Контрольная работа вариант №20 - файл n1.doc
Контрольная работа вариант №20скачать (810.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc
Тема I.
СТРОЕНИЕ АТОМА Задание 1.1.
Для приведенных в варианте (табл. I.1) 4-х химических элементов определить: 1.1.1. Группу и период, в которых находится данный элемент в периодической таблице Д.И. Менделеева. 1.1.2. Электронную формулу атома элемента и указать, к какому семейству относится данный элемент. 1.1.3. Валентные электроны и перечислить все теорети-чески возможные степени окисления для нормального и возбужденного состояния атома. Привести примеры соединений, в которых данный элемент имеет разные степени окисления. 1.1.4. Как изменяются радиус атома, энергия ионизации, электроотрицательность и металлические свойства по периодам и группам таблицы Д.И. Менделеева. Решение 1.1 Элемент
37Rb (рубидий)
1.1.1. Исходя из положения данного элемента в таблице Д.И. Менделеева (
Приложение I) определяем, что рубидий, имеющий порядковый номер 37, находится в 5 периоде и I A группе.
1.1.2. Чтобы записать электронную формулу атома бериллий воспользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням: 1
s22
s22
p63
s23
p64
s23
d104
p65
s24
d105
p66
s25
d14
f145
d2-106
p67
s26
d15
f146
d2-10 ..., и представленной ниже схемой (рис. 1.1), на которой показаны
валентные электроны, т. е. электроны, участвующие в связи. Записываем электронную формулу, валентные электроны и определяем, к какому семейству относится данный элемент.
Электронная формула рубидия: 1
s22
s2. Валентный электрон находится на 2-м энергетическом уровне: 2
s2. Так как последний электрон на
s-подуровне, то рубидий относится к элементам
s-семейства.
ns2(
n-1)
d1(
n-2)
f1-14
ns1-2
ns2(n-1)
d1-10
ns2np1-6
Рис. 1.1. Схема распределения валентных электронов для атомов элементов в
семействах (
s,
p,
d,
f):
n – номер периода, цифрами указано возможное количество валентных электронов
1.1.3. Чтобы записать степени окисления атома, 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 безусловный окислитель. Фтор способен только принимать электроны и, кроме степени окисления, равной "0" (в соединении F
2) может иметь степень окисления со знаком "-". 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 (рис. 1.2).
0 + В –
0 +At F0, 1-
Рис. 1.2. Знаки степеней окисления элементов
в таблице Д.И. Менделеева
Чтобы определить степени окисления рубидия, записываем валентные электроны для рубидия в нормальном состоянии.
С
5
s1 
огласно схеме (рис. 1.2), рубидий может не только принимать, но и отдавать электроны.
Таким образом, рубидий может иметь следующие степени окисления: +1,0.
Таблица 1.1
Степень окисления | Формула соединения | Название |
0 | Rb | рубидий |
1+ | Rb20 | Оксид рубидия |
1.1.4. 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.
Потенциал ионизации (эВ/атом) – это потенциал, который надо приложить к одиночному атому или иону, чтобы оторвать от него электрон. Энергия ионизации имеет аналогичный смысл в параметрах кДж/моль.
Электроотрицательность характеризует способность атома как принимать, так и отдавать электроны. Часто это понятие ограничивают только представлением о принятии электронов.
Все эти свойства атома определяются силами взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. При движении по периодам и группам таблицы Д.И. Менделеева (сверху вниз) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются, и силы притяжения между ними возрастают. Однако следует иметь ввиду, что, если заряд ядра можно условно рассматривать как точечный, то электроны распределяются по энергетическим уровням. С увеличением числа уровней (слоев) электроны удаляются от ядра, и силы притяжения между ядром и электронами ослабляются. Далее надо учесть, что каждый уровень "расщепляется" на подуровни. Среди подуровней появляются
d- и
f-подуровни, наиболее плотно заполненные электронами. Начинает действовать эффект
d- и
f-сжатия, конкурирующий с удалением электронов от ядра. Закономерности изменения свойств атомов элементов представлены на рис. 1.3.
II III
II
I

