Примеры решения типовых задач. Задача 1.Напишите электронную формулу атома технеция

Задача 1. Напишите электронную формулу атома технеция. Сколько электронов находится на d-подуровне предпоследнего электронного слоя? К какому электронному семейству относится элемент?

Решение: Атом Tc в таблице Менделеева имеет порядковый номер 43. Следовательно, в его оболочке содержится 43 электрона. В электронной формуле распределяем их по подуровням согласно порядку заполнения (в соответствии с правилами Клечковского) и учитывая емкость подуровней: Tc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s². При этом порядок заполнения подуровней следующий: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d. Последний электрон располагается на 4d-подуровне, значит, технеций относится к семейству d-элементов. На d-подуровне предпоследнего (4-го) слоя находится 5 электронов.

Ответ: 5, d.

Задача 2. Атом какого элемента имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p¹?

Решение:

Количество электронов в оболочке нейтрального атома составляет 49. Поэтому его заряд ядра и, следовательно, порядковый номер, также равны 49. В периодической системе Д.И.Менделеева находим, что этот элемент – индий.

Ответ: In.

Задача 3. У какого из перечисленных ниже соединений наименее выражены кислотные свойства? а) HNO₃, б) H₃PO₄, в) H₃AsO₄, г) H₃SbO₄.

Решение:

Приведенные кислородсодержащие соединения являются гидроксидами элементов главной подгруппы V группы таблицы Менделеева. Известно, что кислотные свойства гидроксидов ослабевают сверху вниз в подгруппе. Поэтому в указанном ряду наименее выраженными кислотными свойствами обладает H₃SbO₄.

Ответ: H₃SbO₄.

Задача 4. Укажите тип гибридизации орбиталей бора в молекуле BBr₃.

Решение:

В образовании трех ковалентных связей между бором и атомами брома участвуют одна s- и две p-орбитали атома бора, свойства которых различаются. Поскольку все химические связи в молекуле BBr₃ равноценны, атом бора подвергается гибридизации. В ней принимают участие указанные выше три орбитали внешнего электронного слоя. Следовательно, тип гибридизации – sp².

Ответ: sp².

Задача 5. По данным периодической системы составьте эмпирическую формулу высшего оксида свинца. Какова его молярная масса?

Решение:

Свинец находится в 4-й группе периодической системы, поэтому его высшая степень окисления равна +4. Атом кислорода в оксидах имеет степень окисления –2, следовательно в молекуле оксида на каждый атом свинца приходится два атома кислорода. Формула высшего оксида – PbO₂. Вычислим его молярную массу: 207+2·16=239.

Ответ: 239 г/моль.

Задача 6. Какие виды химической связи имеются в молекуле NH₄I?

Решение:

Молекула NH₄I состоит из ионов NH₄⁺ и I^–, между которыми имеется ионная связь. В ионе NH₄⁺ четыре связи являются ковалентными полярными, причем одна из них образована по донорно-акцепторному типу (см. раздел 3.2.3).

Ответ: ионная, ковалентная полярная, донорно-акцепторная.

 

Задача 7. Расчет энергии связи.

Вычислите энергию связи H-S в молекуле H₂S по следующим данным: 2H_{2 (г)} + S_{2 (г)} = 2 H₂S _(г) – 40,30 кДж; энергии связей D(H-H) и D(S-S) соответственно равны –435,9 кДж/моль и – 417,6 кДж/моль.

Решение: Образование двух молекул H₂S можно представить как последовательный процесс разрыва связей H-H в молекуле H₂ и связей S-S в молекуле S₂:

2 H-H 4 Н – 2D(H-H)

S-S 2 S – D(S-S)

4 Н + 2 S 2 H₂S + 4D(S-H),

где D(H-H), D(S-S) и D(S-H) – энергии образования связей H-H, S-S и S-Н соответственно. Суммируя левые и правые части приведенных уравнений, приходим к термохимическому уравнению

2H_{2 (г)} + S_{2 (г)} = 2 H₂S _(г) –2D(H-H) – D(S-S) + 4D(S-H).

Тепловой эффект этой реакции равен

Q =–2D(H-H) – D(S-S) + 4D(S-H), откуда D(S-H)= .

Задача 8. Вычисление длины связи.

