Моль. Эквиваленты и эквивалентные массы простых и сложных веществ. Закон эквивалентов

С 1 января 1963 г. введена Международная система единиц измерения (СИ), состоящая из шести основных единиц: метр (м) – длина, килограмм (кг) – масса, секунда (с) – время, ампер (А) – сила тока, кельвин (К) – термодинамическая температура, кандела (кд) – сила света. XIV Генеральная конференция по мерам и весам (1971г) утвердила в качестве седьмой основной единицы Международной системы моль (моль) – единицу количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицируемыми группами частиц. Моль вещества соответствует постоянной Авогадро N_A=(6,022045 ± 0,000031) × 10²³ моль^-1 структурных элементов. При применении понятия «моль» следует указывать, какие структурные элементы имеются в виду, например моль атомов Н, моль молекул Н₂, моль протонов, моль электронов и т.п. Так заряд моля электронов равен 6,022 × 10²³ и отвечает количеству электричества, равному 1 фарадею (F). Масса моля атомов или масса моля молекул (мольная или молярная масса), выраженная в граммах (г/моль), есть грамм-атом данного элемента или соответственно грамм-молекула данного вещества в прежнем понимании.

Пример 1. Выразите в молях: а) 6,02 × 10²¹молекул СО₂; б)1,20 × 10²⁴ атомов кислорода; в) 2,00 × 10²³ молекул воды. Чему равна мольная (молярная) масса указанных веществ?

Решение

Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определенного сорта, равное постоянной Авогадро (6,02 × 10²³). Отсюда а) 6,02 × 10²¹, т.е. 0,01 моль. б) 1,20 × 10²⁴, т.е. 2 моль. в) 2,00 × 10²³, т.е. 1/3 моль.

Масса моля вещества выражается в кг/моль или г/моль. Молярная (мольная) масса вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе, выраженной в атомных единицах массы (а. е. м.).

Так как молекулярные массы СО₂ и Н₂О и атомная масса кислорода соответственно равны 44; 18 и 16 а. е. м., то их мольные (молярные) массы равны: а) 44 г/моль; б) 18 г/моль; в) 16 г/моль.

Пример 2. Определите число эквивалентности (z) и молярную массу эквивалента азота (М(1/z, N), серы (М(1/z, S) и хлора (М(1/z, Cl) в соединениях NH₃, H₂S, HCl.

Решение

Масса вещества и количество вещества – понятия неидентичные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях.

Эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества В, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или одному электрону в данной реакции окисления-восстановления. Эквивалент – условная частица вещества В, которая в z(В) раз меньше соответствующей формульной единицы. Число z(В) называется числом эквивалентности.

Масса 1 эквивалента вещества (элемента) называется его молярной массой эквивалента (М(1/z, В)). Таким образом, эквиваленты выражаются в молях, а молярные массы эквивалентов – в г/моль.

В данных соединениях с 1 моль атомов водорода соединяется 1/3 моль азота, 1/2 моль серы и 1 моль хлора. Отсюда z(N) = 3, z(S) = 1/2, z(Cl) = 1. Исходя из молярных масс этих элементов, определяем их молярные массы эквивалента: М(1/3, N) = 14/3 = 4,67 г/моль; М(1/2, S) = 32/2 = 16 г/моль; М(1/1, Cl) = 35,45/1 = 35,45 г/моль.

Пример 3. На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 дм³ водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента оксида и молярную массу эквивалента металла. Чему равна атомная масса металла?

Нормальные условия по Международной системе единиц (СИ): давление 1,013 × 10⁵ Па (760 мм рт.ст. = 1 атм), температура 273 К или 0⁰ С.

Решение

Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m(А) и m(В) пропорциональны их молярным массам эквивалентов (объемам):

(1)

(2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то, как правило, его количество измеряется в объемных единицах (см³, дм³, м³).

