Химия для иностранцев 2013. Учебное пособие для иностранных учащихся подготовительного отделения Харьков
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
1s 2 2s 2 2p 3 – графическая электронная формула (три электрона на подуровне распределяем так, чтобы суммарный спин был максимальным. Напишем электронную формулу скандия Sc: Sc 21 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 После подуровня заполняется 4s, а не подуровень, согласно правилу наименьшего запаса энергии первым заполняется тот подуровень, для которого сумма n + l меньше. Для 4s: n = 4, l = 0, n + l = 4; 3d: n = 3, l = 2, n + l = 5. Согласно этому правилу последовательность энергетических уровней электронов в порядке возрастания их энергии такова 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f ≈ 5d<6p<7s<5f ≈ 6d<7p Пример составить электронную формулу атома калия. K 19 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 31 Для 3p: n = 3, l = 1, n + l = 4; 4s: n = 4, l = 0, n + l = 4. Первым заполняется подуровень, т. к. при одинаковом значении суммы n + l первым заполняется подуровень с меньшим значением n. Контрольные вопросы и задания 1. Напишите электронные и графические электронные формулы атомов фтора, алюминия, серы. 2. Какой подуровень в атомах заполняется раньше а) 3d или 4p; били Почему 3. Сколько неспаренных электронов находится на подуровне атома марганца. Атомам каких элементов отвечают электронные формулы а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8 ; б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 5. Какие из электронных конфигураций невозможны а) 2s 2 2p 6 ; б) 3s 1 3p 5 ; в) 4d 5 5s 2 ; г) 4s 2 3d 11 ; д) 3s 2 3p 4 4s 2 6. Сколько свободных орбиталей в атоме хрома 3.5. Периодическая система элементов и электронное строение атомов Положение химического элемента в периодической системе определяется строением атома и его свойствами. Порядковый номер элемента – определяет заряд ядра атома и количество 32 электронов. Номер периода – количество энергетических уровней. Номер группы – число электронов во внешнем электронном слое атома (валентность. Всего групп восемь. Число электронов во внешнем слое всех атомов не больше восьми. В зависимости оттого, какой подуровень последним заполняется электронами, элементы делят на элементы, элементы, элементы, и элементы (электронные семейства. Максимальное число электронов орбитали – два. Поэтому в каждом периоде есть два элемента. Максимальное число электронов орбитали – шесть. Поэтому в каждом периоде (кроме первого и седьмого) есть по шесть элементов. Максимальное число элементов – десять, элементов – четырнадцать. Структура периодической системы элементов определяется электронным строением атомов. Контрольные вопросы и задания. Почему первый период состоит только из двух элементов, а второй – из восьми 2. Сколько энергетических уровней имеют атомы магния, меди, бария 3. Сколько электронов содержится во внешнем электронном слое атомов кремния, кальция, брома, серы, калия 4. К какому электронному семейству (s–, p–, элементы) относятся фосфор, марганец, калий 5. В каком периоде, ив какой группе периодической системы находится элемент, электронная формула которого а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ; б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 33 4. Химическая связь Химическая связь – это взаимодействие атомов, в результате которого образуются молекулы или кристаллы. Известно несколько типов химической связи. Основными являются ковалентная и ионная. Соединение атомов в молекулу (образование химической связи) объясняется их стремлением к образованию энергетически наиболее устойчивых систем – завершенных внешних электронных слоев (ns 2 , ns 2 np 6 , ns 2 np 6 nd 10 .) Ковалентная связь осуществляется за счет общих электронных пар, которые принадлежат обоим атомам. Различают обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному (валентному) электрону в общую электронную пару. Рассмотрим образование молекулы водорода Низ атомов. H 1 : 1s 1 При сближении атомов водорода происходит перекрывание их орбиталей. В результате между центрами обоих ядер возникает молекулярное двухэлектронное облако (общая электронная пара, электронная плотность в этой области увеличивается, что приводит к усилению притяжения между ядрами и молекулярным облаком. В образовании связи могут принимать участие только неспаренные электроны с 34 антипараллельными спинами, которые называют валентными электронами. 