Пример решения 1.1

Задачник по химии

Для студентов заочного отделения

Составитель: ст. преподаватель

Костернова С.П.

Ишимбай 2012

Тема I. СТРОЕНИЕ АТОМА

Задание 1.1. Для приведенных в варианте (табл. I.1) 4-х химических элементов определить:

А) группу и период, в которых находится данный элемент в периодической таблице Д.И. Менделеева. Сколько протонов и нейтронов у данного атома?

Б) электронную формулу атома элемента, валентные электроны и указать, к какому семейству относится данный элемент;

В) электронную конфигурацию атома в возбуждённом состоянии, перечислить все теоретически возможные степени окисления для нормального и возбужденного состояния атома и привести примеры соединений, в которых данный элемент имеет разные степени окисления;

Г) набор четырёх квантовых чисел для последнего электрона атома;

Д) как изменяются радиус атома, энергия ионизации, электроотрицательность, окислительные и восстановительные свойства по периодам и группам таблицы Д.И. Менделеева.

Пример решения 1.1

Элемент ₃₄Se (Селен)

А) Исходя из положения данного элемента в таблице Д.И. Менделеева определяем, что селен, имеющий порядковый номер 34, находится в 4 периоде и VI A группе.

Число протонов (p⁺) равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Число нейтронов рассчитывается по формуле:

n⁰ = A_r- p⁺.

Для селена: число протонов- p⁺ = 34,

Число нейтронов - n⁰ = 79- 34=45.

Б). Чтобы записать электронную формулу атома селена воспользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹4f¹⁴5d^2-106p⁶7s²6d¹5f¹⁴6d^2-10...

Записываем электронную формулу, валентные электроны и определяем, к какому семейству относится данный элемент.

Электронная формула селена: ₃₄Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴.

Валентные электроны находятся на 4-м энергетическом уровне: 4s²4p⁴. Так как последний электрон на р-подуровне, то селен относится к элементам р-семейства.

В) Чтобы записать степени окисления элемента, нужно иметь ввиду, что степень окисления – это условный заряд атома в соединении, указывающий сколько электронов оттянуто или притянуто к атому элемента. Все металлы способны только отдавать электроны, они находятся слева от границы Цинтля, проходящей по линии, соединяющей элементы ₅В и ₈₅At. Отдавая электроны, атом элемента приобретает положительный заряд. Все металлы являются восстановителями.

Справа от границы Цинтля находятся элементы, которые являются окислителями. Самый электроотрицательный элемент – ₉F. Это самый сильный окислитель. Фтор способен только принимать электроны и, кроме степени окисления, равной " 0" (в соединении F₂) может иметь степень окисления (-1).

Остальные элементы, расположенные между границей Цинтля и фтором, несмотря на преимущественные окислительные свойства могут как отдавать, так и принимать электроны и имеют степени окисления как со знаком " +", так и со знаком " -" в зависимости от атома элемента, вступающего с ним в связь. Знаки при степенях окисления показаны на схеме.

Чтобы определить степени окисления селена записываем валентные электроны для селена в нормальном состоянии.

₃₄Se

Селен может не только принимать, но и отдавать электроны.

Учитывая число " посадочных мест", определяем, что селен может принять 1 или 2 электрона, а имея в виду, что неспаренных электронов также 2, делаем вывод, что селен может отдать 1 или 2 электрона. Селен в нормальном состоянии имеет следующие степени окисления: –2, –1, 0, +1, +2, устойчивыми из них являются –2, 0, +2.

Далее записываем валентные электроны для селена в возбужденном состоянии. При получении дополнительной энергии происходит распаривание неподеленных пар электронов. Электроны переходят в более высокое энергетическое состояние. Следует отметить, что переход электронов происходит только в пределах внешнего уровня, в данном случае четвертого.

₃₄Se^*

В возбужденном состоянии увеличиваются возможности селена к отдаче электронов, поэтому теоретически возможные степени окисления Se в возбужденном состоянии атома следующие: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6. Однако устойчивыми степенями окисления являются: - 2, 0, +2, +4, +6.

Приведем примеры соединений, в которых селен имеет различные степени окисления (табл. 1.1). В случае затруднений при ответе на данный вопрос следует воспользоваться учебниками по химии для ВУЗов.

Таблица 1.1

		-1 0 1 -ml

₃₄Se

Набор квантовых чисел для данного электрона:

n=4, (электрон находится на 4 энергетическом уровне)

l=1 (электрон находится на p- подуровне, значит у него p-орбиталь)

m_l=1

s=+1/2

Д) В справочной литературе приводятся разные выражения для радиуса атома (металлический, орбитальный, эффективный и др.). За эффективный радиус атома принимают половину расстояния между ядрами атомов, связанных в молекулу в ее устойчивом состоянии.

Энергия ионизации, I (эВ/атом) – это энергия, которая необходима, чтобы оторвать от невозбуждённого атома один электрон. Энергия ионизации выражается в размерности энергии кДж/моль.

Э⁰ – 1e^- → Э⁺, процесс окисление

восстановитель ион

Энергия сродства к электрону, F, (кДж/моль) – энергетический эффект присоединения электрона к нейтральному атому или иону.

Э⁰ + 1e^- → Э^-, процесс восстановление

Окислитель ион

Электроотрицательность, (Э.О.) - способность атома принимать электроны.

Рассмотрим изменение свойств атомов элементов по периоду слева направо:

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются – сила притяжения между ядром и электронами возрастает;

2) число энергетических уровней остается постоянным;

3) у элементов больших периодов заполняется d-подуровень (а начиная с 6 периода и f-подуровень) – действует эффект d- и f-сжатия.

В конечном итоге: сила притяжения между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, энергия ионизации увеличивается, восстановительная активность снижается, усиливаются окислительные свойства и электроотрицательность.

Рассмотрим изменение свойств атомов s- и p-элементов (по группам сверху вниз):

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают;

2) число энергетических уровней увеличивается, электроны уда-ляются от ядра, и сила притяжения уменьшается;

3) d- и f-сжатие действует слабо, так как эти электроны остаются во внутренних оболочках.

Таким образом по группе сверху вниз: радиус атома увеличивается; энергия ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.

Проанализируем изменение свойств атомов d-элементов по группе сверху вниз (правая часть d-семейства):

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают;

2) число энергетических уровней увеличивается, но незначи-тельно;

3) очень сильно действует эффект d и f-cжатия, так как d- и f- подуровни все более близки к заполнению.

В результате – радиус атома уменьшается, энергия ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность также уменьшается.

Следует иметь в виду, что, если элемент находится в левой части d-семейства, эффект d- и f-сжатия действует слабо, так как на d- и f-подуровнях еще мало электронов. Поэтому сохраняются закономерности, характерные для изменения по группам свойств s- и p-элементов.

Данный элемент (селен) относится к семейству р-элементов. По периоду слева направо от калия до криптона сила взаимодействия между ядром и электронами увеличивается, радиус атома уменьшается, энергия ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность возрастает.

По группе сверху вниз от кислорода до полония сила взаимодействия между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность уменьшается.

Таблица I.1

Тема II. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Задание 2.1. Для указанных по варианту молекул (табл. II.1), с позиций метода валентных связей показать образование молекул, дать характеристику связям и молекуле.