Объем, занимаемый при данных условиях молярной или молярной массой эквивалента газообразного вещества, называется молярным или, соответственно, эквивалентным объемом этого вещества. Молярный объем любого газа при н.у. равен 22,4 дм³. Отсюда эквивалентный объем водорода , молекула которого состоит из двух атомов, т.е. содержит два моля атомов водорода, равен 22,4: 2 = 11,2 дм³. В формуле (2) отношение заменяем равным ему отношением , где – объем водорода, – эквивалентный объем водорода: (3)

Из уравнения (3) находим молярную массу эквивалента оксида металла : ;

Согласно закона эквивалентов , отсюда . Молярная масса металла определяется из соотношения М(1/z, Ме) = М(Ме)/В, где М(1/z, Ме) – молярная масса эквивалента металла, М(Ме) – молярная масса металла, В – стехиометрическая валентность элемента; М(Ме) = М(1/z, Ме) × В = 27,45 × 2 = 54,9 г/моль. Так как атомная масса в а.е.м. численно равна молярной массе, выражаемой в г/моль, то искомая масса металла 54,9 а.е.м.

Пример 4. Сколько металла (г), молярная масса эквивалента которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см³ кислорода (н.у.)?

Решение

Так как молярная масса О₂ (32 г/моль) при н.у. занимает объем 22,4 дм³, то объем эквивалентной массы кислорода (8 г/моль) будет

22,4: 4 = 5,6 дм³ = 5600см³. По закону эквивалентов

или

Откуда .

Пример 5. Вычислите числа эквивалентности и молярные массы эквивалентов H₂SO₄ и Al(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

H₂SO₄ + KOH = KHSO₄ + H₂O (1)

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂O (2)

Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O (3)

Al(OH)₃ + 3HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3H₂O (4)

Решение

Молярная масса эквивалента сложного вещества, эквивалент и число эквивалентности элемента, может иметь различные значения и зависят от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Молярная масса эквивалента кислоты (основания) равна молярной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гидроксильных групп). Следовательно, число эквивалентности и молярная масса эквивалента H₂SO₄ в реакции (1) соответственно равны z(H₂SO₄) = 1, М(1/1, H₂SO₄) = 98/1 = 98 г/моль, а в реакции (2) z(H₂SO₄) = 2, М(1/2, H₂SO₄) = 98/2 = 49 г/моль. Число эквивалентности и молярная масса эквивалента Al(OH)₃ в реакции (3) z(Al(OH)₃) = 1, М(1/1, Al(OH)₃) = 78/1 = 78 г/моль, а в реакции (4) z(Al(OH)₃) = 3, М(1/3, Al(OH)₃) = 78/3 = 26 г/моль.

Задачу можно решить и другим способом. Так как H₂SO₄ взаимодействует с одной молярной массой эквивалента КОН и двумя молярными массами эквивалента магния, то ее молярная масса эквивалента равна в реакции (1) М/1 г/моль и в реакции (2) М/2 г/моль. Al(OH)₃ взаимодействует с одной молярной массой эквивалента HCl и тремя молярными массами эквивалента HNO₃, поэтому его молярная масса эквивалента в реакции (3) равна М/1 г/моль, в реакции (4) М/3 г/моль.

Пример 6. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла (М(1/z, Ме).

Решение

При решении задачи следует иметь в виду: а) молярная масса эквивалента гидроксида равна сумме молярных масс эквивалентов металла и гидроксильной группы; б) молярная масса эквивалента соли равна сумме молярных масс эквивалентов металла и кислотного остатка. Вообще молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

Учитывая сказанное, подставляем соответствующие данные в уравнение (1) примера 3:

;

Получаем

Пример 7. В какой массе Ca(OH)₂ содержится столько же эквивалентов, сколько в 312 г Al(OH)₃?

Решение

Молярная масса эквивалента равна М(1/3, Al(OH)₃) = М(Al(OH)₃)/3 = 78/3 = 26 г/моль. Следовательно, в 312 г Al(OH)₃ содержится 312/26 = 12 эквивалентов. Молярная масса эквивалента Ca(OH)₂ равна М(1/2, Са(OH)₂) = М(Са(OH)₂)/2 = 37 г/моль. Отсюда 12 эквивалентов составляют 37 г/моль × 12 моль = 444 г.

Пример 8. Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты в граммах.

Решение

Моль любого вещества (см. пример 1) содержит постоянную Авогадро N_A структурных единиц (в нашем примере молекул). Молярная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Определите число эквивалентности и молярную массу эквивалента фосфора, кислорода и брома в соединениях PH₃, H₂O, HBr.