1s 2 1s 1 1s 1 , или Химическую связь можно изображать схематично H H + H общая (поделенная) электронная пара неспаренный электрон электронная формула Часто общую электронную пару обозначают чертой общая электронная пара структурная формула Если между атомами возникает одна ковалентная связь (одна общая электронная пара, то ее называют одинарной, если больше – ее называют кратной связью. H H O O N N а) Н–Н б) О в) N ≡N а) одинарная связь б) кратная связь (двойная в) кратная связь (тройная. Донорно-акцепторный механизм При образовании связи один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь Ковалентная связь бывает полярной и неполярной. Ковалентная неполярная связь – это связь, при образовании которой общие электронные пары располагаются симметрично относительно обоих ядер. Она возникает между атомами одного итого же элемента в молекулах простых веществ H 2 , O 2 , Ковалентная полярная связь – это связь, при образовании которой общие электронные пары смещаются к одному из атомов, то есть располагаются несимметрично относительно ядер различных атомов. Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу. Электроотрицательность – это способность атома в соединении притягивать электроны от другого атома. Химические элементы можно расположить вряд в порядке возрастания электроотрицательности электроотрицательность возрастает Самый электроотрицательный элемент – фтор. Полярная ковалентная связь возникает между атомами разных элементов (как правило, неметаллов, с разной электроотрицательностью. Общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного элемента. Рассмотрим образование связи в молекуле HCl. H 1 : 1s 1 Cl 17 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 36 валентный электрон 3s 2 3p 5 валентный электрон Cl общая электронная пара Общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому хлора. Связь в молекуле HCl – ковалентная полярная. Ионная связь. Ионы – это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Na 11 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ; Na –1e – → атом ион Na + : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 Cl 17 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 р Cl +1e – → атом ион Cl – : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Если атом отдает электроны, он превращается в положительно заряженный ион катион если атом принимает электроны, он превращается в отрицательно заряженный ион (анион. Na + – катион натрия Cl – – анион хлора. Если атомы, образующие химическую связь, сильно отличаются по электроотрицательности (металл – неметалл, то общая электронная пара переходит к одному из атомов, и оба атома превращаются в ионы Na Cl + Na Cl Na Хлорид натрия состоит из ионов натрия Na + и хлорид-ионов Cl – 37 Ионная связь – это химическая связь между ионами, которая возникает за счет электростатического притяжения. 38 Контрольные вопросы и задания 1. Какая связь называется ковалентной 2. Напишите электронные формулы и укажите тип связи в молекулах HBr, H 2 S, PH 3 , Br 2 3. Какая связь называется а) ковалентной полярной б) ковалентной неполярной Приведите примеры. 4. Что такое электроотрицательность 5. Что называют ионом 6. Какая связь называется ионной 7. В сторону какого элемента смещаются общие электронные пары в молекулах соединений 5. Валентность и степень окисления Валентность – это способность атомов элементов образовывать химические связи с атомами других элементов. Количественной мерой способности атома к образованию ковалентных химических связей, возникающих за счет двух электронов (по одному от каждого атома) является ковалентность. Ковалетность равна числу неспаренных электронов атома, участвующих в образовании связи, поэтому она не может иметь знака ("+" или "-"), не может равняться нулю. Следовательно, валентность атомов может изменяться от 1 до некоторого максимального значения, которое для многих химических элементов совпадает с номером их группы в периодической системе Менделеева. Если атом участвует в образовании ионной химической связи, то валентность атома определяется числом электронов, которые атом отдает при образовании катиона или принимает в случае образования аниона. 