Министерство образования Российской Федерации Алтайский государственный технический университет Бийский технологический институт Н.В. Степанова ХИМИЯ УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ Методические рекомендации по выполнению контрольного задания №3 Барнаул 2001 УДК 54(075.4) Степанова Н.В. Химия: Учебно-методический комплект для абитуриентов. Методические рекомендации по выполнению контрольной работы №3. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск. Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. – 8 с. Настоящие методические рекомендации представляют собой третью часть единого учебно-методического комплекта по курсу «Химия» для абитуриентов. Данная часть посвящена теме: «Строение атома. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Химическая связь» и включает теоретические вопросы и задачи, отражающие основное содержание темы. Рекомендуются учащимся школ, гимназий и лицеев, а также абитуриентам химических вузов. Комплект рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «Общая химия и экспертиза товаров». Протокол №194 от 3.06.2001 г. Рецензент: доцент каф. «Общая химия и экспертиза товаров» Разгоняева Т.П. БТИ АлтГТУ, 2001 2 КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ №3 1 Строение атома. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре атома равно порядковому номеру элемента в периодической системе и числу электронов в атоме. Число нейтронов в ядре атома равно разности между относительной атомной массой химического элемента и числом протонов. Так как заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона, то атом каждого химического элемента представляет собой сложную электронейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и электронной оболочки с числом электронов, равным числу протонов в ядре. Электроны в атоме обладают разной энергией и размещаются на энергетических уровнях и подуровнях в соответствии с принципом Паули, правилом Хунда и правилом Клечковского. Атомы металлов в отличие от атомов неметаллов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов (от 1 до 3), слабо удерживаемых ядром. Характерным химическим свойством металлов является способность их атомов отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы. Неметаллы, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательно заряженных ионов. Наименьшую энергию, необходимую для отрыва электрона от атома, называют энергией ионизации (потенциалом ионизации) и измеряют ее в электронвольтах (1 эВ = 96,5 кДж/моль). Она характеризует прочность связи электрона с атомом. С увеличением порядкового номера элемента в группе потенциалы ионизации уменьшаются вследствие увеличения атомных радиусов, а в периоде потенциалы ионизации возрастают по мере уменьшения атомных радиусов. В зависимости от числа отрываемых от атома электронов различают первый потенциал ионизации I1 (энергия отрыва от атома первого электрона), второй потенциал ионизации I2 (энергия отрыва второго электрона) и т.д. Всегда I1 < I2 < I3, так как образующийся катион Эn+ (n1) с большей силой притягивает оставшиеся электроны. Как отмечалось выше, атомы элемента могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону и также 3 измеряется в электронвольтах. Количественно сродство атома к электрону выражается энергией, затрачиваемой на отрыв электрона от однозарядного отрицательного иона. Максимальным сродством к электрону обладают атомы галогенов. Способность атомов к отдаче электронов характеризует степень металличности данного элемента, а способность к присоединению электронов – степень неметалличности элемента. Присоединение одного электрона к атому неметалла сопровождается выделением энергии, а присоединение второго и третьего электронов идет с затратой энергии. Мерой относительной способности атомов в молекуле притягивать к себе электроны, то есть приобретать отрицательный заряд, является электроотрицательность. Опытными данными установлено, что наименьшими значениями электроотрицательности обладают атомы щелочных металлов, наибольшими – атомы галогенов, а среди последних – атомы фтора. Электроотрицательность лития условно принимают равной единице, и с ней сравнивают электроотрицательность других элементов. Задачи с решениями Задача 1. Электронная формула атома аргона (18Ar): 1s22s22р63s23р6. Какова электронная формула атома калия 19К? Решение. Электронная формула атома калия может быть выражена двояко: 1s22s22р63s23р63d1 (I) или 1s22s22р63s23р64s1 (II). В случае поступления валентного электрона на d-подуровень третьего энергетического уровня запас его энергии характеризовался бы суммой n + l = 3 + 2 = 5, а при направлении электрона на s-подуровень четвертого уровня запас энергии составил бы n + l = 4 + 0 = 4. Следовательно, лишь электронная формула (II) находится в согласии с правилом Клечковского, то есть n + l электрона 4s меньше n + l электрона 3d. Задача 2. Электронная формула атома азота (7N): 1s22s22р3. Как распределяются электроны по квантовым ячейкам? 