2. В какой массе NaOH содержится столько же эквивалентов, сколько в 140 г КОН?

Ответ: 100г.

3. Из 1,35 г оксида металла получается 3,15 г его нитрата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла.

Ответ: 32,5 г/моль

4. Из 1,3 г гидроксида металла получается 2,85 г его сульфата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла.

Ответ: 9 г/моль.

5. Оксид трехвалентного элемента содержит 31,58 % кислорода. Вычислите молярную массу эквивалента, молярную и атомную массы этого элемента.

6. Чему равен при н.у. эквивалентный объем водорода? Вычислите молярную массу эквивалента металла, если на восстановление 1,017 г его оксида израсходовалось 0,28 дм³ водорода (н. у.).

Ответ: 32,68 г/моль.

7. Выразите в молях: а) 6,02 × 10²² молекул C₂H₂; б) 1,80 × 10²⁴ атомов азота; в) 3,01 × 10²³ молекул NH₃. Какова молярная масса указанных веществ?

8. Вычислите число эквивалентности и молярную массу эквивалента H₃PO₄ в реакциях образования: а) гидрофосфата; б) дигидрофосфата; в) ортофосфата.

9. В 2,48 г оксида одновалентного металла содержится 1,84 г металла. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида. Чему равна молярная и атомная массы этого металла?

10. Чему равен при н.у. эквивалентный объем кислорода? На сжигание 1,5 г двухвалентного металла требуется 0,69 дм³ кислорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента, молярную массу и атомную массу этого металла.

11. Из 3,31 г нитрата металла получается 2,78 г его хлорида. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла.

Ответ: 103,6 г/моль.

12. Напишите уравнения реакций Fe(OH)₃ с хлороводородной (соляной) кислотой, при которых образуются следующие соединения железа: а) хлорид дигидроксожелеза; б) дихлорид гидроксожелеза; в) трихлорид железа. Вычислите число эквивалентности и молярную массу эквивалента Fe(OH)₃ в каждой из этих реакций.

13. Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) дигидрофосфата калия; б) нитрата дигидроксовисмута (III). Напишите уравнения реакций этих веществ с КОН и определите их числа эквивалентности и молярные массы эквивалентов.

14. В каком количестве Cr(OH)₃ содержится столько же эквивалентов, сколько в 174,96 г Mg(OH)₂?

15. Избытком хлороводородной (соляной) кислоты подействовали на растворы: а) гидрокарбоната кальция; б) дихлорида гидроксоалюминия. Напишите уравнения реакций этих веществ с HCl и определите их числа эквивалентности и молярные массы эквивалентов.

16. При окислении 16,74 г двухвалентного металла образовалось 21,54 г оксида. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида. Чему равна молярная и атомная массы металла?

17. При взаимодействии 3,24 г трехвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 л водорода (н.у.). Вычислите молярную, атомную массы и молярную массу эквивалента металла.

18. Исходя из молярной массы углерода и воды, определите абсолютную массу атома углерода и молекулы воды в граммах.

Ответ: 2,0 × 10^-23 г; 3,0 × 10^-23 г.

19. На нейтрализацию 9,797 г ортофосфорной кислоты израсходовано 7,998 г NaOH. Вычислите число эквивалентности, молярную массу эквивалента и основность H₃PO₄ в этой реакции. На основании расчета напишите уравнение реакции.

Ответ: 0,5 моль; 49 г/моль; 2.

20. На нейтрализацию 0,943 г фосфористой кислоты H₃PO₄ израсходовано 1,291 г КОН. Вычислите число эквивалентности, молярную массу эквивалента и основность кислоты. На основании расчета напишите уравнение реакции.

Ответ: 0,5 моль; 41 г/моль; 2.

21. При сгорании 5,00 г металла образуется 9,44 г оксида металла. Определить молярную массу эквивалента металла.

Ответ: 9,01 г/моль.

22. Вычислите молярную массу двухвалентного металла и определите, какой это металл, если 8,34 г металла окисляются 0,680 л кислорода (н.у.).

Ответ: 137,4; Ва.