39 Например H 1 : 1s 1 – валентность атома водорода всегда равна единице. N 7 : 1s 2 2s 2 валентные электроны = 2 n = Валентность азота равна трем. Степень окисления (окислительное число) – это условный заряд, который приобрел бы атом в молекуле, если бы все электронные пары его химических связей сместились в сторону более электроотрицательных атомов. Можно сказать, что степень окисления – это условный заряд атома в соединении при условии, что оно состоит только из ионов. Нельзя отождествлять степень окисления и валентность. Степень окисления обозначают арабской цифрой. Она может быть положительной, отрицательной, равной нулю, может принимать дробные значения Для определения степени окисления каждого элемента в соединении необходимо помнить следующее 1. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в соединении всегда равна нулю, а в сложном ионе – заряду иона 2 4 6 2 1 O S H − + + : (+1)·2 + (+6)·1 + (–2)·4 = 0; − − + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ 2 4 2 6 O S : (+6)·1 + (–2)·4 = –2. 2. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю 40 2 0 H , 0 2 Cl , 0 Na . 3. Степень окисления металлов во всех соединениях всегда положительна. Некоторые металлы имеют постоянную степень окисления и никогда ее не меняют Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (щелочные металлы) во всех соединениях имеют степень окисления +1; Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и Zn имеют степень окисления +2; у Al –+3. Остальные металлы могут иметь переменную степень окисления 2 2 O Fe − + , 3 2 2 3 O Fe − + 4. Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1. Исключения составляют гидриды металлов, в которых водород имеет степень окисления –1: 1 1 H Na − + , 2 1 2 H Ca − + 5. Степень окисления фтора во всех его соединениях всегда равна –1. 6. Кислород, как правило, имеет степень окисления –2. Исключения 2 1 2 1 O H − + , 2 1 2 O Ba − + , 2 2 1 1 O Na − + 7. Степень окисления атома, который образует простой ион (состоит из одного атома) равна заряду этого иона Ca 2+ – (заряд иона обозначается справа от символа, а степень окисления над символом) кальций проявляет степень окисления +2. Многие элементы проявляют переменную степень окисления. Высшая степень окисления элемента часто соответствует номеру группы, в которой находится элемент в периодической системе элементов. Например, сера может иметь различную степень окисления в соединениях Максимальное значение + 6 совпадает с номером группы (VI), в которой расположена сера. Зная степень окисления одних элементов, можно рассчитать степень окисления 41 других элементов в данном соединении. Например, рассчитаем степень окисления хрома в соединении Сначала запишем известные нам степени окисления у калия +1, у кислорода – 2. Степень окисления хрома неизвестна – х. 7 2 2 x 2 Так как алгебраическая сумма степеней окисления всех элементов (с учетом числа атомов) всегда равна нулю, то условие электронейтральности можно записать с помощью уравнениях+ х – 14 = 0 х = 12 х = 6 Степень окисления хрома равна +6: 7 2 2 6 2 Определим степень окисления марганца в сложном ионе MnO − 4 − − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ 4 2 O Mn x x·1 + (–2)·4 = –1 x – 8 = –1 x = 7 Степень окисления марганца в ионе MnO − 4 равна +7: − − + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ 4 Контрольные вопросы и задания 1. Чем определяется валентность элемента 2. Какую валентность могут проявлять в соединениях атомы следующих элементов Напишите их электронографические формулы. Укажите валентные электроны. 