Химия контрольные задания для студентовзаочников всех специальностей

• Название: Химия контрольные задания для студентовзаочников всех специальностей
• Анкор: 2170.doc
• Дата: 23.12.2017
• Размер: 1.63 Mb.
• Имя файла: 2170.doc
• Тип: Методические указания; #12584
• страница: 2 из 13

Введение

Современная теория строения атомов и молекул базируется на законах движения микрочастиц, обладающих очень малой массой, порядка 10^-27 – 10^-31 кг. Эти законы были сформулированы в 1923-27 годах и привели к созданию новой науки – квантовой механики. Установлено, что поведение микрочастиц принципиально отличается от поведения микрообъектов, изучаемых классической механикой.

Применение законов квантовой механики к химическим явлениям привело к созданию квантовой химии, которая является основой современной теории химической связи и строения вещества.

Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9-0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m₁). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m₁) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (n, l, m_l, и m_s). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень), число m₁(магнитное) – магнитный момент, m_s – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны и атомы должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому на АО могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами m_s = ± ¹/₂. Заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме – в порядке возрастания числа n. Соответственно по этому правилу последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:
1s² < 2s² < 2p⁶ < 3s² < 3p⁶ < 4s² < 3d¹⁰ < 4p⁶ < 5s² < 4d¹⁰ < 5p⁶ < 6s²

< 5d¹ < 4f¹⁴ < 5d⁹ < 6p⁶ < 7s² < 6d¹ < 5f¹⁴ < 6d⁹ < 7p⁶ < 8s²……
Примеры решения задач
Пример 1. Напишите электронную формулу атома серы. К какому электронному семейству относится сера? Укажите валентные электроны, распределите их по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденных состояниях.

Решение. У атома серы порядковый номер 16 в таблице Д.И. Менделеева, поэтому – 16 электронов и последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней совпадает с электронной формулой (что характерно для элементов с порядковыми номерами от 1 до 20):

₁₆S – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

Последним заполняется p-подуровень, поэтому сера принадлежит к p-электронному семейству; содержит 6 валентных электронов – 3s² 3p⁴. Представим схему размещения валентных электронов в квантовых (энергетических) ячейках:

3s 3p 3d

₁₆S - ...

Валентность серы в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях H₂S, Na₂S, CaS.

У атома серы на 3d-подуровне имеются вакантные орбитали. При возбуждении атома происходит разъединение пар электронов и переход их на свободные орбитали.

Представим электронные конфигурации атома серы в возбужденных состояниях:
3s 3р 3d

а) ₁₆S^* - … , ₁₆S* - … 3s²3p³3d¹
Валентность серы равна 4, например, в соединениях SO₂, H₂SO₃

3s 3p 3d

б) ₁₆S^*- … S^* - … 3s¹ 3p³ 3d²
Валентность серы равна 6, например, в соединениях: SO₃, H₂SO₄.

Вывод: валентность серы в соединениях 2, 4, 6.
Пример 2. Составьте электронную формулу атома титана и ионов титана Ti²⁺ и Ti⁴⁺. К какому электронному семейству относится титан? Приведите электронные аналоги титана.

Решение. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней следующий:
₂₂Ti – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²



Титан принадлежит к d-электронному семейству.

Электронная формула титана имеет вид:

₂₂Ti – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²
Подчеркнуты валентные электроны.

Электронно-графические формулы валентных электронов атома титана в нормальном и возбужденном состояниях:
3d 4s 4p 4d 4f

₂₂ Ti -…

Валентность титана в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях: TiO, TiCl₂. Такая валентность обусловлена двумя неспаренными электронами, но вакантные орбитали на 4p-подуровне вносят дополнительный вклад в валентность и титан в некоторых соединениях проявляет валентность, равную 3, например, в соединении TiCl₃.

При возбуждении атома титана происходит распаривание 4s-электронов и переход их на 4p-подуровень, валентность титана в этом состоянии равна 4 (TiO₂, TiCl₄):
3d 4s 4p 4d 4f

₂₂Ti*-…
₂₂ Ti^* - … 3d² 4s¹ 4p¹ 4d⁰ 4f⁰
Сокращенная электронная формула атома титана:

₂₂ Ti - … 3d² 4s²

Электронные аналоги титана:

₄₀ Zr - … 4d² 5s²; ₇₂ Hf - …5d² 6s²

Электронные формулы ионов титана Ti²⁺ и Ti⁴⁺ соответственно:

₂₂Ti²⁺ - … 3d² 4s⁰; ₂₂Ti⁴⁺ - … 3d⁰ 4s⁰.

