Виды общения

 

 

Пример 2.

Определите, каким элементам  соответствуют приведенные электронные  структуры:

 

а) …. 4s² 3d⁶,

б) …. 6s² 5d¹ 4f⁷,

в) …. 5s² 4d¹⁰ 5p² ?

 

Решение.

В электронной формуле главное  квантовое число n (пишется цифрой) определяет энергетический уровень и совпадает с номером периода в периодической таблице Д. И. Менделеева. Число валентных электронов (электроны последнего энергетического уровня) равно номеру группы, в котором находится элемент.

В примере 2а n = 4, следовательно, элемент находится в четвертом периоде. Число валентных электронов (показатель степени в электронной формуле) равно 2 + 6 = 8, т. е. элемент расположен в восьмой группе - это железо.

В примере 2б n = 6 элемент шестого периода заполняется электронами f-подуровень (7 ) при частично заполненном d-подуровне (1 ). Один электрон на d-подуровне имеет лантан № 57, за ним в таблице расположены лантаноиды (№ 58-71, f-элементы) и семь электронов на f-подуровне у гадолиния.

В примере 2в n = 5, элемент пятого периода. Валентные электроны 2 + 2 = 4, т. е. это элемент четвертой группы - олово.

 

Пример 3.

Заряды ядер элементов в периодической системе непрерывно увеличи-ваются, а свойства простых веществ повторяются периодически. Как это объяснить?

Решение.

Д. И. Менделеев заметил, что свойства элементов периодически повто-ряются с возрастанием значений их массовых чисел. Он расположил открытые к тому времени 63 элемента в порядке увеличения их атомных масс с учетом химических и физических свойств. Менделеев считал, что открытый им периодический закон является отражением глубоких закономерностей во внутреннем строении веществ, он констатировал факт периодических изменений свойств элементов, но причины периодичности не знал.

Дальнейшее изучение строения атома  показало, что свойства веществ зависят от заряда ядра атомов, и элементы можно систематизировать, основываясь на их электронной структуре. Свойства простых веществ и их соединений зависят от периодически повторяющейся электронной структуры атомов и «электронные аналоги» являются также и «химическими аналогами».

Распишем электронные формулы  атомов элементов главных подгрупп второй и седьмой групп.

Элементы второй группы имеют общую  электронную формулу валентных  электронов ns². Распишем их электронные формулы:

 

Be 1s² 2s²,

Mg 1s² 2s² 2p⁶ 3s²,

Ca 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²,

Sr 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s².

 

У элементов седьмой группы общая  электронная формула валентных  электронов ns² np⁵, а полные электронные формулы имеют вид:

 

F 1s² 2s² 2p⁵ ,

Cl 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ ,

Br 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ ,

I 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁵ .

 

Итак, электронные структуры атомов периодически повторяются у эле-ментов одной группы, поэтому периодически повторяются и их свойства, так  как они зависят в основном от электронного строения валентных  электронов. Элементы одной группы имеют общие свойства, но есть и отличия. Это можно объяснить тем, что хотя атомы и имеют одинаковую электронную структуру валентных электронов, но эти электроны расположены на разном расстоянии от ядра, сила притяжения их к ядру при переходе от периода к периоду ослабевает, они становятся более подвижными, что отражается на свойствах веществ.

Задания

 

41. Исходя из положения германия, цезия и технеция в периодической  системе, составьте формулы следующих соединений: мета и ортогерманиевой кислот, дигидрофосфата цезия и оксида технеция, отвечающего его высшей степени окислении. Изобразите графически формулы этих соединений.

42. Что такое энергия ионизации?  В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная  активность s- и p-элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

43. Что такое электроотрицательность? Как. изменяется электроотрицательность р-элементов в периоде; в группе периодической системы с увеличением порядкового номера?

44. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе, составьте формулы следующих соединений: водородного соединения германия, рениевой кислоты и оксида молибдена, отвечающего его высшей степени окисления. Изобразите графически формулы этих соединений.

45. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

46. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?

47. Какой из элементов четвертого  периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов.

48. Какие элементы образуют газообразные  соединения с водородом? В каких группах периодической системы находятся эти элементы? Составьте формулы водородных и кислородных соединений хлора, теллура и сурьмы, отвечающих их низшей и высшей степеням окисления.

49. У какого элемента четвертого  периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

50. Какую низшую степень окисления  проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

51. У какого из p-элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какой из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

52. 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; Сd(ОН)₂ или Sr(OH)₂?

53. Почему марганец проявляет  металлические свойства, а хлор  – неметаллические? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца.

54. Какую низшую степень окисления  проявляют водород, фтор, сера  и азот? Почему? Составьте формулы  соединений кальция с данными  элементами в этой их степени  окисления. Как называются соответствующие  соединения?

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

56. К какому семейству относятся  элементы, в атомах которых последний  электрон поступает на 4f- и 5f-орбитали? Сколько элементов включает каждое из этих семейств? Как отражается на свойствах этих элементов электронное строение их атомов?

57. Атомные массы элементов в  периодической системе непрерывно  увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить?

58. Какова современная формулировка  периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

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

60. Какую высшую степень окисления  могут проявлять германий, ванадий, марганец и ксенон? Почему? Составьте формулы оксидов данных элементов, отвечающих этой степени окисления.

Химическая  связь и строение молекул. 
Конденсированное состояние вещества

 

Пример 1.

Исходя из теории ковалентной связи, изобразите в виде валентных схем строение молекул: HCl, H₂O, NH₃.

Решение.

Согласно методу валентных схем (метод ВС), ковалентная связь  образуется путем перекрывания электронных  облаков неспаренных электронов. Эта связь двухэлектронная, двухцентровая.

Выпишем валентные электроны атомов, образующих указанные молекулы, и распределим их по орбиталям:

 

H   1s¹,

Cl   2s² 2p⁵,

O   2s² 2p⁴,

N  2s² 2p³.

 

При образовании молекулы HCl происходит перекрывание неспаренных s-электрона атома водорода и p-электрона атома хлора:

 

 

В молекуле воды перекрываются два  неспаренных p-электрона атома кислорода и два s-электрона атомов водорода:

 

 

И, наконец, в молекуле аммиака три  неспаренных p-электрона атома азота перекрываются с тремя s-электронами атомов водорода:

 

H

3

+ × : ® :H.

 

Во всех трех случаях у атомов при обобществлении электронов происходит достройка внешнего энергетического уровня до устойчивой двухэлектронной (гелиевой) конфигурации у атомов водорода или восьмиэлектронной (неоновой) у атомов кислорода и азота.

 

Пример 2.

Почему энергия двойной  связи С = С (613,2 кДж) не равна удвоенному значению энергии одинарной связи С - С (348,6 кДж)?

Решение.

Энергия связи в значительной мере зависит от способа перекрывания электронных облаков при образовании связи. Если область перекрывания лежит на линии связи - это s-связь. Если область перекрывания электронных облаков перпендикулярна линии связи, то это p-связь. s- и p-связи неравноценны по энергии, прочнее s-связь. Соединяющиеся атомы не могут образовывать между собой более одной s-связи. Поэтому одинарная связь С-С – это одна s-связь с энергией 348,6 кДж. -связь двойной связи С=С равна 264,6 кДж, поэтому энергия двойной связи С=С не равна удвоенному значению одинарной связи С-С.

 

Пример 3.

Как изменяется полярность связи  и прочность молекул в ряду HF, HCl, HBr, HI?

Решение.

Если ковалентная связь образована при взаимодействии разных атомов, то электронное облако связи всегда смещается к атому с большей относительной электроотрицательностью и связь будет полярной, т. е. полярность связи зависит от электроотрицательности атомов. Чем больше разность относительных электроотрицательностей, тем полярнее связь. Элементы F, Cl, Br, I находятся в одной группе периодической системы Д. И. Менделеева. В группе электроотрицательность сверху вниз падает, значит, самый электроотрицательный элемент - фтор и поэтому связь в молекуле будет самой полярной.

Приведенные в условии задачи молекулы двухатомны, и прочность их определяется прочностью связи водород-галоген. Прочность же связи при прочих равных условиях зависит от длины связи, т. е. от радиуса атома галогена. По группе сверху вниз радиусы атомов увеличиваются, длина связи галогена с водородом растет, а прочность связи соответственно падает, так как чем длиннее связь, тем она менее прочна. Уменьшается и прочность молекул.

 

Пример 4.

Какие химические связи имеются  в ионах [NH₄]⁺, [BF₄]^- ?

Решение.

Напишем валентные электроны взаимодействующих атомов:

 

N 2s² 2p³,

B 2s² 2p¹,

F 2s² 2p⁵,

H 1s¹.

 

При образовании молекулы аммиака (см. пример 3.1) атом азота не исчерпал все валентные возможности, так как у него осталась свободной ещё одна пара электронов. При взаимодействии с ионом водорода H⁺, имеющего незанятую 1s-орбиталь, образуется ещё одна ковалентная связь:

 

NH₃ + H⁺

[NH₄]⁺.

 

Такая ковалентная связь, когда  атом-комплексообразователь (азот) предоставляет для образования связи пару электронов, а атом-лиганд - (водород) свободную орбиталь, называется дативной.

Для образования молекулы BF₃ атом бора переходит в возбужденное состояние с тремя неспаренными электронами:

 

B   2s² 2p¹

B^* ´ 2s¹ 2p².

 

Три образующихся гибридных облака (sp²-гибридизация) перекрываются с тремя p-облаками трех атомов фтора и получается молекула BF₃. Но у атома бора остается свободная орбиталь, а у иона фтора имеются свободные электронные пары (F⁰ + 1 = F^-) Поэтому в ионе [BF₄]^- четвертая ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму:

 

BF₃ + F^-

[BF₄]^-.

 

Атом бора - комплексообразователь дает для связи пустую орбиталь (акцептор), а ион фтора - лиганд, дает пару электронов (донор).

Итак, в ионах [NH₄]⁺ и [BF₄]^- четыре ковалентные связи образованы разными способами:

а) одноэлектронный  1:1,

б) дативный     2:0,

в) донорно-акцепторный  0:2.

 

Первая цифра указывает число  электронов комплексообразователя, вторая - лиганда.

Все четыре связи одинаковы по энергии, длине и другим параметрам, т. е. это  не новый тип связи, а разные механизмы  образования одной ковалентной связи.

Задания

 

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