II
I
Рис. 1.3. Направления, по которым рассматривается изменение свойств
атомов элементов по группам и периодам периодической
таблицы Д.И. Менделеева
В направлении
I (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) все время пополняется
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, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, возрастают окислительные свойства и электроотрицательность.
В направлении
II (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: радиус атома увеличивается; потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.
В направлении
III (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 стремится к уменьшению, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность также уменьшается.
Для лития свойственны направления
I и
II.
Рассмотрим следующий элемент.
Элемент
49In (индий)
1.1.1. Исходя из положения данного элемента в таблице Д.И. Менделеева (
Приложение I) определяем, что олово, имеющий порядковый номер 49, находится в 5 периоде и III A группе.
1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням следующее:
1
s22
s22
p63
s23
p64
s23
d104
p65
s24
d105
p1.
Так как последний электрон на
р-подуровне, то олово относится к элементам
р-семейства.
Чтобы определить степени окисления индия, записываем валентные электроны для индия в нормальном состоянии.
5
р
5
s
Учитывая число "посадочных мест", определяем, что индий может принять 1 электрона, а имея в виду, что неспаренных электронов 1, делаем вывод, что индий может отдать 1 электрона. Таким образом, индий в нормальном состоянии может иметь следующие степени окисления: 0, 1+.
Далее записываем валентные электроны для с индий 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.
5
p 5
s
Так как при возбуждении в основном увеличиваются возможности индий к принятию электронов, то теоретически возможные степени окисления In в возбужденном состоянии атома следующие: 0, 3+.
Степень окисления | Формула соединения | Название |
0 | In | индий |
1+ | In2 S | Сульфид индия |
3+ | In2O3 | Оксид индия |
|
|
|
Для индия свойственны направления
I и
II.
В направлении
I (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) все время пополняется
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, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, возрастают окислительные свойства и электроотрицательность.
В направлении
II (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: радиус атома увеличивается; потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.
Элемент
43Tc (Технеций)
1.1.1. Технеций в таблице Д.И. Менделеева находится в 5 периоде в VII б группе.
1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням следующее:
1
s22
s22
p63
s23
p64
s23
d104
p65
s24
d5. Так как последний электрон находится на
d -подуровне, то Технеций относится к
d -семейству.
1
5s


4d





.1.3. Валентные электроны
43Tc: 5
s24
d5.
П
5
p
5s
4
d ри возбуждении происходит распаривание 5
s электронов и переход на 5
p подуровень.




Степени окисления: 0, 2+, 3+, 4+, 6+.
Таблица 1.2
Степени окисления | Формула соединения | Название |
0 | Tc | Технеций |
2+ | TcО | Оксид Технеция |
3+ | Tc (ОН)3 | Гидроксид Технеция |
4+ | Tc F4 | Фторид Технеция |
6+ | Tc F6 | Фторид Технеция |
В направлении
I (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) все время пополняется
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, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, возрастают окислительные свойства и электроотрицательность.
В направлении
II (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: радиус атома увеличивается; потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.
Элемент
95Am (Америций)
1.1.1. Протактиний в таблице Д.И. Менделеева находится в 7 периоде в IV A группе.
1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням следующее:
1
s22
s22
p63
s23
p64
s23
d104
p65
s24
d105
p66
s25
d14
f145
d2-106
p67
s26
d15
f6. Так как последний электрон находится на
f-подуровне, то Америций относится к
f-семейству.
1
7s


6d

.1.3. Валентные электроны
95Am: 7
s26
d15
f6.
нормальное
состояние
5
f
Э
7s
6
d
лектрон 6
d может "провалиться" на 5
f, так как образуется более устойчивое состояние.
5
f
Так как число неспаренных электронов равно 7, степени окисления имеют следующие значения: 0, 3+, 4+, 5+,6+.
Таблица 1.2
Степени окисления | Формула соединения | Название |
0 | Am | Америций |
3+ | Am (ОН)3 | Гидроксид Америция |
4+ | Am О2 | оксид Америция |
5+ | Am Cl5 | хлорид Америция |
6+ | AmО2(NO3)2 | нитрат Америция |
1.1.4. В направлении
I (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) все время пополняется
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, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, возрастают окислительные свойства и электроотрицательность.
По группе.
В результате – радиус атома возрастает, потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, электроотрицательность уменьшается.
Тема II.
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Задание 2.1.
Для двух, указанных по варианту (табл. II.2), молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы: 2.1.1. Каков тип гибридизации центрального атома в молекуле и валентный угол между связями? 2.1.2. Сколько ?- и ?-связей содержит молекула? 2.1.3. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом. 2.1.4. Какова пространственная структура молекулы? Пример решения 2.1 Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CaCl
2.
2
4s


.1.1. Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные электроны центрального атома Cа.
З