Контрольные задания
21. Структуры валентных электронных слоев выражаются формулами: а) 4s²4p²;

б) 5d⁴6s²; в) 4s¹. Составьте полные электронные формулы, определите порядковые номера, приведите названия элементов, определите принадлежность к электронным семействам.
22. Напишите электронную формулу атома кислорода. Какие элементарные частицы входят в состав атома? Рассчитайте длину волны де Бройля для молекулы кислорода, движущейся со скоростью 1000 м/с, учтите единицы измерения Джоуля [м²кгс^-2]. Возможно ли обнаружение волновой природы этой частицы?
23. В чем сущность , ^-, ⁺ - радиоактивного распада? Изотопы какого элемента получатся в результате последовательного излучения 4- и 2-частиц атомным ядром ²³⁸U? Напишите сокращенную электронную формулу полученного изотопа элемента. Является ли полученный изотоп устойчивым или радиоактивным?
24. Напишите электронные формулы атома Te и иона Te^2-. Докажите, что валентность теллура в соединениях 2, 4, 6.
25. Напишите электронные формулы атома железа, ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Докажите с помощью электронно-графической схемы, что максимальная валентность железа в соединениях равна 6.
26. Что такое изотопы? Приведите примеры изотопов какого-либо элемента, напишите электронную формулу изотопов этого элемента. Почему изотопы элемента имеют сходные химические свойства?
27. Определите по правилу Клечковского последовательность заполнения электронами энергетических подуровней, если n+l=7. Какой элемент имеет валентные электроны 7s²?
28. Напишите электронные формулы атома стронция и иона Sr²⁺. Укажите валентность стронция в нормальном и возбужденном состояниях. Какие значения принимают кантовые числа для внешних электронов атома стронция?
29. Напишите значения всех четырех квантовых чисел для трех любых электронов на 4p-подуровне. Значениями какого квантового числа различаются три электрона указанного подуровня? Почему максимальное число электронов на p-подуровне равно 6?
30. По какому признаку элементы подразделяются на электронные семейства? Напишите электронные формулы атомов любых двух элементов пятого периода, принадлежащих к разным электронным семействам. Какие электроны этих элементов являются валентными? Какой подуровень заполняется раньше: 5s или 4d? Почему?

31. Какое состояние атома называется основным и какое – возбужденным? Чем ион отличается от нейтрального атома? Ответы на вопросы подтвердите написанием электронных формул атома брома и бромид-иона. Изобразите электронно-графические схемы атома брома в нормальном и возбужденных состояниях.
32. Напишите электронные формулы атома водорода и ионов Н⁺, Н^-. Какие элементарные частицы входят в состав атома водорода и ионов? Вычислите энергию связи электрона в электрон-Вольтах (эВ) на первой и пятой стационарных орбиталях атома водорода и сравните (<, >) их величины.

33. Структуры валентных электронных слоёв атомов элементов выражаются формулами:

а) 5s²5p⁴; б) 3d⁵4s¹; в) 7s². Определите порядковые номера, приведите названия элементов, а также укажите принадлежность к электронным семействам.

34. Составьте электронные формулы и электронно-графические схемы атомов элементов с порядковыми номерами 23 и 33 в нормальном и возбужденных состояниях. Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных аналогов.
35. На примерах галлия и марганца докажите, что имеется взаимосвязь строения атомов элементов с положением их в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
36. Напишите электронные формулы и электронно-графические схемы атомов фосфора и ванадия в нормальном и возбужденном состояниях. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

37. На каком основании иттрий (Z=39) и индий (Z=49) помещены в одну группу периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему они в разных подгруппах? Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных аналогов.
38. Напишите электронные формулы атома Ba и иона Ba²⁺. Какую валентность проявляет барий в нормальном и возбужденном состояниях? Структуру какого инертного газа имеет ион Ba²⁺?
39. Напишите электронную формулу атома технеция. Укажите валентные электроны. Распределите валентные электроны по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденном состояниях. Определите суммарный спин электронов в возбужденном состоянии.
40. Напишите электронную формулу атома меди; учтите, что у меди происходит провал одного 4s электрона на 3d-подуровень. Приведите электронные формулы двух последних уровней электронных аналогов меди.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Введение

В 1869 году Д.И. Менделеев открыл периодический закон, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов. Выражением закона является периодическая система Д.И. Менделеева. Электронное строение элементов изменяется периодически, поэтому свойства элементов также изменяются периодически, а именно: размеры атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, окислительно-восстановительные, кислотно-основные и другие.
Примеры решения задач
Пример 1. Какой элемент 4 периода – марганец или бром проявляет металлические свойства?
Решение. Полные электронные формулы элементов:

₂₅Mn – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶ 3d¹⁰ 4s²4p⁵

Марганец является d-элементом VIIB подгруппы, а бром – p-элемент VIIA подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, способны терять электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают в основном сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют элементарные отрицательные ионы.

Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома более свойственна окислительная функция. Общей закономерностью для всех групп, относящихся к d-электронному семейству, является преобладание металлических свойств. Следовательно, металлические свойства проявляет марганец.
Пример 2. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления образующих из атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?
Решение.Если элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства их изменяются от основных к амфотерным и кислотным. Например: оксиды и гидроксиды хрома, марганца, ванадия и др. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э-О и О-Н может протекать по двум направлениям:

основному - ЭОН  Э⁺ + ОН^- или

кислотному - ЭОН  ЭО ^- + Н⁺

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей и эффективными зарядами атомов. Приводим пример диссоциации амфотерных гидроксидов (амфолитов):

Эⁿ⁺ + nОН^-  Э(ОН)_n ; Н_nЭО_n  nН⁺ + ЭО^n-

основной тип кислотный тип

диссоциации диссоциации

В кислой среде амфолит проявляет основной, а в щелочной среде – кислотный характер.