4 Решение. В соответствии с правилом Хунда распределение электронов по квантовым ячейкам имеет вид: , то есть три электрона заполняют все три орбитали на р-подуровне. Задача 3. Дайте общую характеристику элемента с порядковым номером 33. Укажите его основные химические свойства. Ответ: Элемент мышьяк (порядковый номер 33) находится в четвертом периоде, в главной подгруппе V группы, его относительная атомная масса – 75. Ядро атома состоит из 33 протонов и 42 нейтронов. Электроны (их 33) расположены вокруг ядра на четырех энергетических уровнях. Мышьяк – p-элемент, его электронная формула: 1s22s22р63s23р63d104s24p3. Наличие пяти электронов на внешнем энергетическом уровне атома мышьяка указывает на то, что мышьяк – неметалл. Однако он обладает слабо выраженными металлическими свойствами, поскольку в группе сверху вниз происходит ослабление неметаллических свойств. Высшая степень окисления мышьяка +5. Формула высшего оксида – As2O5, а газообразного соединения с водородом – AsH3. Задача 4. Объясните, почему селен и хром, находясь в одном и том же периоде и в одной группе, обладают разными свойствами, на что указывает их принадлежность к главной и побочной подгруппам соответственно. Ответ: электронные формулы атомов: 34Se – 1s22s22р63s23р63d104s24p4, 24Cr – 1s22s22р63s23р63d54s1. Селен – p-элемент, а хром – d-элемент. Атом селена имеет на внешнем уровне шесть электронов, а атом хрома – один электрон на внешнем уровне и пять d-электронов на предвнешнем уровне. Следовательно, атом селена должен проявлять склонность к присоединению двух электронов для приобретения электронной структуры ближайшего благородного газа – криптона и обладать неметаллическими свойствами. Хром – металл. При определенных условиях атом хрома может отдать не только один электрон с внешнего уровня, но и пять 5 d-электронов с предвнешнего уровня, приобретая при этом устойчивую электронную структуру аргона – 1s22s22р63s23р6. Атом селена, обладая значительной электроотрицательностью, образует соединение с водородом, а хром, будучи металлом, – не образует. 2 Химическая связь и строение молекул. Валентность и степени окисления элементов Задачи с решениями Задача 1. Каковы валентность и степень окисления азота: а) в азотной кислоте; б) в хлориде аммония? Решение. а) Структурную формулу азотной кислоты иногда изображают с пятивалентным азотом следующим образом: O H O N O. В действительности пятивалентный азот не существует, поскольку для этого атом азота должен иметь пять неспаренных элекронов. Распаривание 2s–электронов азота требует очень большой затраты энергии и практически не происходит. Атом азота в азотной кислоте имеет валентность IV. Три ковалентные связи N–O образованы за счет неспаренных электронов, и одна – за счет неподеленной пары электронов азота. Структурную формулу азотной кислоты можно представить так: O H O N O , где стрелка обозначает донорно-акцепторную связь. Степень окисления водорода равна +1, кислорода (–2), а сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0, поэтому на долю атома азота приходится условный заряд +5. б) Валентность азота в ионе NH4+ равна IV. Три ковалентные связи N–H образованы за счет неспаренных электронов азота, и одна – за счет неподеленной пары электронов. Степень окисления водорода равна +1, а сумма степеней окисле6 ния атомов в ионе равна заряду иона (–1), поэтому на долю атома азота приходится условный заряд (–3). Ответ: а) валентность IV, степень окисления +5; б) валентность IV, степень окисления (–3). Задача 2. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: K2MnO4, Ва(СlO3)2, F2O, Ca(NO2)2, H2SiF6, Н2O2, Сr2(SO4)3. Решение. Используем следующие правила определения степеней окисления: 1) сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0; 2) степень окисления Н равна +1 в соединениях с неметаллами; 3) степень окисления О равна (–2), кроме соединений со фтором и перекисных соединений; 4) степень окисления F равна (–1); 5) степень окисления металла равна заряду иона металла. Используя эти правила, находим: 1) K2MnO4: K+1, Mn+6, O–2; 2) Ва(СlO3)2: Ba+2, Cl+5, O–2; 3) F2O: F–1, O+2; 4) Ca(NO2)2: Ca+2, N+3, O–2; 5) H2SiF6: H+1, Si+4, F–1; 6) Н2O2: H+1, O–1; 7) Сr2(SO4)3: Cr+3, S+6, O–2. Задача 3. Сероводород при обычной температуре - газ, а вода жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах? Решение. Кислород - более электроотрицательный элемент, чем сера. Поэтому между молекулами воды возникают более прочные водородные связи, чем между молекулами сероводорода. Разрыв этих связей, необходимый для перехода воды в газообразное состояние, требует значительной затраты энергии, что и приводит к аномальному повышению температуры кипения воды. 7 Степанова Наталья Владимировна ХИМИЯ Учебно-методический комплект для абитуриентов Методические рекомендации по выполнению контрольного задания №3 Редактор Идт Л.И Подписано в печать 02.07.2001. Формат 60х84 1/16 Усл. п. л. - 0,4. Уч. изд. л. - 0,5 Печать – ризография, множительно - копировальный аппарат «RISO TR - 1510» Тираж 50 экз. Заказ 2001-61 Издательство Алтайского государственного технического университета 655099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46 Оригинал-макет подготовлен ИВЦ БТИ АлтГТУ Отпечатано на ИВЦ БТИ АлтГТУ 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29 8