4
p
атем электроны переводим в возбужденное состояние
4
s Отмечаем, что у Cа имеются две внешние орбитали:
s и
р. Представим
s- и
р-орбитали на рис. 2.1.
Рис. 2.1
Далее "подводим" валентные электроны. Так как Cl–
p-элемент, то на рис. 2.1 к электронам Ca подрисовываем гантелеобразные
р-орбитали хлора, получаем схему молекулы CaCl
2 (рис. 2.2).
Рис. 2.2
Как видно из рис. 2.2 силы отталкивания между электронными орбиталями на участках
I и
II сильно различаются. С одной
р-орбиталью хлора кальций связывается с помощью
s-орбитали, а с другой – с помощью
р-орбитали. Связи отличаются по форме и энергии. Такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3
Гибридизация – это процесс, в результате которого происходит перестройка валентных орбиталей центрального атома и образование смешанных гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.
Таким образом,
s +
p = 2
sp; по аналогии:
s +
p +
p = 3
sp2;
s +
p + +
p +
p +
p = 4
sp3. Гибридные орбитали центрального атома – это заряженные поля и, отталкиваясь, они располагаются под определенным углом (
валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа
sp валентный угол составляет 180
о;
sp2 – 120
о;
sp3 – 109
о. Расположение гибридных орбиталей согласно этим валентным углам показано в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Тип гибридизации: | sp | sp2 | sp3 |
Расположение гибридных орбиталей в простран-стве |
 |
 |
 |
Теоретический валентный угол |
180 о |
120 о |
109 о |
В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле CaCl
2реализуется
sp-гибридизация, и валентный угол составляет 180
о.
Чтобы изобразить молекулу в целом, остается показать перекрывание полученных гибридных орбиталей центрального атома с валентными орбиталями боковых атомов. В случае рассматриваемой молекулы CaCl
2 боковым атомом является Cl. Так как это
р-элемент, то его валентные наружные электроны имеют орбиталь в виде гантели. В случае, если это будет
s-элемент, то форма орбитали в виде шара.
"Подводя" валентные орбитали брома к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CaCl
2 (рис. 2.4).
Cl
Ca
Cl

Рис. 2.4
2.1.2. Теперь отметим наличие ? и ? связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, такая связь
? типа (сигма тип), если область перекрывания не находится на оси связи, а расположена по обе стороны от оси связи – это
?-тип (пи тип) ( рис. 2.5).
? - тип
? - тип Рис. 2.5
В случае CaCl
2 в молекуле две ковалентные связи ?-типа.
2.1.3. Определим полярность.
Полярность связана с наличием диполя, обусловленного оттягиванием валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома (
Приложение 1). В случае молекулы CaCl
2 более электроотрицательным элементом является хлор. Поэтому связь Cа-Cl является полярной. Однако в целом молекула неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.
2.1.4. Разберем вопрос о пространственной структуре молекулы.
Пространственная структура молекулы связана с типом гибридизации и расположением боковых атомов вокруг центрального атома (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Тип гибри- дизации | sp | sp2 | sp3 | sp3 | sp3 |
Простран-ственная структура Форма молеку-лы |
  |
 |
 |
 |
 |
Как видно из табл. 2.2 при
sp3 гибридизации может реализоваться тетраэдрическая форма, пирамидальная или угловая в зависимости от числа боковых атомов (4, 3, 2 – соответственно). Из рис. 2.4 следует, что рассматриваемая молекула CaCl
2 имеет линейную форму.
Рассмотрим еще одну молекулу NF
3.
Выписываем валентные электроны центрального атома –азот.
2р
2s
Далее надо перевести в возбужденное состояние.
2р
2s
2.1.1.
sp2 – гибридизация. Валентный угол между связями равен 120
о. Далее подводим валентные электроны F, т, к Fявляется
s- элементом. Получаем схему молекулы NF
3.


