Контрольные вопросы и задачи

 

1 Изобразите распределение электронов по орбиталям в атомах кремния, фтора, криптона.

2 Сколько свободных d -орбиталей в атомах Sc, Ti, V? Напишите электронные формулы атомов этих элементов.

3 Сказки, легенды, мифы разных народов дали имена немалому числу химических элементов. Назовите эти элементы. Кто их открыл и когда?

4 Природный литий состоит из двух стабильных изотопов ⁶Li (7,3%) и ⁷Li (92,7%). Рассчитайте из этих данных атомную массу лития.

5 Составьте уравнение ядерной реакции: Pu + He = n + …

6 Определите, изотоп какого элемента получится, если ядро урана потеряет четыре α -частицы, две β -частицы.

7 Каков состав ядер атомов элементов, имеющих порядковые номера 33, 78, 92? Составьте электронные формулы атомов этих элементов.

8 Укажите количество протонов и нейтронов в ядрах следующих изотопов:                       а) Sn; Sn; Sn; Sn;

б) Tl; Tl;

в) Та; Та.

9 Какой объем при н.у. займет гелий, образовавшийся вследствие превращения в свинец Pb одного моль тория (массовое число 232)?

10 При последовательных радиоактивных превращениях ядра выделилась одна α - и две β -частицы. Изменится ли в результате этих превращений масса и заряд ядра?

11 Закончите уравнения следующих ядерных реакций:

 ) Ni + H → Cu + …;

б) Cr + He → Mn + …;

                                           в) B + He → n + …

12 Строение внешнего электронного слоя атома одного элемента 3s²Зр³, а другого 5s²5p⁵. Составить полные электронные формулы. К каким периодам, группам и подгруппам относятся эти элементы. Назвать их. К какому электронному типу они относятся? Чему равна их максимальная степень окисления?

13 Энергетические диаграммы атомов иногда сравнивают с лестницами, а атомные орбитали – с квартирами в многоэтажном доме. Электроны по определенным правилам «заселяют» этот «дом». В таком случае, с чем можно было бы сравнить энергетические уровни и подуровни в атоме? Напишите правила заполнения электронами электронных уровней, подуровней, орбиталей.

14 В электронных оболочках атомов трех элементов содержатся: а) 21 р -электронов; б) 15 d -электронов; в) 20 f -электронов. Написать полные электронные формулы этих элементов, назвать их.

15 Среди атомных ядер различают изотопы - изонейтронные ядра (они содержат одинаковое число нейтронов и различное число протонов). Изотопы бария, лантана и ксенона содержат по 82 нейтрона каждое. Представить нуклонный состав ядер указанных элементов, их структурные символы, указать массовые числа.

16 Какие частицы называются нуклонами? Какие нуклоны и в каком числе заключаются в ядрах: ¹Н, ²Н, ³Н, ⁴⁰K, ⁹⁰Sr, ²⁴⁴Pu.

17 В структуре внешних электронных оболочек атомов двух различных элементов заключаются конфигурации: a) 5s² 5р⁴; б) 4s² 4p⁶ 4d⁵ 5s¹. Написать полные электронные формулы элементов, указать, к каким электрон­ным типам они относятся. Отметить валентные электроны. К какому периоду относятся эти элементы? Написать формулы высших кислородных соединений, отметить их характер.

18 В структуре электронной оболочки атомов элементов имеются конфигурации: а) 6р³; б) 5f^{1 1}; в) 7s¹; г) 4d⁵. К каким электронным типам относятся эти элементы? Написать их полные электронные формулы.

19 Написать электронные формулы элементов с порядковыми номерами 23 и 33. К каким электронным типам они относятся? Указать валентные электроны. Представить химические формулы их высших кислородных соединений, отметить высшие окислительные числа элементов.

20 Многие первооткрыватели химических элементов увековечили в названиях химических элементов свои родные места. Какие это элементы? Кто их открыл и когда?

21 Схематические ядерные реакции записать в виде полных уравнений:                                     a) ²⁵Al (n, p) ²⁵Mg;

                                                б) ⁵⁶Fе (d, n) ⁵⁷Со;

в) ⁵⁰Сr (p, g) ⁵¹Мп.

20. В периодической системе элементов принято водород записывать дважды – в первой и седьмой группах. Какие свойства водорода служат основанием того, чтобы считать его аналогом щелочных металлов и галогенов?

21. Почему в периодах слева направо усиливаются неметаллические свойства? Составьте электронную схему и электронные формулы атомов:

а) элемента, обладающего самыми сильными окислительными свойствами;

б) элемента, обладающего самыми сильными восстановительными свойствами.

22. Ядро меди-67 подвергается b -распаду. Ядро какого элемента при этом образуется? Как располагается дочерний элемент в таблице Менделеева по отношению к исходному? На этом примере проверьте «правило сдвига».

23.  В процессе радиоактивного превращения один из протонов ядра Рb-200 совершает электронный захват. Как при этом изменяется зарядовое число ядра? Указать дочернее ядро. Представить схему ядерной реакции.

24. Исходя из теории строения атомов, укажите, на чем основано подразделение группы элементов на подгруппы. Проиллюстрируйте это на примере VI группы элементов таблицы Менделеева.

25. Известнейший философ античности Аристотель, учитель Александра Македонского, основал в 335 г. до н.э. в Афинах философскую школу Ликей. Он полагал, что первоосновой всего сущего являются четыре элемента: земля, огонь, вода и воздух. Аристотель уже знал о существовании семи металлов (золота, серебра, ртути, свинца, олова, меди и железа) и двух неметаллов (угля и серы). Позднее стали считать, что как слова состоят из букв, так и вещества – из элементов. Но даже великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье принимал термины «элемент» и «простое вещество» как равнозначные. Только Д.И. Менделеев начал различать эти понятия. Что же такое «химический элемент» и «простое вещество»?

26. Как изменяются свойства элементов с увеличением порядковых номеров: в периодах? в главных подгруп­пах периодической системы? Объясните это изменение строением атомов элементов. Назовите самый активный металл и самый активный неметалл.

27. Представить нуклонный состав следующих ядер:

Fe; Cr; S; Pb; Pb.

Указать среди них: а) изотопы; б) изобары. Различаются ли числом электронов в оболочке электронейтральных атомов: а) изотопы; б) изобары? Объясните наблюдающиеся здесь различия, с точки зрения нуклонного состава ядер.

28. Указать, к какому периоду, группе и подгруппе по системе Менделеева относятся элементы, в оболочке атомов которых содержатся конфигурации: а) 4f⁵; б) 5d²; в) 2s¹. Написать полные электронные формулы, отметить валентные электроны. Назвать элементы.

29. Объясните сходство свойств атомов Al, Ga, In.

30. У какого из элементов - лития, цезия или бериллия - больше энергия ионизации? Сделайте вывод о химических свойствах их атомов.

31. Какие из элементов N или Р проявляют более окислительные свойства? Почему?

32. Почему Сu, Ag, Аu - благородные металлы? Дайте объяснение их свойств на основе электронных структур и справочного материала.

33. Когда пришло время изучать в школе химию, родители купили сыну две открытки с изображением Периодической системы Д.И. Менделеева. Но они оказались разными. На одной открытке было 8 групп элементов да еще какие-то «подгруппы» - у всех групп по две, а у VIII- даже 4! На другой открытке в таблице было 32 группы, причем среди них было 14, содержащих всего по 2 элемента. Уж не попала ли в продажу таблица с полиграфическим браком?

34. Объясните различие величин радиусов и свойств атомов Сu и Zn.

35. Радиусы атомов Si и V равны (r =1,34 Å), почему же так различны их свойства?

36. На основе электронных структур и всех табличных данных сравните свойства Mg и Zn.

37. Сравните свойства пары элементов: Z =22 и Z =28. Ответ обоснуйте.

38. На основе сравнения электронных структур атомов Ti и Рb сделайте вывод об их свойствах.

39. Какие химические элементы обязаны своими названиями минералам, в которых они были найдены? Кто их открыл и когда?

40. Почему Мn и С1 расположены в одной группе периодической системы, но в разных подгруппах? Дайте сравнительную характеристику свойств этих элементов на основе их электронных структур.

41. Установите химические свойства элемента с номером 40.

42. Почему свойства всех элементов II периода очень сильно отличаются от свойств элементов всех последующих периодов?

43. Назовите количественные характеристики металлических и неметаллических свойств. Как они изменяются в пределах периода и группы?

44. Термин «порядковый номер элемента» впервые ввел в употребление английский химик Джон Ньюлендс в 1875 г., и поначалу порядковый номер элемента не имел отношения к Периодической системе Д.И. Менделеева. Термин «атомный номер элемента» появился позднее – в 1913 г. английский физик Эрнест Резерфорд настойчиво внедрял его в употребление вместо «порядкового номера». Какому из этих терминов следует отдать предпочтение? Каков физический смысл порядкового номера элемента?

45. Какой химический элемент сначала был найден астрономами, а уже позже его открытие подтвердили химики?

46. В оболочке электронейтрального атома элемента содержится 50 электронов, в ядре -70 нейтронов. Чему равен порядковый номер элемента? Назвать элемент.

47. К началу ХХ в. I период таблицы Менделеева все еще оставался загадкой. Он включал всего два химических элемента – водород и гелий. Поскольку в то время водород помещали в I, а гелий - в VIII группу, то между ними оставалось много вакантных мест для размещения неизвестных химических элементов. Даже сам Менделеев считал, что рядом с гелием «должен находиться галоид с атомным весом около 3, который, возможно, найдется в природе». Некоторые химики прогнозировали существование новых элементов, которые легче углерода, азота и кислорода. Могут ли существовать химические элементы, место которых в Периодической системе – между водородом и гелием?

48. Дж. Дальтон в многотомном труде «Новая система химической философии» (1808) изложил свои взгляды на строение вещества: «Уже одно наблюдение различных агрегатных состояний должно привести к тому заключению, что все тела состоят из колоссального количества крайне ничтожных частиц, или атомов, связанных между собой более или менее значительной, в зависимости от обстоятельств, силой притяжения. Мы также не в состоянии сотворить или разрушить атом… Все изменения, которые мы можем производить, заключаются в разделении прежде связанных атомов и в соедине­нии прежде разделенных атомов». Какая неточность содержится в этом отрывке, с точки зрения современных представлений о строении атома? Рассмотреть строение атомов элементов второго, третьего и четвертого периодов (по одному представителю от каждого периода).

49. Ядро Ti -45 претерпевает b⁺ -распад. Представить ядерное уравнение, показать применимость «правила сдвига».

50. Атомный вес галлия, находимый химическим путем, оказался равным 69,72. Определить, в каком количественном соотношении изотопы галлий-69 и галлий-71 находятся в природной плеяде элемента.

ТЕМА 3    ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ

 

Химические реакции протекают с разными скоростями. Некоторые химические реакции проходят мгновенно, другие - крайне медленно, одни начинаются быстро, а затем замедляются, в то время как другие, наоборот, начинаются медленно, а затем ускоряются. Изучение закономерностей протекания химических реакций во времени является предметом химической кинетики. Другими словами, химической кинетикой называется учение о скоростях химических реакций. От скорости реакции в различных технологических процессах зависят производительность и габариты заводской аппаратуры, течение тех или иных биологических процессов, эффективность действия на растения и живой организм различных химических препаратов.

При изучении скорости химических реакций необходимо различать реакции в гомогенных и гетерогенных системах. Первые называются гомогенными реакциями, вторые – гетерогенными. Гомогенные и гетерогенные реакции существенным образом отличаются друг от друга как по механизму химического взаимодействия, так и по многим закономерностям кинетики.

Реагентами называют начальные молекулы, вступающие в реакцию, а продуктами - молекулы, образующиеся в результате протекания реакций.

Скорость химической реакции – это изменение молярной концентрации одного из веществ в единицу времени: 

.                                                    (3)

Графическая зависимость концентрации вещества от времени протекания реакции и скорости реакции от времени представлена на рисунке 3.

Необходимым условием химического взаимодействия различных веществ является столкновение их молекул. Тогда, очевидно, что скорость химического взаимодействия должна определяться числом столкновений молекул в единицу времени. Вероятность столкновения молекул различных веществ друг с другом пропорциональна концентрациям реагирующих веществ.

                         а                                                       б

Рисунок 3 – Кинетические кривые (а) и зависимость скорости реакции от времени (б)

 

Гульдбергом  и  Вааге  в  1867 году экспериментально было показано, что в простейших случаях скорость гомогенных реакций пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Данная зависимость была названа закон действия масс, которыйформулируется так: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам:

υ = k[A]^a∙[B]^b                                                  (4)

Например, для реакции водорода с азотом:

3Н₂ + N₂ ↔ 2NH₃,

υ .

Опыт показывает, что с повышением температуры скорость реакции, как правило, возрастает. Количественно эта зависимость выражается правилом Вант-Гоффа. Согласно этому правилу, при повышении температуры реакционной смеси на каждые 10 градусов скорость гомогенных химических реакций увеличивается в два-четыре раза.

Математически правило Вант-Гоффа может быть записано следующим образом:

,                                             (5)

где γ – температурный коэффициент скорости реакции; и - константы скорости при разных температурах.

Более точная зависимость константы скорости химической реакции от температуры была найдена Аррениусом (1889 г.). Уравнение Аррениуса имеет вид:

,                                               (6)

где k – константа скорости реакции; А – постоянная интегрирования; Е – энергия активации; R – газовая постоянная; Т – температура.

Многие химические реакции протекают так, что взятые вещества целиком превращаются в конечные продукты, т.е. процесс идет до конца. Такие реакции называются необратимыми. Примером такой реакции может служить взаимодействие цинка с соляной кислотой: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.

Однако при очень многих химических превращениях процессы могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях одновременно. Такие реакции называют обратимыми. Примером обратимой реакции является взаимодействие оксида серы (IV) с кислородом: 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃.

Для обратимых реакций применимо понятие химического равновесия. Химическое равновесие характеризуется тем, что скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции, и концентрации всех участвующих в реакции веществ остаются постоянными (равновесными). Количественная характеристика химического равновесия может быть выражена через константу химического равновесия, которая в общем виде для обратимой химической реакции типа: аA + bB ↔ cC + dD записывается так:

.

При постоянных внешних условиях – концентрация, давление, температура – химическое равновесие сохраняется как угодно долго. Изменение хотя бы одного из указанных факторов ведет к нарушению равновесия, смещая его в ту или иную сторону. Влияние различных факторов на смещение химического равновесия определяется принципом Ле-Шателье (1884 г.): при изменении в равновесной системе одного из параметров состояния (р, Т, С) происходит смещение равновесия в направлении процесса, ведущего к ослаблению произведенного воздействия.