Cтроение атома. Методика решения типовых задач

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Все вещества являются простыми или сложными. Простые вещества состоят из атомов одного и того же элемента, например металл железо – Fe, газ хлор Cl₂, кислород О₂ и т.д. По физическим и химическим свойствам простые вещества де-лятся на металлы и неметаллы.

Сложные вещества состоят из атомов нескольких элементов. Многоэлементные кислородосодержащие соединения по химическим свойствам разделяются на оксиды, основания, кислоты и соли:

	основные	K2O, Na2O, MgO, CaO, BaO, SrO, CuO, FeO, CrO
Оксиды	кислотные	CO2, SO2, SO3, P2O5, N2O5, CrO3, Cl2O7, MnO3, Mn2O7
	амфотерные	BeO, ZnO, PbO, SnO, PbO2, MnO2, SnO2, Cr2O3, Fe2O3,
Основания	KOH, NaOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2, Sr(OH)2, Cu(OH)2
	средние	KCl, Na2CO3, Ca(NO3)2, Ba3(PO4)2, LiClO4, Na2MnO4, Rb2S
Соли	кислые	NaHCO3, Al(HSO4)3, Ca(H2PO4)2, KHS, MgHPO4, K2HPO4
	основные	AlOHSO4, [Al(OH)2]2SO4, (CaOH)2CO3, MgOHCH3COO

Основания и кислородосодержащие кислоты часто рассматриваются как гидраты оксидов и объединяются в единый класс гидроксидов, имеющих основный или кислотный характер.

Оксиды - соединения элемента с кислородом. По свойствам различают основные, кислотные и амфотерные оксиды. Основным оксидам соответствуют основания. Это оксиды большинства металлов обычно со степенью окисления +1, +2 и редко +3.

Химические свойства основных оксидов заключаются в следующем:

1) основные оксиды взаимодействуют с кислотами:

Основный оксид + кислота = соль + (вода)

СаO + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O

2) некоторые основные оксиды (прежде всего оксиды s-элементов, а также оксиды скандия, иттрия, лантана) непосредственно реагируют с водой:

Основный оксид + вода = основание

CaO + H₂O = Ca(OH)₂; Rb₂O + H₂O = 2RbOH

3) основные оксиды взаимодействуют с кислотными оксидами (чаще всего при сплавлении):

Основный оксид + кислотный оксид = соль

СаO + N₂O₅ = Ca(NO₃)₂; Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃

Кислотным оксидам соответствуют кислоты. К ним относятся оксиды неметаллов (большинства р-элементов) со степенью окисления обычно +3, +4, +5, +6, +7, например, B₂O₃, CO₂, P₂O₅, SO₃, Cl₂O₇, а также некоторых металлов (d-элементов) с максимальной степенью окисления металла, например Ta₂O₅, MoO₃, Mn₂O₇.

Химические свойства кислотных оксидов следующие:

1) многие кислотные оксиды с водой образуют кислоты, т.е.:

Кислотный оксид + вода = кислота

СO₂ + H₂O = H₂CO₃; P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄;

SO₃ + H₂O = H₂SO₄; 2CrO₃ + H₂O = H₂Cr₂O₇

2) кислотные оксиды взаимодействуют с основаниями в водных растворах или при сплавлении:

Кислотный оксид + основание = соль + вода

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃↓ + Н₂О; SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

3) кислотный оксид + основный оксид = соль.

CO₂ + CaO = CaCO₃; P₂O₅ + 3BaO = Ba₃(PO₄)₂; SO₂ + K₂O = K₂SO₃

Амфотерные оксиды – это оксиды некоторых элементов, которые в зави-симости от условий проявляют свойства как основных, так и кислотных оксидов, т.е. характеризуются ктислотно-основной двойственностью, например BeO, Al₂O₃, MnO₂, ZnO, Cr₂O₃, PbO, SnO, PbO₂, SnO₂ и т.д. Такие соединения могут реагировать и с кислотами, и с кислотными оксидами, проявляя основные свой-ства:

BeO + 2HNO₃ = Be(NO₃)₂ + H₂O; BeO + CO₂ = BeCO₃ Они также могут реагировать и с основаниями, и основными оксидами. При этом они ведут себя как кислотные соединения:

BeO + 2NaOH = Na₂BeO₂ + H₂O; BeO + Na₂O + Na₂BeO₂.

Кислоты – это электролиты, которые в водных растворах диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка. Кислоты бывают сильные (HCl, HBr, HNO₃, H₂SO₄ и др.) и слабые (HNO₂, H₂CO₃, H₃PO₄ и др.). Основность кислоты определяется числом ионов Н⁺, участвующих в реакции с основанием, и является переменной величиной, например:

Н_ЗРО₄ Н⁺ + Н₂РО₄^-, основность кислоты равна 1;

Н_ЗРО₄ + NaOH = NaН₂РО₄ + H₂O

Н_ЗРО₄ 2Н⁺ + НРО₄^2-, основность кислоты равна 2;

Н_ЗРО₄ + 2NaOH = Na₂НРО₄ + 2H₂O

Н_ЗРО₄ 3Н⁺ + РО₄^3-, основность кислоты равна 3;

Н_ЗРО₄ + 3NaOH = Na₃РО₄ + 3H₂O

В общем случае число кислотных остатков равно наибольшей основности кислоты. Величина заряда аниона кислотного остатка определяется числом ка-тионов водорода, образующихся при диссоциации. Важнейшие химические свойства кислот следующие:

1) кислота + основный оксид = соль + вода:

2HCl + FeO = FeCl₂ + H₂O

2) кислота + основание = соль + вода:

2HCl + Fe(OH)₂ = FeCl₂ + 2H₂O

3) кислота + амфотерный оксид = соль + вода:

2HCl + BeO = BeCl₂ + H₂O

4) кислота + амфотерное основание = соль + вода:

2HCl + Be(OH)₂ = BeCl₂ + 2H₂O

5) кислота + основная соль = средняя соль(или две средние соли)+ вода:

2HCl + (FeOH)Cl = FeCl₂ + 2H₂O

2HNO₃ + 2(FeOH)Cl = FeCl₂ + Fe(NO₃)₂ + 2H₂O

6) многоосновная кислота + средняя соль этой кислоты = кислая соль:

H₂SO₄ + FeSO₄ = Fe(HSO₄)₂

Основания – это электролиты, которые в водных растворах диссоциируют на гидроксид-ионы и катионы основного остатка, причем число образующихся ионов ОН^- определяет кислотность основания, например:

Cа(OH)₂ (CаOH)⁺ + OH^-, кислотность равна 1;

Cа(OH)₂ Cа²⁺ + 2OH^-, кислотность равна 2.

Важнейшие свойства оснований можно выразить следующими возможными процессами:

1) основание + кислотный оксид = соль + вода:

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

2) основание + кислота = соль + вода:

2NaOH + H₂CO₃ = Na₂CO₃ + 2H₂O

3) основание + амфотерный оксид = соль + вода:

2NaOH + BeO = Na₂BeO₂ + H₂O

4) основание + амфотерное основание + соль + вода:

2NaOH + Be(OH)₂ = Na₂BeO₂ + 2H₂O

5) основание + кислая соль = средняя соль + вода:

NaOH + NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O

6) основание + средняя соль = новое основание + соль:

2NaOH + CuCl₂ = Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

Амфотерные основания -это сложные вещества, которые обладают химическими свойствами основания и кислоты, т.е. как и амфотерные оксиды, характеризуются кислотно-основной двойственностью, и их можно представить в форме основания и кислоты:

Al(OH)₃ H₃AlO₃

Отсюда и их поведение:

1) как основание – реагируют с сильными кислотами, растворяются в них:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

2) как кислота – взаимодействуют со щелочами:

H₃AlO₃ + 3КОН = К₃AlO₃ + 3Н₂О (при сплавлении)

или

Al(OH)₃ + 3KOH = K₃[Al(OH)₆] (в водном растворе).

Соли – вещества ионного строения, которые в водных растворах диссоциируют на ионы основного и кислотного остатка:

Na₂SO₄ 2Na⁺ + SO₄^2-

По составу различают следующие виды солей:

1) средние – продукты полной нейтрализации кислоты основанием, при этом происходит полное замещение атомов водорода в молекуле кислоты:

Сu(OH)₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O

2) при неполном замещении атомов водорода образуются кислые соли; их образуют обычно многоосновные кислоты при избытке последних:

Сu(OH)₂ + 2H₂SO₄ = Cu(НSO₄)₂ + 2H₂O

3) при частичном замещении групп ОН^- в молекуле основания кислотными остатками образуются основные соли:

2Сu(OH)₂ + H₂SO₄ = (CuОН)₂SO₄ + 2H₂O

Основные соли могут образованы только многокислотными основаниями.

Названия кислой соли складываются из названия соответствующей средней соли с приставкой «гидро», «дигидро» и т. д. (в зависимости от числа атомов во-дорода в кислотном остатке). Например: КНСО₃ – гидрокарбонат калия; Са(Н₂РО₄)₂- дигидрофосфат кальция.

Название основной соли складывается из названия соответствующей средней соли с прибавлением приставки «гидроксо», «дигидроксо» и т. д. (в зависимости от числа групп ОН^- в основном остатке). Например: (BeOH)₂CO₃ – гидроксо-карбонат бериллия; Al(OH)₂NO₃ – дигидроксонитрат алюминия. При добавлении кислоты основные соли легко переходят в средние:

Al(OH)₂NO₃ + 2HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 2H₂O

Для превращения кислой соли в нормальную соль следует добавить щелочи (основания):

Cu(НSO₄)₂ + Сu(OH)₂ = 2CuSO₄ = 2H₂O

Принципы научной классификации, химические свойства, способы получения, взаимные превращения и названия всех рассмотренных важнейших классов неорганических соединений подробно описаны в учебно-методической литературе.

21. Приведите уравнения реакций получения указанных ниже солей из со-ответствующих кислот и оснований: фосфат хрома(П), гидрокарбонат бария, дигидроксосульфат алюминия.

22. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

Железо→сульфат железа(III)→гидроксид железа(III)→оксид железа(III) →хлорид железа(III)→дигодроксохлорид железа(III).

23. С какими из перечисленных веществ - N₂O₅, Zn(OH)₂, FeO реагирует гидроксид кальция? Составьте уравнения соответствующих реакций.

24. Напишите уравнения реакций, при помощи которых, исходя из четырех простых веществ – калия, серы, кислорода и водорода, можно получить три средние соли и три кислоты. Полученные соединения назовите.

25. Напишите уравнения всех возможных реакций между следующими веществами, взятыми попарно: оксид калия, оксид фосфора(V), гидроксида бария, серная кислота, иодид калия, нитрат свинца(II). Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в сокращенной ионной форме.

26. С какими из указанных ниже веществ может взаимодействовать раствор гидроксида калия: йодоводородная кислота, нитрат меди(II), хлорид стронция, оксид серы(IV), оксид свинца(II). Напишите уравнения реакций в молекулярной и сокращенной ионной форме.

27. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно получить гид-роксохлорид алюминия, гидросульфид калия, гидрокарбонат бария.

28. Какие кислоты могут быть получены при непосредственном взаи-модействии с водой следующих оксидов: Р₂О₅, СО₂, СгО₃, SO₂, СO₂?

29. Как осуществить следующие превращения:

Zn →ZnSO₄ → Zn(OH)₂ → Na₂ZnO₂ → Zn(NO₃)₂ →фосфат калия.

30. Как осуществить следующие превращения:

Аl → Al₂O₃ → Al(OH)₃ → Ba(AlO₂)₂ → Al(NO₃)₃ → Na₃AlO₃.

31. Напишите уравнения реакций получения нормальных (средних), кислых и оcновных солей никеля(II), используя гидроксид никеля и фосфорную кислоту. Кислые и основные соли превратите в нормальную соль.

32. С какими из перечисленных веществ P₂O₅, Sn(OH)₂, CoO, AgNO₃, H₂S, Al₂O₃ будет реагировать соляная кислота? Составьте ионные и ионно-молеку-лярные уравнения возможных реакций.

33. Какие из указанных газов вступают в химическое взаимодействие с раствором щелочи: НСl, Н₂S, NO₂, SО₂, NН₃, С1₂, N₂? Напишите уравнения воз-можных реакций.

34. Приведите уравнения реакций получения ниже перечисленных солей, ис-ходя из соответствующих кислот и оснований: а) фосфат марганца(II); б) гид-роксокарбонат цинка; в) гидрофосфат калия; г) дигидроксосульфат алюминия.

35. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций образования средних солей из основных и кислых, подобрав для этого соответствующий реагент:

а) дигидоксонитрат алюминия→ нитрат алюминия + хлорид алюминия;

б) гидроксохлорид хрома(Ш) → хлорид хрома(Ш);

в) дигидрофосфат магния → фосфат магния;

г) гидрокарбонат кальция → карбонат кальция + карбонат натрия.

36. Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства указанных ниже соединений: а) оксид железа(III); б) оксид фосфора(III); в) гид-роксид олова(II); в) оксид кремния(IV).

37. Составьте формулы нормальных (средних) и кислых солей калия и каль-ция, образованных: а) угольной кислотой; б) мышьяковистой кислотой. Напишите уравнения реакций их получения и приведите названия этих солей.

38. Составьте формулы нормальных и основных солей кальция и алюминия, образованных: а) соляной кислотой; б) серной кислотой. Напишите названия этих солей.

39. Составьте уравнения соответствующих реакций и определите, при каком соотношении основания и кислоты образуются гидроксосульфат, дигид-роксосульфат и гидросульфат хрома(Ш)? Все указанные соли переведите в сульфат хрома(III).

40. Напишите уравнения реакций, характеризующих химические свойства указанных соединений: оксид меди(П), оксид азота(V), гидроксид железа(III).

Пример 1. Составление электронных формул атомов элементов с учетом значений квантовых чисел электронов наружного слоя. Напишите электронную формулу атома элемента и назовите его, если значения квантовых чисел (n, l, m_l m_s) электронов наружного электронного слоя следующие: 4, 1, -1, + 1/2; 4, 1, 0, +1/2; 4, 1, +1, +1/2.

Решение. Состояние каждого электрона наружного энергетического уровня определяется следующим набором квантовых чисел:

1-й электрон: n = 4, l =1, m_l = -1, m_s = + 1/2;

2-й электрон: n = 4, l =1, m_l = 0, m_s = + 1/2;

3-й электрон: n = 4, l =1, m_l = +1, m_s = + 1/2;

Главное квантовое число равно четырем, следовательно, электроны находятся на 4-м энергетическом уровне. Орбитальное квантовое число определяет форму орбитали. Если l= 1, то орбиталь называется р-орбиталью, следовательно, три электрона находятся на р-подуровне 4-го энергетического уровня. Магнитное квантовое число m_l (-1, 0, +1) определяет ориентацию орбитали в пространстве. На всех трех р-орбиталях (р_х, р_у, р_г) находится по одному электрону (m_s = + l/2). Наружный энергетический уровень атома этого элемента содержит пять электронов:...4s²4p³. Такую электронную конфигурацию наружного энергетического уровня имеет атом мышьяка As, электронная формула которого следующая: Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³.

Пример 2. Изображение электронной структуры атомов элементов с помощью энергетических ячеек.Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по энергетическим ячейкам для атома элемента с порядковым номером 40.

Решение. Элемент с порядковым номером 40 - цирконий Zr, находится он в пятом периоде, IVВ подгруппе. Цирконий - это d-элемент. Электронная формула атома циркония - Zr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².

Принимая во внимание правило Гунда, заполним энергетические ячейки следующим образом:

1s^2

2s^2

2p^6

3s^2

3p^6

3d^10

4s^2

4p^6

4d^2

5s^2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

↑↓

Пример 3. Определение значений квантовых чисел для эле­ктронов атома элемента.Для атома с электронной структурой 1s²2s²p¹ найдите значения четырех квантовых чисел n, l, m_l, m_s, определяющие каждый из электронов в нормальном состоянии.

Решение. Электронную структуру 1s²2s²p¹ имеет атом бора. Значения квантовых чисел для электронов атома бора надо определять с учетом принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. 1-й энергетический уровень атома бора содержит два электрона в s-состоянии. Эти электроны характеризуются следующим набором квантовых чисел: 1,0, 0, ±1/2. Электроны в s-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2, 0, 0, ±1/2.

Квантовые числа 2, 1, -1, +1/2 описывают р-электрон второго энергетического уровня бора в р-состоянии. Значения квантовых чисел пяти электронов атома бора следующие:

Квантовое число	Электрон
n
l
ml					-1
s	+1/2	-1/2	+1/2	-1/2	+1/2

41. Приведите по два примера, относящихся к s-, p- и d-электронным семействам. Ответ мотивируйте строением внешних и предвнешних (для d-элементов) энергетических уровней атомов.

42. Внешние энергетические уровни атомов имеют вид 3s¹; 5s²5p²; 4s²4p⁶; 2s²2p⁵. В каких периодах и в каких подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам они принадлежат?

43. Сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне и подуровне у атомов элементов с зарядом ядра +42; +28; +19? Составьте электронные формулы для атомов этих элементов.

44. Какие из электронных конфигураций соответствуют основному, возбужденному или запрещенному (невозможному) состоянию:

а) 1s²2s²2p⁵3s³; б) 1s²2s²2p⁶3s¹3p⁵3d¹; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p⁶4d⁴5s¹; г) 1s²2s¹2p⁷.

45. Напишите электронные формулы атомов фосфора, цезия и ванадия. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

46. Какое максимальное число электронов могут занимать s -, р-, d- и f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

47. Какие значения имеют квантовые числа n, l, m и s для следующих атомных орбиталей: а)4s; б)2р; в)3d; г)4f?

48. Составьте электронную формулу атомов элементов с зарядом ядра +25 и +33. Покажите распределение валентных электронов в нормальном и возбужденном состояниях. Какие степени окисления возможны у этих элементов?

49. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m при орбитальном квантовом числе l =0; 1; 2 и З? Какие элементы в Периодической системе носят названия s, p, d и f -элементов? Приведите примеры.

50. Какие значения могут принимать квантовые числа п, l, т₁ и т_s, характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они принимают для внешних электронов атома фосфора?

51. Приведите по два примера, относящихся к p-, d- и f-электронным семействам. Ответ мотивируйте строением внешних и предвнешних (для d-элементов) энергетических уровней атомов.

52. Внешние энергетические уровни атомов имеют вид 4s¹; 6s²6p^2; 5s²5p⁶; 2s²2p⁵. В каких периодах и в каких подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам они принадлежат?

53. Сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне и подуровне у атомов элементов с зарядом ядра +24; +46; +55? Составьте электронные формулы для атомов этих элементов.

54. Какие из электронных конфигураций соответствуют основному, возбужденному или запрещенному (невозможному) состояниям:

a) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s³; б) 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d¹;

в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p⁶; г) 1s²2s²2p⁷.

55. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим высшему энергетическому состоянию атомов фосфора, алюминия, кремния и никеля. Сколько неспаренных электронов в атомах этих элементов в основном и возбужденном состояниях?

56. Определите значения всех квантовых чисел для электронов атомов:

а) лития; б) бора; в) азота; г) фтора.

57. Напишите электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра:

а) +46; б) +105; в) +114 и в) еще не открытого элемента с зарядом ядра +120. К каким электронным семействам относятся эти элементы?

58. В электронных оболочках атомов трех элементов содержатся: а) 21 р-электрон; б)15 d-электронов; в) 20 f-электронов. Напишите полные электронные формулы этих элементов и назовите их. Какие степени окисления они могут проявлятъ в химических соединениях?

59. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: а) 4s или 3d;

б) 5s или 4р; в)5p или 4d? Почему? Составьте электронные формулы атомов эле-ментов с зарядом ядра +53 и +80.

60. Энергетическое состояние внешнего электрона атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n = 3, l = 0, m = 0. Атомы каких эле-ментов имеют такой электрон? Составьте электронные формулы атомов этих элементов.

Дата добавления: 2015-01-03