Рассмотрим амфотерные свойства оксидов и гидроксидов хрома.

Приводим сокращенную электронную формулу атомов хрома: ₂₄Cr - … 3d⁵4s¹.

Хром образует оксиды: Cr⁺²O, Cr₂⁺³O₃, Cr⁺⁶O₃, которым соответствуют следующие гидроксиды:

Cr⁺² (OH)₂, Cr⁺³ (OH)₃, H₂Cr⁺⁶ O₄ и H₂Cr⁺⁶₂ O₇.

Для CrO и Cr(OH)₂ характерны основные свойства, для Сr₂O₃ и Cr(OH)₃ – амфотерные свойства, для CrO₃, H₂CrO₄ и H₂Cr₂O₇ – кислотные свойства.

Докажем амфотерные свойства тригидроксида хрома:
Cr(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Cr(OH)₆]; Cr(OH)₃ + 3OH^- = [Cr(OH)₆]^3-.
В данной реакции Cr(OH)₃ проявляет кислотные свойства.

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂О, Cr(OH)₃ + 3H⁺ = Cr³⁺ + 3H₂O.
В данной реакции Cr(OH)₃ проявляет основные свойства.


Контрольные задания

41. Составьте формулы оксидов и гидроксидов марганца. Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений? Подчиняются ли эти соединения общей закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов?
42. Исходя из положения хрома, селена, углерода и серы в периодической системе, определите, какая из кислот является более сильным окислителем: а) H₂CrO₄ или H₂SeO₄, б) H₂CO₃ или H₂SO₃.
43. У какого элемента наибольшая энергия ионизации: а) Sr или Cd; б) Rb или Ag? У какого элемента наибольшая электроотрицательность: а) As или Sb; б) As или Br?
44. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют вольфрам, теллур, серебро в соединениях? Почему? Составьте формулы соединений, отвечающих этим степеням окисления и изобразите их структурные формулы.
45. Приведите современную формулировку периодического закона. Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя имеют бóльшую атомную массу. Как называются пары таких элементов?
46. Исходя из положения металлов в периодической системе, определите, какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: а) KOH или Mn(OH)₂; б) Zn(OH)₂ или Сa(OH)₂; в) Mg(OH)₂ или Be(OH)₂.
47. Исходя из положения технеция, селена, цезия в периодической системе, составьте формулы следующих соединений: технециевой кислоты, оксида селена, гидрокарбоната цезия, отвечающих их высшей степени окисления. Изобразите структурные формулы соединений.
48. Исходя из положения серы, фосфора и хлора в периодической системе, определите, как изменяются окислительные свойства кислот: H₂SO₄, H₃PO₄, HClO₄?
49. В ряду кислородных кислот хлора: HClO – HСlO₂ – HСlO₃ - HClO₄ определите, какая из кислот наиболее сильный окислитель, какая из кислот наиболее сильный электролит.
50. На основании строения атомов лития и бериллия поясните, почему первый потенциал ионизации у лития меньше, чем у бериллия, а второй потенциал ионизации лития больше, чем у бериллия?
51. Какие элементы принадлежат к f–электронному семейству? На примерах строения атомов двух любых лантаноидов (или актиноидов) докажите, что химические свойства в группах лантаноидов (или актиноидов) близки друг к другу.
52. Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов в периодах с увеличением порядковых номеров элементов? Ответ мотивируйте строением атомов элементов и величин их важнейших характеристик: радиусов атомов и электроотрицательностей.
53. Составьте формулы оксидов и гидроксидов ванадия. Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений?
54. Исходя из строения атомов элементов, определите, какое основание более сильное:

а) Sr(OH)₂ или Fe(OH)₂; б) Cu(OH)₂ или KOH; какая кислота более сильная: а) H₃AsO₄ или H₂SeO₄; б) HClO₄ или HMnO₄.
55. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют молибден, йод и цирконий? Почему? Составьте формулы соединений, отвечающих этим степеням окисления и изобразите их структурные формулы.
56. Как изменяется прочность связи между атомами в молекулах галогенов Cl₂ – Br₂ – J₂? Почему молекула F₂ выпадает из общей закономерности?
57. Как изменяются металлические свойства в VВ подгруппе периодической системы? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов элементов и величин важнейших их характеристик: радиусов атомов и энергий ионизации.
58. Исходя из положения галогенов в периодической системе, поясните, как изменяются восстановительные свойства в ряду HCl – HBr – HJ. Почему HF входит в исключение?

59. Как изменяются неметаллические свойства в VIА подгруппе периодической системы? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов элементов и величин важнейших их характеристик: радиусов атомов и электроотрицательностей.
60. В какой степени окисления галогены и элементы подгруппы марганца проявляют наибольшее сходство в свойствах? Приведите примеры сходных соединений.


ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ.

КОНДЕНСИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВