Химическая кинетика и равновесие 2 страница

 

1.5. Вычислите энергию квантов излучения с длиной волны λ = = 600 нм. Какой цвет имеет это излучение?

1.6. Значения энергий энергетических уровней атома водорода составляют –5,44·10^-19, –2,42·10^-19 и –1,36·10^-19 Дж. Рассчитайте, какому энергетическому уровню соответствует каждое значение.

1.7. Рассчитайте скорость электрона, соответствующую длине волны де Бройля, равной 0,01 нм.

1.8. Определите радиус электронной орбиты атома водорода и скорость электрона на ней при n = 3.

1.9. Во сколько раз изменится радиус орбиты и энергия атома водорода при переходе из состояния с n = 5 в состояние с n = 1?

1.10. Определите длину волны λ света, испускаемого атомом водорода при его переходе с энергетического уровня n = 4 на энергетический уровень с n = 2.

1.11. Определите минимальную длину волны в серии Бальмера.

1.12. Природный хлор содержит два изотопа: ₃₅Cl и ₃₇Cl. Относительная атомная масса хлора равна 35,45. Определите молярную долю каждого изотопа хлора.

1.13. Медь встречается в природе в виде двух изотопов: ₆₃Cu и ₆₅Cu. Определите молярную долю каждого изотопа меди, если ее относительная молярная масса равна 63,54.

1.14. Калий встречается в природе в виде двух изотопов: ₃₉K и ₄₁K. Определите молярную долю каждого изотопа меди, если его относительная молярная масса равна 39,098.

1.15. Аргон встречается в природе в виде двух изотопов: ₃₆Ar и ₄₀Ar. Определите молярную долю каждого изотопа меди, если его относительная молярная масса равна 39,948.

1.16. Магний в природе состоит из трех изотопов, относительные атомные массы двух из них равны 25 и 26, а содержание их составляет 10 и 13 % соответственно. Определите относительную атомную массу третьего изотопа, если относительная атомная масса магния равна 24,305.

1.17. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, l, m_l? Объясните и приведите примеры.

1.18. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, l, m_s? Объясните и приведите примеры.

1.19. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с оди-наковыми значениями трех квантовых чисел: l, m_l, m_s? Объясните и приведите примеры.

1.20. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, m_l, m_s? Объясните и приведите примеры.

1.21. На основе учения о строении атома объясните, почему энергетический s -подуровень атома содержит одну атомную орбиталь, р -подуровень – три, d -подуровень – пять и f -подуровень – семь атомных орбиталей. Укажите максимальное число электронов на s-, p-, d- и f- энергетических подуровнях атома.

1.22. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l, m_s? Укажите значение орбитального квантового числа для последнего электрона атома скандия.

1.23. Какие значения принимает магнитное квантовое число при главном квантовом числе n = 3 и орбитальном квантовом числе l = 2?

1.24. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел n, l, m_l, m_s, определяющих каждый из электронов атома фосфора в нормальном состоянии

Номер электрона	n	l	ml	ms
и т.д.

1.25. Сколько свободных р -орбиталей содержится в атоме элемента, последний электрон которого характеризуется следую-щими значениями квантовых чисел: n = 5, l_n = 1, m_l = 0, m_s = +1/2?

1.26. Сколько свободных d -орбиталей содержится в атоме элемента, последний электрон которого характеризуется следую-щими значениями квантовых чисел: n = 4, l_n = 2, m_l = –1, m_s = +1/2?

1.27. Сколько свободных f -орбиталей содержится в атоме элемента, последний электрон которого характеризуется следую-щими значениями квантовых чисел: n = 5, l_n = 3, m_l = –2, m_s = +1/2?

1.28. Какие энергетические подуровни и уровни называются валентными? Укажите валентные подуровни в приведенных электронных формулах следующих атомов:

а) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ¹; б) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ⁴;

в) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ³; г) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ¹.

1.29. Напишите электронные формулы ₂₃V и ₃₃As и покажите различия между d- и р -элементами.

1.30. Напишите электронные формулы ₃₈Sr и ₄₈Сd и покажите различия между s- и d- элементами.

1.31. Напишите электронную формулу атомов ₅₇La и ₅₈Се и для последнего электрона укажите значения всех четырех квантовых чисел.

1.32. Назовите элементы, которым соответствуют следующие электронные формулы:

а) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ⁴; б) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁴;

в) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ¹.

Определите порядковый номер элементов, период и группу, к которым они относятся.

1.33. Укажите, что объединяет атомы в указанной степени окисления в данном наборе:

As^3-; Ga³⁺; Ge^4-; Kr⁰; Zr⁴⁺; Se^2-.

Напишите электронные формулы данных частиц.

1.34. Объясните зависимость радиуса атомов от порядкового но-мера элементов третьего периода Периодической системы Д. И. Мен-делеева.

1.35. Как изменяется первая энергия ионизации при переходе от лития к другим металлам I группы? На основании ответа объясните, почему лучше использовать в фотоэлементах калий или цезий, чем натрий или литий.

1.36. Значения потенциалов ионизации первых четырех электронов атома бора таковы:

I ₁ = 8,29 эВ; I ₂ = 25,16 эВ; I ₃ = 37,9 эВ; I ₄ = 258,73 эВ.

Объясните эти величины на основании электронной конфигурации атома бора и определите число валентных электронов бора.

1.37. Как изменяется радиус атома, энергия ионизации и электроотрицательность для элементов, электронная формула которых описывается выражением ns ²(n –1) d ⁶?

1.38. Сравните значения сродства к электрону атомов О и S; О и N. Объясните разницу в значениях в каждой приведенной паре атомов. Воспользуйтесь табличными данными.

 

 

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Решение типовых задач

Пример 2.1. Напишите электронную формулу Cr в устойчивых степенях окисления. Приведите примеры соединений хрома в этих степенях окисления.

 

Р е ш е н и е

 

Для хрома характерны следующие степени окисления: 0, +2, +3, +6.

Электронные формулы хрома в этих степенях окисления следующие:

Cr⁰ 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ¹3 d ⁵,

Cr⁺² 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁴,

Cr⁺³ 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ³,

Cr⁺⁶ 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶.

 

Нулевая степень окисления хрома проявляется в простом веществе, а также в карбониле [Cr⁰(CO)₆].

Степень окисления +2 хром имеет в гидроксиде Cr(OH)₂, солях типа CrCl₂ и др.

Примером соединения хрома в степени окисления +3 может служить оксид Cr₂O₃. Эта степень окисления наиболее характерна для хрома.

Степень окисления +6 проявляется в оксиде CrO₃, хроматах типа K₂CrO₄ и др.

 

Пример 2.2. С позиций метода валентных связей (ВС) покажи-те образование молекулы ВН₃.Какие орбитали соединяющихся атомов участвуют в образовании связей? Какие и сколько s- или p-связей содержит молекула? Сколько связей в молекуле?

Какова пространственная структура молекулы? Каков тип гибридизации центрального атома в указанном соединении (если есть)? Отметьте полярность связей и полярность молекулы в целом.

 

Р е ш е н и е

 

Бор и водород имеют следующие электронные формулы:

₁Н: 1 s ¹

1 s

₅В: 1 s ²2 s ²2 p ¹

2 р

2 s

В невозбужденном состоянии атом бора имеет один неспаренный электрон. Для образования трех связей необходимо распаривание 2 s -электронов с переходом одного из них на 2 р -орбиталь:

₅В*: 1 s ²2 s ¹2 p ²

2 р

2 s

 

Для образования трех одинаковых связей В–Н необходима гибридизация одного 2 s и двух 2 р -орбиталей – sp ²-гибридизация с образованием трех гибридных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом 120^о относительно друг друга:

 

 

Образованные гибридные орбитали перекрываются с s -орбиталями атома водорода с образованием трех s-связей:

 

 

Молекула ВН₃ имеет плоское треугольное строение.

Для определения полярности связей В-Н необходимо сравнить значения ОЭО атомов В и Н; ОЭО(В) = 2,0; ОЭО(Н) = 2,1. Поскольку электроотрицательность водорода больше, то связь В–Н будет полярной. Однако в целом молекула ВН₃ не обладает полярностью, так как полярность связей В–Н, направленных к вершинам правильного треугольника, взаимно компенсируется.

Таким образом, в образовании молекулы ВН₃ принимают участие s- орбитали атома Н и sp ²-гибридные орбитали бора. Молекула ВН₃ не полярна, хотя содержит три полярные s-связи, имеет плоскую треугольную структуру. Атом В находится в состоянии sp ²-гибридизации.

Пример 2.3. Используя значения относительной электроотри-цательности атомов, расположите соединения HF, HCl, HBr, HI в порядке возрастания ионности связи. К какому из соединяющихся атомов смещено электронное облако и почему?

 

Р е ш е н и е

 

О степени ионности связи можно судить на основе разности относительных электроотрицательностей атомов:

ОЭО: Н – 2,1; F – 4; Cl – 3,0; Br – 2,8; I – 2,5.

