочная;

2)связь ионная, проводимость собственная;

3)связь ковалентная (2) и донорно – акцепторная (2), проводимость электронная?

2.Указать тип гибридизации орбиталей атома углерода в молекуле CH4, если форма молекулы тетраэдрическая:

1) sp; 2) sp2; 3)sp3d1; 4) sp3; 5) sp3d2.

3.В какой молекуле – BF3 или NH3 – значение дипольного момента больше? Объяснить:

1)в BF3; 2) в NH3; 3) дипольные моменты равны.

4.Может ли произойти реакция между HF и SiF4? Объяснить:

1)может; 2) не может.

99

Вариант 3

1.GaAs – сложный полупроводник. Каковы тип связи и проводимость? Изменится ли проводимость при легировании цинком (твердый раствор внедрения):

1)ионная связь, проводимость электронная, при легировании проводимость дырочная;

2)ковалентная связь, проводимость дырочная, при легировании проводимость не изменится;

3)ковалентная (3) и донорно – акцепторная (1) связь, проводимость собственная при легировании проводимость электронная?

2.Указать тип гибридизации орбиталей Se в молекуле H2Se:

1) sp; 2) sp2; 3) sp3; 4) sp2d3; 5) нет гибридизации.

3.Какое из соединений – ZnCO3 или MgCO3 – термически более устойчиво:

1)MgCO3; 2) ZnCO3; 3) устойчивость одинакова?

4.Какие из перечисленных частиц не могут существовать в устойчивом состоянии с позицией теории МО:

1)H+; 2) H2; 3) H2-; 4) He2; 5) HHe?

Вариант 4

1.GaSb0,9 – сложный полупроводник нестехиометрического состава. Каковы тип связи и тип проводимости? Почему:

1)ковалентная связь, собственная проводимость;

2)донорно – акцепторная связь, дырочная проводимость;

3)ковалентная (3) и донорно – акцепторная (1) связь, электронная проводимость;

4)ионная связь, электронная проводимость?

2.Какому типу гибридизации отвечает молекула BF3, если она имеет

треугольную геометрическую форму:

1) sp1; 2) sp3; 3) sp2; 4) 4p3; 5) нет гибридизации?

3.У какого из соединений - SrF2 или PbF2 – температура плавления выше? Объяснить:

1) у SrF2; 2) у PbF2; 3) примерно одинаковы.

4.Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул BF3 и NF3, объяснить:

1)одинакова; 2) неодинакова.

5.Какой из перечисленных ионов обладает большим поляризующим действием:

1)Na+; 2) Ca2+; 3) Mg2+; 4) Al3+?

100

6. ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Контрольная работа №1

Вариант 1

1. Написать формулы гидроксидов, соответствующих указанным окси-

дам: BeO; Jn2O3; Cl2O7; As2O3; As2O5; SO3; Tl2O3. Какими свойствами (основ-

ными, амфотерными, кислотными) обладают приведенные оксиды и соответствующие им гидроксиды. Назвать и построить их графические формулы, определить эквивалент и эквивалентную массу для соединений: Tl2O3; Tl(OH)3;

Tl2(SO3)3; H3AsO3.

4. Сколько нужно затрать теплоты, чтобы разложить 200 г Na2CO3 до оксида натрия и диоксида углерода, если тепловые эффекты реакции равны:

5.Начальные концентрации веществ в реакции CO+H2o=CO2+H2 были равны, моль/л, [CO]=0,5; [H2O]=0,6; [CO2]=0,4; [O2]=0,2. Вычислите концен-

трации всех участвующих в реакции веществ после того, как прореагировало

60% воды.

6.В каком направлении сместиться равновесие в системе - max при повышении давления (в три раза), при повышении температуры: