Периодическая система элементов Д.И. Менделеева Химическая связь и строение молекул.

Пример 1.Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение. Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьми электронной оболочки (ns2, пр6).

Данные элементы находятся соответственно в VA-, VIA-, VIIA-группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2p3, s2p4 и s2p5. Ответ на вопрос см. табл. 3.

Таблица 3. Степени окисления мышьяка, селена, брома

Элемент Степень окисления Соединения
высшая низшая
As +5 -3 H3AsO4; H3As
Se +6 -2 SeO3; Na2Se
Br +7 -1 HBr04; KBr

Пример2. У какого из элементов четвертого периода - марганца или брома - сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов

25Mn Is22s22p6 3s23p63d54s2

35Br 1s22s22p6 3s23p6 3d10 4s2 4p5

Марганец - d-элемент VIIB-группы, а бром - p-элемент VIIA-группы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома - семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительнымисвойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энерге­тическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобре­тают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительныефункции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

Пример 3. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления образующих их атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение. Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э-О и О-Н может протекать по двум направлениям:



Э —— О —— Н

(I) (II)

ЭОН Э+ + ОН- ЭОН ЭО- + Н+ (II)

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссоциация по кислородному типу (II) протекает, если ЕО-Н << ЕЭ-О (высокая степень окисления), а по основному типу, если ЕО-Н>> ЕЭ-О (низкая степень окисления). Если прочность связей О - Н и
Э - О близки или равны, то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по (I), и по (II) направлениям. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах):

Э"+ + n OН- Э(ОН)n = НnЭОn n Н+ + ЭO ,

Как основание как кислота

где Э - элемент; n - его степень окисления. В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде — кислотный характер:

Ga(OH)3 +З НС1 = GaCl3 + 3 H2O

Ga(OH)3 + 3 NaOH = Na3GaO3 + 3H2O

Пример 4.Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном (*) состояниях?

Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня атома фосфора P… 3s23p3 по квантовым ячейкам имеет вид (учитываем правило Хунда):

15Р s p d
↑↓
3s2 3px 3py 3pz

В возбужденном состоянии:

s p d
3s1 3px 3py 3pz 3dxy

Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном – пяти.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

41.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.



42.Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе, составьте формулы водородного соединения германия, оксида молибдена и рениевой кислоты , отвечающие их высшей степени окисления . Изобразите формулы этих соединений графически .

43.Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

44.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).

45.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?

46.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?

47.Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: CuOH или Cu(OH)2; Fe(OH)2 или Fe(OH)3; Sn(OH)2 или Sn(OH)4? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).

48.Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

49.Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

50.Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и иод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

51.Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э2О5? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам и изобразите их графически?

52. 61. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?'

53.Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов, определите, какая из связей: HCl, ICl, BrF — наиболее полярна.

54.Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH+4 и BF ? Укажите донор и акцептор.

55.Какую ковалентную связь называют σ-связью и
какую - π-связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

56.Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

57.Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

58.Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ — алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк имеют указанные структуры?

59.Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н2О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

60.Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов, в соединениях СН4, СНзОН, НСООН, СО2.

Энергетика химических процессов
(термохимические расчеты)

При решении задач этого раздела см. табл. 5.

Науку о взаимных превращениях различных видов энергии называют термодинамикой. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях.

При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называют экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, — эндотермическими. Теплота реакции является, таким образом, мерой изменения свойств системы, и знание ее может иметь большое значение при определении условий протекания той или иной реакции.

При любом процессе соблюдается закон сохранения энергии как проявление более общего закона природы — закона сохранения материи. Теплота Q, поглощенная системой, идет на изменение ее внутренней энергии DU и на совершение работы А:

Q=DU+A.

Внутренняя энергия системы U — это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движений молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов, внутриядерную энергию и т.д. Внутренняя энергия — полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как целого. Абсолютное значение внутренней энергии Uвеществ неизвестно, так как нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии. Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, является функцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс: DU = U2 ¾ U1 где DU — изменение внутренней энергии системы при переходе из начального состояния U1 в конечное U2. Если U2 > U1то DU> 0. Если U2 < U1, то DU< 0.

Теплота и работа функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях А — это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении А = PDV, где DV — изменение объема системы (V2, - V1). Так как большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса (P = const, Т= const) теплота Qpравна:

Qp = DU+PDV,

Qp = (U2-U1)+P(V2-V1);

Qp = (U2+pV2) - (U1+pV1).

Сумму U + PVобозначим через Н, тогда

Qp = H2 - H1 = DH.

Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при P = const и T = const приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотермическом процессе Qpравна изменению энтальпии системы DH (если единственным видом работы является работа расширения):

Qp = DH

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния: ее изменение DH определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода. Нетрудно видеть, что теплота реакции в изохорно-изотермическом процессе (V = const; Т = const), при котором DV = 0, равна изменению внутренней энергии системы:

Qv = DU.

Теплоты химических процессов, протекающих при P, Т = const или V, Т = const, называют тепловыми эффектами.

При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и DH < 0 (H2 < Н1), а при эндотермических энтальпия системы увеличивается и DH > 0
(H2 > Н1). В дальнейшем тепловые эффекты всюду выражаются через DH.

Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840 г.):
тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.

Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции DHхр равен сумме теплот образования DHобр продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции

DHхр=SDH - SDH .


6098430161595989.html
6098475677581556.html
    PR.RU™