 

Связь: HF HCl HBr HI

DОЭО: 1,9 0,9 0,7 0,4

 

Следовательно, в порядке возрастания ионности связей указанные молекулы можно расположить в ряд: HI – HBr – HCl – HF; электронная плотность при образовании химической связи смещается к более электроотрицательному атому. Поэтому в HF электронная плотность смещена к F; в HCl – к Cl; в HBr – к Br; в HI – к I.

 

Пример 2.4. В указанном комплексном соединении определите степени окисления всех составляющих, укажите комплексообра-зователь, лиганды, ионы внешней и внутренней сфер и координационное число, заряд комплексообразователя.

Запишите уравнение диссоциации данного комплексного соединения. Назовите это соединение.

 

Р е ш е н и е

 

Решение рассмотрим на примере 2-х комплексных соединений: Na[Co(SCN)₄(H₂O)₂] и [Fe(NH₃)₅(NO₂)]Cl₂.

Сначала проанализируем состав комплексного соединения. В комплексном соединении содержится сложный комплексный ион, который показан в квадратных скобках. Комплексный ион состоит из комплексообразователя и лигандов. Комплексообразователь записывается первым в квадратной скобке, а далее следуют лиганды. Лигандами могут быть как заряженные частицы: I , Cl , F , NO , NO , OH , CN , SCN , так и нейтральные молекулы: Н₂О, NH₃. Количество лигандов вокруг комплексообразователя называется его координационным числом.

Комплексообразователь и лиганды связаны прочной ковалентной связью донорно-акцепторного типа. Комплексный ион является ионом внутренней сферы. Снаружи располагаются ионы внешней сферы. Ионы внешней и внутренней сферы связаны ионной связью.

Если сложный комплексный ион заряжен отрицательно, т.е. является анионом, то ион внешней сферы записывается слева, и комплекс называется анионным. Если комплексный ион заряжен положительно, т.е. представляет из себя катионный комплекс, то ион внешней сферы записывается справа. В некоторых соединениях ионы внешней сферы отсутствуют, тогда внутренняя сфера имеет нулевой заряд, такие комплексы называются нейтральными.

Учитывая степень окисления комплексных ионов (в первом соединении – [Co(SCN)₄(H₂O)₂]^1-, а во втором – [Fe(NH₃)₅NO₂]²⁺), определяем, что первое соединение содержит анионный, а второе – катионный комплекс. Вокруг комплексообразователя Со³⁺ расположены лиганды: (SCN) и (Н₂О)⁰, их число равно 6, а вокруг Fe³⁺ – лиганды (NH₃)⁰ и (NO₂)^–, их число также равно 6. Ионами внешней сферы в указанных соединениях являются ионы Na⁺ и Cl соответственно. Исходя из вышесказанного, данные комплексные соединения могут быть представлены следующими схемами (рис. 2.1, 2.2).

Лиганды

 

Рис. 2.1. Схема комплексного соединения Na[Co(SCN)₄(H₂O)₂] –

– диакватетрароданокобальтат (III) натрия

 

 

Рис. 2.2. Схема комплексного соединения [Fe(NH₃)₅ NO₂]Cl₂ –

– хлорид нитритопентаамминожелеза (III)

 

Так как между ионами внешней и внутренней сферы действует слабая ионная связь, то в растворе под действием молекул воды эта связь разрывается, т. е. происходит диссоциация молекулы комплекс-ного соединения на ионы внешней и внутренней сферы:

Na[Co(SCN)₄(H₂O)₂] Na⁺ + [Co(SCN)₄(H₂O)₂] ;

[Fe(NH₃)₅NO₂]Cl₂ [Fe(NH₃)₅NO₂]²⁺ + 2Cl .

Однако комплексный ион при этом сохраняет свою целостность. Комплекс перестает существовать, если разрывается внутренняя связь между комплексообразователем и лигандами.

Используя данную информацию, представим в виде табл. 2.1 характеристики двух комплексных соединений. Следует иметь в виду, что необходимо указывать все степени окисления частиц, составляющих данное соединение.

Следовательно, комплексообразователем в 1-м соединении является Со³⁺, а во втором – Fe³⁺.

Т а б л и ц а 2.1

 

Характеристики комплексного	Формула комплексного соединения
соединения	Na[Co(SCN)4(H2O)2]	[Fe(NH3)5NO2]Cl2
Комплексное соединение с ука-занием степеней окисления всех частиц	Na+[Cox(SCN) (H2O) ]	[Fex(NH3) NO –]Cl
Комплексообра- зователь	Со3+	Fe2+
Лиганды	SCN , H2O0	NH , (NO2)–
Координационное число	4 + 2 = 6	5 + 1 = 6
Ионы внутренней сферы	[Co(SCN)4(H2O)2]	[Fe(NH3)5NO2]2+
Ионы внешней сферы	Na+	Cl
Уравнение диссоциации комплексного соединения	Na[Co(SCN)4(H2O)2] Na+ + [Co(SCN)4(H2O)2]	[Fe(NH3)5(NO2)]Cl2 [Fe(NH3)5(NO2)]2+ + 2Cl

 

Заряд комплексообразователя определяют исходя из зарядов ионов внешней сферы, лигандов, их количества и нейтральности молекулы в целом. Определим заряд комплексообразователя для рассматриваемых комплексных соединений.

Na⁺[Co^x(SCN) (H₂O) ] [Fe^x(NH₃) (NO )^–]Cl

1+ х + 4(-1) + 2·0 = 0 х + 0·5 + (-1) + (-1)·2 = 0

х = +3. х = +3.

 

Na[Co(SCN)₄(H₂O)₂] – диакватетрароданокобальтат (III) натрия;

[Fe(NH₃)₅ NO₂]Cl₂ – хлорид нитритопентаамминожелеза (III).

Задачи

2.1. Напишите электронную формулу указанного элемента в устойчивых степенях окисления. Приведите примеры соединений элемента в этих степенях окисления.

 

Т а б л и ц а 2.2

 

Вариант	Элемент	Вариант	Элемент
	Mn	1'	N
	Br	2'	Sb
	P	3'	Sn
	As	4'	Ni
	Si	5'	Ti
	Se	6'	C
	I	7'	F
	Al	8'	Pb
	Cl	9'	Zn
	Co	10'	Cu
	V	11'	Au
	W	12'	Fe
	Nb	13'	Ca
	O	14'	Rb
	S	15'	Ag

 

2.2. С позиций метода ВС покажите образование предложенной молекулы. Какие орбитали соединяющихся атомов участвуют в образовании связей? Какие и сколько s- или p-связей содержит молекула? Сколько связей в молекуле? Какова пространственная структура молекулы? Каков тип гибридизации центрального атома в указанном соединении (если есть)? Отметьте полярность связей и полярность молекулы в целом.

Т а б л и ц а 2.3

 

Вариант	Молекула	Вариант	Молекула
	Н2О	1'	C2H4
	РН3	2'	SiF4
	Сl2	3'	OF2
	O2	4'	PCl3
	NH3	5'	AsH3
	CF4	6'	SbH3
Окончание табл. 2.3
	BeBr2	7'	BeI2
	H2S	8'	CH3F
	N2	9'	H2Te
	SiH4	10'	HI
	BCl3	11'	I2
	H2Se	12'	C2H2
	HBr	13'	CCl4
	Br2	14'	AlCl3
	CO2	15'	COCl2

 

2.3. Используя значения относительной электроотрицательности атомов, расположите указанные соединения в порядке возрастания ионности связи. К какому из соединяющихся атомов смещено электронное облако и почему?

 

Т а б л и ц а 2.4

 

Вариант	Соединение	Вариант	Соединение
	NH3,PH3,AsH3,SbH3	1'	LiCl,NaCl,KCl,RbCl
	BeF2,BF3,CF4,NF3	2'	BeF2,MgF2,CaF2,BaF2
	H2O,H2S,H2Se,H2Te	3'	Rb2S,K2S,Na2S,Li2S
	CF4,NF3,OF2,F2	4'	MnCl2,FeCl2,NiCl2,MgCl2
	NaF,NaCl,NaBr,NaI	5'	OF2,TeF2,SeF2,SF2
	H2O,Li2O,Na2O,K2O	6'	LiF,NaCl,KBr,RbI
	BeO,MgO,CaO,SrO	7'	BaI2,CaBr2,MgCl2,BeF2
	CO2,SiO2,GeO2,SnO2	8'	AlCl3,GaBr3,BF3,InI3
	BeO,B2O3,CO2,NO2	9'	CF4,GeBr4,SnI4,SiCl4
	BH3,CH4,NH3,OH2	10'	RbCl,SrCl2,InCl3,SnCl2
	NaCl,MgCl2,AlCl3,SiCl4	11'	SnCl4,SbCl3,TeCl2,ICl
	N2O,NO,NO2,N2O4	12'	NaCl,CuCl,AgCl,AuCl
	B2O3,Al2O3,Ga2O3,In2O3	13'	Ta2O5,Nb2O5,As2O5,P2O5
	Al2O3,SiO2,P2O5,SO2	14'	PbO2,SnO2,ZrO2,TiO2
	SiH4,PH3,H2S,HCl	15'	SnI4,GeBr4,TiBr4,SiCl4