Расчет по данным стехиометрии

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: 1s²2s²2р⁶Зs^оЗр°.

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.