Рассчитайте длину связи в молекуле HBr, если межъядерное расстояние в молекулах Н₂ и Br₂,равны 0,74 ∙ 10^-10 и 2 ,28 ∙ 10^-10м соответственно.

Решение: Длина ковалентной связи между двумя разноименными атомами равна сумме их ковалентных радиусов

l(H-Br) = r(H) + r(Br).

В свою очередь, ковалентный радиус атома определяется как половина межъядерного расстояния в молекулах Н₂ и Br₂:

.

Таким образом,

Ответ: 1,51·10^-10м.

Задача 9. Определение вида гибридизации орбиталей и пространственной структуры молекулы.

Какой вид гибридизации электронных облаков имеет место в атоме кремния при образования молекулы SiF₄? Какова пространственная структура этой молекулы?

Решение: В возбужденном состоянии структура внешнего энергетического уровня атома кремния следующая:

3s		3p
↑	↑	↑	↑
3s	3px	3py	3pz

В образовании химических связей в атоме кремния участвуют электроны третьего энергетического уровня: один электрон в s-состоянии и три электрона в р-состоянии. При образовании молекулы SiF₄ возникают четыре гибридных электронных облака (sp³-гибридизациия). Молекула SiF₄ имеет пространственную тетраэдрическую конфигурацию.

Задача 10. Определение валентностей элементов в химических соединениях на основе анализа графических электронных формул основного и возбужденных состояний атомов этих элементов.

Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами,может проявлять сера в основном и в возбужденном состоянии?

Решение: Распределение электронов внешнего энергетического уровня серы …3s²3p⁴ с учетом правила Гунда имеет вид:

	s		p			d
16S	↑↓	↑↓	↑	↑

Атомы серы имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход спаренных 3р- и 3s- электронов на 3d подуровень, что приводит к двум возбужденным состояниям:

	s		p				d
16S	↑↓	↑	↑	↑	↑

 

	s		p				d
16S	↑	↑	↑	↑	↑	↑

 

Из анализа основного и двух возбужденных состояний следует, что валентность (спинвалентность) серы в нормальном состоянии равна двум, в первом возбужденном состоянии – четырем, во втором – шести.

Варианты контрольных заданий

Вариант 1

1. Какие сведения об элементе можно узнать на основании его положения в ПСЭ?

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

Вариант 2

1. Дайте определения: энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности атома? Как они изменяются в периоде и группе?

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

Вариант 3

1. Какая ковалентная связь называется полярной и какая неполярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи?

2. Какое максимальное число электронов могут занимать s -, p -, d - и f -орбитали данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 31.

Вариант 4

1. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеСI₂?

2. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

Вариант 5

1. Какая связь называется σ- связью и какая π-связью?

2. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

Вариант 6

1. Что называется дипольным моментом?

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных 3d -орбиталей у атомов последнего элемента?

Вариант 7

1. Какая химическая связь называется ионной? Каков механизм его образования?

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных 3d -орбиталей в атомах этих элементов?

Вариант 8

1. Какой вариант периодической системы наиболее широко применяется и почему?

2. Сколько свободных d- орбиталей содержится в атомах Sc, Ti, V? Напишите электронные формулы атомов этих элементов.

Вариант 9

1. Какие свойства ионной связи отличают её от ковалентной?

2. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по квантовым ячейкам, отвечающим низшему энергетическому состоянию атомов: хрома, фосфора, серы, германия, никеля.

Вариант 10

1. Как подсчитать общее число атомных орбиталей в электронном слое по значению n?

2. Для атома бора возможны два различных электронных состояния и . Как называют эти состояния? Как перейти от первого состояния ко второму?

Вариант 11

1. Какие из 4-х разнообразных типов атомных орбиталей имеют наиболее сложную формулу?

2. Атому какого из элементов отвечает каждая из приведенных электронных формул:

а) ;б) ;

в) ?

Вариант 12

1. Как можно подсчитать максимально возможное число электронов на уровне (ёмкость слоя) по значению главного квантового числа?

2. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по квантовым ячейкам, отвечающим высшему энергетическому состоянию атомов: марганца, азота, кислорода, кремния, кобальта.

Вариант 13

1. Если в р-орбиталях какого–либо слоя находятся 4 электрона, сколько из них имеют неспаренные спины и чему равно их суммарное спиновое число 7

2. Атомам каких элементов и каким состояниям этих элементов отвечают следующие электронные формулы и ; и ?

Вариант 14

1. Какие характеристики атома можно назвать, зная: а) порядковый номер элемента в периодической системе; б) номер периода; в) номер и вид группы, в которой расположен элемент?

2. Напишите электронную конфигурацию атомов, пользуясь электронными формулами для элементов с порядковыми номерами 12, 25, 31, 34, 45.

Вариант 15

1. Как определить исходя из положения атома в периодической системе число элементарных частиц в егосоставе? Определите число элементарных частиц в составе атомов серы и цинка.

2. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по энергетическим ячейкам, соответствующим низшему энергетическому состоянию, для атомов элементов с порядковыми номерами 26, 39, 49, 74, 52.

Вариант 16

1. Что такое квантовые числа? Какие свойства орбиталей и электронов они отражают? Какие значения принимают? Определите максимально возможное число электронов на каждом энергетическом уровне атомов алюминия и меди.

2. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента, неверны: а) 1s²2s²2p⁵3s¹; б) 1s²2s²2p⁶; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴; г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²; д) 1s²2s²2p⁶3s²3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

Вариант 17

1. Какие принципы положены в основу всех современных теорий химической связи? Что такое ионная связь? Какими свойствами она обладает? Приведите примеры соединений с ионной связью.

2. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s -электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d -электронов у атомов первого и p -электронов у атомов второго элемента?

Вариант 18

1. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность р -элементов в периоде, в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s -электрона на 4d -подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

Вариант 19

1. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l и m_S, характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

2. Сколько свободных f -орбиталей содержится в атомах элементов с порядковыми номерами 61, 62, 91, 92? Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по энергетическим ячейкам для атомов этих элементов.

Вариант 20

1. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s - и p -элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

2. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- или d¹²- электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны..

Вариант 21

1. Перечислите правила, в соответствии с которыми происходит заполнение электронами орбиталей. Что такое электронная формула атома? Напишите электронные формулы кремния и железа, подчеркнув валентные электроны.

2. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4; l = 0; m_l = 0; m_S = . Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите сколько свободных 3d -орбиталей содержит каждый их них.

Вариант 22

1. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

2. Исходя из положения металла в периодической системе, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ba(OH)₂ или Mg(OH)₂; Ca(OH)₂ или Fe(OH)₂; Cd(OH)₂ или Sr(OH)₂?

Вариант 23

1. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

2. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).

Вариант 24

1. Как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства высших оксидов и гидроксидов элементов с ростом заряда их ядер: а) в пределах периода; б) в пределах подгруппы.

2. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m_l при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют s-, p-, d- и f -элементами? Приведите примеры.

Вариант 25

1. Теория гибридизации. Механизм образования донорно-акцепторной связи. Примеры соединений

2. У какого из р -элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

Вариант 26

1. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

2. Энергетическое состояние внешнего электрона атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n =4, l =0, m_l =0. Атомы каких элементов имеют такой электрон? Составьте электронные формулы атомов этих элементов. Напишите все квантовые числа эля электронов атомов: а) лития, бериллия, углерода; б) азота, кислорода, фтора.

Вариант 27

1. Металлическая связь. Механизм образования и свойства. Примеры соединений и их свойства.

2. Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета- и ортогерманиевой кислот, и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически.

Вариант 28

1. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой их этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

2. Изотоп никеля-57 образуется при бомбардировке α-частицами ядер атомов железа-54. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме

Вариант 29

Напишите электронные формулы атомов элементов и назовите их, если значения квантовых чисел (n, l, m_l, m_S) электронов наружного (последнего) и предпоследнего электронных слоев следующие:

а) 6, 0, 0, + ; 6, 0, 0, - ; 6, 1, -1, + ;

б) 3, 2, -2, + ; 3, 2, -1, + ; 4, 0, 0, + ; 4, 0, 0, - .

Вариант 30

1.Современные методы, описывающие образование ковалентной связи, их основные постулаты. Свойства ковалентной связи. Приведите примеры соединений с ковалентной связью и их свойства.

2. Составьте сравнительную характеристику элементов с порядковыми номерами 17 и 25 на основании их положения в ПСЭ. Объясните причины сходства и различия в свойствах этих элементов.