2.1.2. Молекула имеет 3 ? – связи.
2.1.3. Определим полярность.
Полярность связана с наличием диполя, обусловленного оттягиванием валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома. В случае молекулы
NF
3более электроотрицательным элементом является бром. Поэтому связь
N
-Fявляется полярной. Однако в целом молекула неполярная, так как при наличии трех диполей оттягивание электронов идет в три стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.
Задание 2.2. Дать характеристику двух комплексных соединений (табл. II.3), ответив на следующие вопросы: 2.2.1. Для приведенного комплексного соединения указать комплексообразователь, лиганды, ионы внешней и внутренней сферы; Определить степень окисления комплексообразователя и корродинационное число. 2.2.2. Записать уравнение диссоциации комплексного соединения, а также диссоциации иона внутренней сферы и дать выражение для константы нестойкости комплексного иона. Решения 2.2 1) K
2 [PtCl
6], 2) [Co(NH
3)
5SO
4]NO
3 Сначала проанализируем состав комплексного соединения. В комплексном соединении содержится сложный комплексный ион, который показан в квадратных скобках. Комплексный ион состоит из
комплексообразователя и
лигандов. В формуле K
2[PtCl
6], комплексообразователь является Pt, а лигандом Cl. Количество лигандов вокруг комплексообразователя называется его
координационным числом. Координационное число в формуле K
2[PtCl
6]является 6.
Комплексообразователь и лиганды связаны прочной ковалентной связью донорно-акцепторного типа. Комплексный ион является ионом
внутренней сферы.
Внутренней сферы в формуле K
2[PtCl
6], является [PtCl
6]
2- Снаружи располагаются ионы
внешней сферы.
Внешней сферы в формуле K
2[PtCl
6], является K
+. Сложный комплексный ион заряжен отрицательно, т.е. является анионом, и комплекс называется
анионным.
Проанализируем вторую формулу состав комплексного соединения. В комплексном соединении содержится сложный комплексный ион, который показан в квадратных скобках. Комплексный ион состоит из
комплексообразователя и
лигандов. В формуле [Co(NH
3)
5SO
4]NO
3 комплексообразователь является Cо, а лигандом SO
4, NH
3. Количество лигандов вокруг комплексообразователя называется его
координационным числом. Координационное число в формуле [Co(NH
3)
5Cl]Cl
2является 6.
Комплексообразователь и лиганды связаны прочной ковалентной связью донорно-акцепторного типа. Комплексный ион является ионом
внутренней сферы.
Внутренней сферы в формуле [Co(NH
3)
5SO
4]NO
3 является [Co(NH
3)
5SO
4]
+ Снаружи располагаются ионы
внешней сферы.
Внешней сферы в формуле[Co(NH
3)
5SO
4]NO
3 является NO
3-. Сложный комплексный ион заряжен положительно, т.е. представляет собой
катионный комплекс. 




Лиганды






Ион внешней
сферы
Комплексо-образователь
Комплексный ион
Ион внутренней
сферы
Лиганды

Схема комплексного соединения
K
2 [PtCl
6]











Ион внешней
сферы
Комплексо-образователь
Комплексный ион
Ион внутренней
сферы
Лиганды
Лиганд
Рис. 2.7 б. Схема комплексного соединения [Co(NH
3)
5SO
4]NO
3 Между ионами внешней и внутренней сферы действует более слабая ионная связь. В растворе под действием молекул воды эта связь разрывается, т.е. происходит диссоциация молекулы комплексного соединения на ионы внешней и внутренней сферы:
K
2 [PtCl
6]

2K
+ + [PtCl
6]

;
[Co(NH
3)
5SO
4]NO
3
[Co(NH
3)
5SO
4]
+ + NO
3
.
Однако комплексный ион при этом сохраняет свою целостность.
Комплекс перестает существовать, если разрывается внутренняя связь между комплексообразователем и лигандами.
Степень нестойкости комплексного иона выражается
константой нестойкости (Кнест.), которая представляет собой отношение произведения равновесных концентраций лигандов, взятых в степенях, равных их количеству в молекуле к концентрации комплексных ионов в растворе.
Таблица 2.3
Характеристики комплексного |
Формула комплексного соединения |
соединения | K 2 [PtCl6] | [Co(NH3)5SO4]NO3 |
Комплексное соединение с ука-занием степеней окисления всех частиц | K 2 +[Pt х Cl6-] 2+ х + 6(-1) = 0 х = 4 | [Co x (NH3)5 SO4] NO3 х + 0·5 + (-2) + (-1) = 0 х = 3 |
Комплксообра- зователь | Pt 4+ | Co 3+ |
Лиганды | Cl- | NH3, SO4 2- |
Координационное число | 6 | 5 + 1 = 6 |
Ионы внутренней сферы | [PtCl6]2- | [Co(NH3)5SO4]+ |
Ионы внешней сферы | K + | NO3 |
Уравнение диссоциации комплексного соединения | K2[PtCl6]. 2K++ [PtCl6]2-;
| [Co(NH3)5SO4]NO3 [Co(NH3)5SO4]+ + NO3 .
|
Уравнение диссоциации внутренней сферы | [PtCl6]2- Pt4++6(Cl) ; | [Co(NH3)5SO4]+ 
Co 3++5(NH3)+ SO4 2- |
Константы нестойкости |
Кнест.= | Кнест.=
|
Заряд комплексообразователя определяют исходя из зарядов ионов внешней сферы, лигандов, их количества и нейтральности молекулы в целом. Определим заряд комплексообразователя для рассматриваемых комплексных соединений.
K
2 +[Pt
х Cl
6-] [
Co
x (NH
3)
5Cl
- ]Cl
2- 2+ х + 6(-1) = 0 х + 0·5 + (-1) + (-1)·2 = 0
х = 4 х = 3
Следовательно комплексообразователем в 1-ом соединении является Pt
4+, а во втором – Co
3+.
Тема III.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Задание 3.
1.
Запишите реакцию взаимодействия указанного по варианту элемента с кислородом. Используя приведенные в табл. III.1 данные, рассчитайте энтальпию образования оксида.