23. 1,00 г некоторого металла соединяется с 8,89 г брома и с 1,78 г серы. Найдите молярные массы эквивалентов брома и металла, зная, что молярная масса эквивалента серы равна 16,0 г/моль.

Ответ: 79,9 г/моль; 9,0 г/моль.

24. Для растворения 16,8 г металла потребовалось 14,7 г серной кислоты. Определите молярную массу эквивалента металла и объем выделившегося водорода (н.у.).

Ответ: 56,0 г/моль; 3,36 л.

25. 1,60 г кальция и 2,61 г цинка вытесняют из кислоты одинаковые количества водорода. Вычислите молярную массу эквивалента цинка, зная, что молярная масса эквивалента кальция равна 20,0 г/моль.

Ответ: 32,6 г/моль.

26. На нейтрализацию 2,45 г кислоты идет 2,00 г гидроксида натрия. Определите молярную массу эквивалента кислоты.

Ответ: 49,0 г/моль.

27. 0,376 г алюминия при взаимодействии с кислотой вытеснили 0,468 л водорода (н.у.). Определите эквивалентный объем водорода, зная, что молярная масса эквивалента алюминия равна 8,99 г/моль.

Ответ: 11,2 л/моль.

28. Сколько молекул содержится в 1,00 мл водорода при нормальных условиях?

Ответ: 2,69 ^. 10¹⁹.

29. Какой объем при нормальных условиях занимают 27^. 10²¹ молекул газа?

Ответ: 1 дм³.

30. Масса 200 см³ ацетилена при нормальных условиях равна 0,232 г. Определите молярную массу ацетилена.

Ответ: 26,0 г/моль.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9 – 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m_l) атомной обитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму (рис.1).

Рис. 1. Формы s-, p- и d- электронных облаков (орбиталей)

Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами(n, l, m_l, m_S). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень), число m_l (магнитное) – магнитный момент, m_S – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_S = ±1/2). В табл.3 (приложение) приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение

Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nl^x, где n - главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение –s, p, d, f), x - число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n+l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → (5d¹) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d^1-2) → 5f → 6d → 7p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника , кружка или линейки ----, а электроны в этих ячейках обозначают стрелками. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами , или . В данном пособии применяют прямоугольники . Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

Пример 3. Определите число протонов и нейтронов в ядре атома железа.

Решение

1. Железо Fe в периодической системе элементов Д. И. Менделеева имеет порядковый номер 26, следовательно, число протонов в ядре атома равно 26, т.е. Z(Fe)=26.

2. Относительная атомная масса железа равна 56 (масса наиболее распространенного изотопа), т. е. А_r(Fе)=56. Используя формулу (A_r=Z+N, где Z – число протонов, N – число нейтронов), вычисляем число нейтронов в ядре атома ⁵⁶Fe:

N(Fe) = A_r(Fe) – Z(Fe); N(Fe)=56 – 26 = 30

Таким образом, строение атома можно изобразить при помощи следующей краткой записи: .

Пример 4. Изотоп 101-го элемента – менделевия (256) был получен бомбардировкой α-частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение

Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращения атомных ядер, как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением

Часто применяют сокращенную форму записи, Для приведенной реакции она имеет вид:²⁵³Es(a, n)²⁵⁶Md. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую, - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы , , , обозначают соответственно a, p, d, n.

Пример 5. Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций

; ; ; ;

напишите их полные уравнения.

Решение

Сокращенные уравнения	Полные уравнения

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

31. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

32. Каково максимальное число электронов на 3- и 4-м энергетических уровнях? На каких подуровнях размещаются электроны в 3- и 4-м энергетических уровнях?

33. Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

34. Медь имеет изотопы с массовыми числами 65 и 63. Укажите для каждого изотопа порядковый номер, число протонов и нейтронов, заряд ядра.

35. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

36. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d- и f-орбитали данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 31.

37. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

38. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

39. Изотоп никеля – 57 образуется при бомбардировке a-частицами ядер атомов железа – 54. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

40. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

41. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

42. Назовите элементы 4-, 5- и 6-го периодов, у атомов которых d-орбитали полностью заполнены электронами. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и укажите, к какому периоду, группе и подгруппе периодической системы они относятся.

