Пример 42. При растворении магния в серной кислоте образовалось 36 г сульфата магния. Сколько весил магний? Сколько граммов серной кислоты пошло на его растворение? Каков объем выделенного водорода?
Решение
1. Составляем уравнение реакции
Mg + H2SO4 = MgSO4 + Н2
24г 98г 120г 22,4л
2. Подсчитываем молекулярные массы и объемы реагентов и подписываем их под формулами.
3. Составляем пропорции для подсчета искомых величин.
На получение 120 г сульфата расходуют 24 г магния
„ 36 г „ „ x г
г магния
На получение 120 г сульфата расходуется 98 г H2SО4
„ 36 г „ у г
г серной кислоты;
При образовании 120 г сульфата выделяется 22,4 л Н2
„ 36 г „ „ „ „ z л Н2
л водорода.
3. Расчеты по химическим уравнениям, когда один из реагентов взят в избытке или недостатке
При сложных расчетах с неэквивалентными количествами реагентов сначала следует выяснить, какой из реагентов находится в избытке или недостатке, а затем планировать решение.
Пример 43. Раствор, содержащий 34 г нитрата серебра, смешивают с раствором, содержащим такое же количество хлорида натрия. Все ли количество нитрата вступит в реакцию? Сколько граммов хлорида серебра образуется в результате реакции?
Решение.
1. Составляем формулы реагентов и уравнение реакции
AgNО3 + NaCl = NaNO3 + AgCl
170 58,5 143,5
2. Подсчитываем гpaмм-молекулярные веса нужных нам веществ и подписываем их под формулами.
Мол. масса AgNO3 108 + 14 + 3´16 = 170
Мол. масса NaCl 23 + 35,5 = 58,5
Мол. масса AgCl 108 + 35,5 = 143,5
Из сопоставления молекулярных масс нитрата серебра и хлорида натрия в точной реакции видно, что нитрата серебра требуется почти в четыре раза больше, чем хлорида натрия. Поэтому при равных количествах того и другого около 3/4 количества хлорида натрия останется и избытке, а нитрат серебра прореагирует полностью. Исходя из этого, ставим вопросы:
1. Какое количество хлорида натрия прореагирует с 34 граммами нитрата серебра?
58,5 г NaCl реагирует с 170 г AgNO3
x г - " - 34 г
г хлорида натрия.
2. Сколько хлорида натрия останется в избытке?
34 г — 11,7 г = 22,3 г NaCl
3. Сколько хлорида серебра выпадает в осадок?
143,5 г AgCl выпадает из 170 г AgNО3
у г „ „ „ 34 г „
г хлорида серебра.
4. Расчеты по химическим уравнениям, когда исходным или конечным продуктом является газ
Пример 44. При пропускании над катализатором смеси, состоящей из 10 молей SO2 и 15 молей О2, образовалось 8 молей SO3. Сколько молей SO2 и О2 не вступило в реакцию?
Решение
Составим уравнение реакции и под формулами реагентов подпишем их целочисленные объемы.
2 SO2 + O2 = 2 SO3
2 объема 1 объем 2 объема
Всего 3 объема
Введем обозначения:
х - число молей SO2, не вступивших в реакцию,
у – число молей О2, не вступивших в реакцию.
Тогда число молей SO2 и 02, вступивших в реакцию соответственно выразятся:
(10 —х) молей SO2, вступивших в реакцию
(15 – у) молей О2, вступивших в реакцию.
Отношение объемов газов, вступивших в реакцию, будет равно их целочисленному объемному отношению в этой реакции. Отсюда вытекает уравнение:
(10— х): (15 -у) =2: 1
Отношение объемов начальных и конечных продуктов также равно их целочисленному отношению в уравнении реакции. Но сумма начальных объемов газов, вступивших в реакцию, равна (10 + х) + (15 —у), а объем конечного продукта составляет 8 молей. Отсюда второе уравнение:
[(10 – x) + (15 – y)]: 8 = 3: 2
Решая эту систему уравнении, получаем х = 2 моля SO2, y = 11 молей О2.
СТРОЕНИЕ АТОМА
Пример 45. Написать электронные формулы атомов иода и вольфрама.
Решение. Для распределения электронов в многоэлектронном атоме воспользуемся принципом Паули и правилами Клечковского. Энергия электрона в атоме определяется значением (n+l) -суммой главного и орбитального квантовых чисел, а последовательность заполнения электронами отдельных подуровней происходит в порядке последовательного увеличения суммы (n+l) (1-е правило Клечковского), а при одинаковых значениях этой суммы - в порядке последовательного возрастания главного квантового числа - (2-е правило Клечковского). Атом иода находится в 5 периоде, порядковый номер 53. Заполнение ведем согласно 1-му правилу Клечковского, а с четвертого уровня прибегаем ко второму правилу, т.е. если у 2-х квантовых слоев,как у нас, n=З и n=4, сумма (n+l) равна 4 — (3+1) и (4+0), то после суммы (3+1), заполняется сумма (4+0). Далее заполняем cyммy 5, которая повторяется в 3-х квантовых слоях 3,4,5 (3+2, 4+1, 5+0). В этом случае вначале заполняем сумму от меньшего n к большему, т.е. 3d, 4p, 5s по принципу наименьшей энергии, следующая возрастающая сумма (n+l)=6, она наблюдается также в 3-х квантовых слоях (4+2, 5+1, 6+0). Таким образом, распределим 53 электрона атома иода по пяти квантовым числам 1s2, 2s2, 2р6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4р6, 5s2, 4d10, 5p5.
Атом вольфрама находится в шестом периоде, порядковый номер 74, распределим электроны по аналогичной методике: 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6,5s2,4d10,5p6,6s2,4f14,5d4.
Пример 46. Напишите электронные конфигурации следующиx ионов: Al3+, Сr3+, Fe2+, Fe3+, Cl-.
Решение. Положительно заряженные ионы образуются в том случае, когда от нейтрального атома под действием энергии извне отрываются электроны. Отрицательно заряженные ионы образуются при присоединении к нейтральному атому электронов. Нейтральный атом алюминия имеет следующую электронную конфигурацию: 13Al 1s22s22р63s23p1. Последний застраивающийся слой 3s2Зр1. В том случае, когда атом алюминия превращается в ион Аl3+, то от нейтрального атома отрываются 3 электрона, имеющие наибольшую энергию, т.е. с Зs- и Зр-подуровней, вследствие чего ион имеет следующую электронную конфигурацию: 1s22s22р6ЗsоЗр°.
Нейтральный aтoм хрома имеет электронную конфигурацию 24Cr 1s22s22р63s23p64s13d5. При отрыве от нейтрального атома 3-х электронов в первую очередь будут отрываться: один электрон с подуровня 4s и два электрона с подуровня 3d. При этом атом хрома превращается в ион Сr3+ и его электронная конфигурация будет такова: 1s22s22р63s2Зр64s0Зd3.
Нейтральный атом железа имеет следующую электронную конфигурацию: 26Fe 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 4s2 3d6. При отрыве от атома 2-х электронов атом превращается в ион Fe2+: 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 4s0 3d6. При отрыве от атома 3-х электронов атом превращается в ион Fe3+:1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 4s0 3d5. Нейтральный атом хлора имеет следующую электронную конфигурацию: 17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3р5. Приобретая один электpон, aтoм превращается в отрицательно заряженный ион CI-: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.
Пример 47. По предлагаемым электронным формулaм атомов
а) 1s2 2s2 2р6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s1
б) 1s2 2s2 2р6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d2
в) 1s2 2s2 2р6 3s2 3p1
установите элемент, в каком периоде и группе он находится. Какие из них относятся к s-, р-, d-элементам?
Решение. Электронная формула атома "а" заканчивается на 5s1, это значит, что элемент находится в пятом периоде, а наличие 1 электрона на подуровне s определяет его в 1A группу (главную подгруппу) 1 группы и относит его к семейству s-элементов. Общее число электронов равно 37; но число электронов в электронной формуле определяется зарядом ядра или порядковым нoмepом элемента в Периодической системе, следовательно, это атом элемента с порядковым номером 37 - рубидий.
Электронная формула атома "б" заканчивается на....5s2 4d2, значит, он находится в пятом периоде; наличие 2-х электронов на 4 d-подуровне определяет его в 4В гpyппу аналогов (побочная подгруппа четвертой группы), это d-элемент. А так как число электронов атома "б" равно 40 (определяет порядковый номер элемента и заряд ядра), то это цирконий.
Электронная формула атома "в" заканчивается на 3s2 3p1, это значит, что атом этого элемента находится в третьем периоде, а так как на внешнем (третьем) уровне находятся три электрона (два электрона на s-подуровне и 1 электрон на р-подуровне), то он относится к группе аналогов ЗА, главной подгруппе 3 группы. Число электронов в электронной формуле равно 13, что определяется порядковым номером или зарядом ядра, следовательно, это атом алюминия.
Пример 48. Определите порядковый номер элемента, период, группу и возможные окислительные числа, если его электронная формула заканчивается так: [Ar] 4s2 3d3.
Решение. Запишем полную электронную формулуэтого элемента: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3, т.к. электронная формула заканчивается на 4s2 3d3, это значит, что атом данного элемента находится в 4 периоде, наличие 3 электронов на d-подуровне третьего уровня и 2 электронов на 4s-подуровне четвертого уровня относит этот элемент к группе аналогов 5В, т.е. к пятой группе побочной подгруппе. Число электронов в электронной формуле coответствует порядковому номеру элемента (или заряду ядра), следовательно, это элемент ванадий.
Распределим электроны внешнего и застраивающегося d-подуровня по ячейкам
| 3d | ¯ | |||||
| | | | 4s | |||
Возможные окислительные числа ванадия 2,3,4,5.
Пример 49. Какой подуровень будет заполняться вслед за подуровнем 4S?
Решение. Подуровню 4S соответствует сумма n+l=4+0=4. Такую же сумму имеет 3p подуровень, но он заполняется раньше, т.к. имеет меньшее значение главного квантового числа. Значит, после подуровня 4S будет заполняться подуровень с суммой n+l=5, причем из всех возможных комбинаций n+l, соответствующих этой сумме (3+2, 4+1, 5+0), первой будет реализовываться комбинация с наименьшим значением n, т.е. вслед за подуровнем 4S будет заполняться подуровень 3d.
Пример 50. Сколько электронов максимально может разместиться на 3 уровне?
Решение. По условию n=3. значит l=0,1,2. Т.е., на 3 уровне существует 3S, 3p и 3d подуровни. Определяем максимальное число электронов на каждом подуровне: для S-подуровня любого уровня l=0, значит m=0, т.е. m имеет одно значение, следовательно на S-подуровне только одна орбиталь с двумя электронами (3S2); для р-подуровня любого уровня l=1, значит m=-1,0,1, т.е. m имеет три значения, следовательно на р-подуровне три орбитали с шестью электронами (3р6); для d-подуровня любого уровня l=2, значит m=-2,-1,0,1,2, т.е. m имеет пять значений, следовательно на d-подуровне пять орбиталей с десятью электронами (3d10).
Итого, на третьем уровне может размещаться 2+6+10=18 электронов. Число орбиталей на подуровне можно определить по формуле 2l+1.
Максимальное число электронов на подуровне 2(2l+1). Максимальное число электронов на уровне 2n2.
Пример 51. Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 20 и 25 и графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей. Определить число валентных электронов для каждого атома. Показать графические схемы заполнения валентных орбиталей атомов в возбужденном состоянии.
Решение. С учетом последовательности заполнения уровней и подуровней по правилам Клечковского (1S2S2p3S3p4S3d4p и т.д.) Составляем электронные формулы элементов, распределяя по орбиталям соответственно 20 и 25 электронов.
№ 20 (Ca) 1S22S22p63S23p63d04S2
№ 25 (Mn) 1S22S22p63S23p63d54S2
Графические схемы:
2 валентных электрона
7 валентных электронов
Валентными являются электроны внешнего и предвнешнего заполняющегося (d и f) подуровня.
В возбужденном состоянии атома происходит “распаривание” валентных электронов путем их перехода на ближайший подуровень того же уровня:
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Пример 52. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами, может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном состояниях?
Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора 3S23p3
Атомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход одного S-электрона на 3d-подуровень:
Следовательно, в соответствии с числом неспаренных электронов, валентность фосфора в нормальном состоянии равна трем (например, РН3), а в возбужденном - пяти (например, РСl5)
Пример 53. Как изменяется прочность связи Н-Э в ряду Н2О - Н2S - H2Se - H2Te?
Решение. В указанном ряду размеры валентных электронных облаков элементов (O,S,Se,Te) возрастают, что приводит к степени их перекрывания с электронным облаком атома водорода и к возрастающему удалению области перекрывания от ядра атома соответствующего элемента. Это вызывает ослабление притяжения ядер взаимодействующих атомов к области перекрывания электронных облаков, т.е. ослабление связи. Таким образом, при переходе от кислорода к теллуру прочность связи Н-Э уменьшается.
Пример 54. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа АВn, если связь в них образуется за счет sp-,sp2-,sp3-гибридизации орбиталей атома А?
Решение. Теория валентных связей предполагает участие в образовании ковалентных связей не только “чистых” атомных орбиталей, но и “смешанных”, так называемых гибридных атомных орбиталей. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей равно числу исходных.