42 3. Что такое степень окисления 4. Определите степень окисления каждого элемента в соединениях N 2 O 5 , KMnO 4 , Na 2 CrO 4 , Br 2 , KClO 3 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , F 2 O, NH 4 Cl. 6. Основные классы неорганических соединений 6.1. Классификация неорганических соединений Все неорганические вещества по составу делятся на простые (молекулы состоят из атомов одного элемента) и сложные вещества (молекулы состоят из атомов разных элементов. Сложные вещества делятся на классы оксиды, основания, кислоты и соли. Деление сложных веществ на классы основано на сходстве химических свойств Неорганические вещества Простые вещества Сложные вещества Металлы Fe, Cu, Неметаллы, O 2 , H 2 , Оксиды, Al 2 O 3 , P 2 O 5 , SO 3 Основания NaOH, Ba(OH) 2 , Al(OH) 3 Кислоты HCl, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 Соли NaCl, KHCO 3 , CuOHCl 6.2. Оксиды, основания. Их состав, номенклатура, строение Оксиды – это вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления –2. Названия оксидов элементов состоят из двух слов оксид + название элемента в родительном падеже. Например, MgO – оксид магния оксид натрия. Если элемент образует несколько оксидов, то после названия элемента указывается его степень окисления римской цифрой в скобках SO 2 – оксид серы (IV), SO 3 – оксид серы (VI). Название оксидов можно образовывать добавлением к слову "оксид" греческих числительных. Например, SO 2 – диоксид серы, SO 3 – триоксид серы. Формулу оксида можно изобразить графически Основания – это соединения, которые состоят из атома металла и гидроксильной группы (ОН. Число гидроксильных групп в молекуле основания соответствует степени окисления металла и определяет кислотность основания. Название основания составляется из слов гидроксид + название металла в родительном падеже. Например, КОН – гидроксид калия, Fe(OH) 2 – гидроксид железа (II), Fe(OH) 3 – гидроксид железа (III). Формулы оснований можно изображать графически Контрольные вопросы и задания 1. Какие вещества называют оксидами 2. Составьте формулы и назовите оксиды следующих элементов а) калия б) цинка в) кремния (IV); г) хрома (VI); д) хлора (VII). 44 3. Изобразите графические формулы следующих оксидов а) оксида меди (I); б) оксида фосфора (V); в) оксида марганца (VII). 4. Какие соединения называют основаниями 5. Напишите названия и изобразите графические формулы следующих оснований а) Ba(OH) 2 ; б) NaOH; в) Cr(OH) 3 6. Составьте формулы оснований а) гидроксида меди (I), б) гидроксида цинка, в) гидроксида свинца (II). 6.3. Кислоты. Состав, номенклатура, строение кислот Кислотами называют соединения, в состав которых входят атомы водорода, способные замещаться атомами металла, при этом образуются соли. Например 2HCl + 2Na = 2NaCl + кислота металл соль H 2 SO 4 + Zn = ZnSO 4 + кислота металл соль Количество атомов водорода в кислоте, способных замещаться на металл, определяет основность кислоты. Например, HCl – одноосновная кислота, H 2 SO 4 – двухосновная кислота. По составу кислоты делятся на бескислородные (HCl, H 2 S, HCN) и кислородсодержащие (HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 ). Часть молекулы кислоты, которая остается после отрыва от нее атомов водорода называется кислотным остатком. Кислотный остаток имеет отрицательный заряд, величина которого равна числу ушедших атомов водорода. Например, для кислоты HCl кислотным остатком будет ион Cl – ; для кислоты H 2 SO 4 кислотными остатками могут быть ионы HSO 4 – и SO 4 2– 45 Названия кислот составляют из названия элемента + слово "водородная" в случае бескислородных кислот (HCl – хлороводородная кислота, H 2 S – сероводородная кислота. В случае кислородсодержащих кислот к названию элемента добавляют соответствующий суффикс (H 2 SO 3 – сернистая кислота, H 2 SO 4 – серная кислота. Таблица 2. Формулы и названия некоторых кислот и их остатков Формула кислоты Название кислоты Формула кислотного остатка Название кислотного остатка HCl хлороводородная соляная) Cl – хлорид-ион HBr бромоводородная Br – бромид-ион HI иодоводородная I – иодид-ион H 2 S сероводородная HS – S 2– гидросульфид-ион сульфид-ион сернистая HSO 3 – SO 3 2– гидросульфит-ион сульфит-ион серная HSO 4 – SO 4 2– гидросульфат-ион сульфат-ион азотистая NO 2 – нитрит-ион HNO 3 азотная NO 3 – нитрат-ион H 3 PO 4 ортофосфорная H 2 PO 4 – HPO 4 2– PO 4 3– дигидрофосфат-ион гидрофосфат-ион ортофосфат-ион H 2 CO 3 угольная HCO 3 – CO 3 2– гидрокарбонат-ион карбонат-ион H 2 SiO 3 кремниевая HSiO 3 – SiO 3 2– гидросиликат-ион силикат-ион |