43. Каковы электронные структуры атома железа и иона железа Fe³⁺?

44. В каких группах и подгруппах периодической системы находятся s-элементы? Назовите их.

45. Изотоп кремния-30 образуется при бомбардировке a-частицами ядер атомов алюминия-27. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

46. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных d-орбиталей у атомов последнего элемента?

47. Изотоп углерода-11 образуется при бомбардировке протонами ядер атомов азота-14. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

48. Неустойчивый изотоп испускает b-частицу. В ядро, какого элемента он при этом превращается?

49. Какое целочисленное значение может принимать квантовое число l в зависимости от п?

50. Какие элементы в периодической системе называют s-, р-, d- и f -элементами?

51. Какое целочисленное значение может принимать квантовое число т в зависимости от l?

52. Каковы электронные структуры атома Ni⁰ и ионов Ni²⁺, Ni³⁺?

53. Что такое искусственные радиоизотопы, чем они отличаются от естественных радиоизотопов?

54. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 28. Чему равен максимальный спин p-электронов у атомов первого и d-электронов у атомов второго элемента?

55. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов?

56. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m_l при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называются s-, p-, d-, f-элементами? Приведите примеры.

57. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l, m_S характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

58. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента неверны: а)1s²2s²2p⁵3s¹; б)1s²2s²2p⁶; в)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴; г)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²; д)1s²2s²2p⁶3s²3d²? Почему? Атомам, каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

59. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s-электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атома первого и p-электронов у атома второго элементов?

60. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторого элемента имеют следующие значения: n = 4, l = 0, m_l = 0, m_S = ±1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите, сколько свободных 3d -орбиталей он содержит.

61. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома p⁷- или d¹²- электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

62. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s-электрона на 4d–подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

63. Назовите элементы 1-, 2- и 3-го периодов, у атомов которых s -орбитали полностью заполнены электронами. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и укажите, к какому периоду, группе и подгруппе периодической системы они относятся.

 

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

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 номер группы периодической системы Д.М. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns² np⁶).

Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA – группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²p³,s²p⁴ и s²p⁵.

Элемент	Степень окисления	Соединения
высшая	низшая
As	+5	-3	H3AsО4;H3As
Se	+6	-2	SeO3;Na2Se
Br	+7	-1	KbrO4;KBr

 

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение

Электронные формулы данных элементов

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

Марганец – d-элемент VIIB-группы, а бром – p-элемент VIIA-группы.

На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем 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 окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p- 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 атомов элементов, их образующих? 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 (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э ---- О и О ---- Н может протекать по двум типам:

ЭОН Э⁺ + ОН^- ЭОН ЭО^- + Н⁺

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

Эⁿ⁺ + nOH^- Э(OH)_n = H_nЭO_n nH⁺ + Эon^n–

как основание как кислота

Э – элемент, n- его положительная степень окисления. В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде – кислый характер:

Ga(OH)₃ + 3HCl = GaCl₃ + 3H₂O

Ga(OH)₃ + 3NaOH = Na₃GaO₃ + 3H₂O

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

64. Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета-, ортогерманиевой кислот и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически.

65. 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?

66. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность p-элементов в периоде, в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

67. 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.

68. 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.

69. 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.

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

71. 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).

72. 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.

73. 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?

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

75. 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?

76. 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).

77. 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?

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

79. 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).

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

81. 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?

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

83. Атомы, каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂O₅? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам, и изобразите их графически.

84. Укажите, как в приведенном ряду элементов О – S – Se – Te изменяется способность принимать электроны, если известны величины электроотрицательности атомов этих элементов.

85. Как изменяются свойства элементов второго периода периодической системы с увеличением заряда ядра атома элемента? Ответ подтвердите характером формирования электронных оболочек атомов элементов.

86. Укажите, какое из сравниваемых двух соединений является более сильным основанием: а) NaOH или CsOH; б) Ca(OH)₂ или Ba(OH)₂; в) Zn(OH)₂ или Cd(OH)₂.

87. Элемент в периодической системе имеет порядковый номер 25. Какие оксиды образует этот элемент? Какие свойства проявляют оксиды этого элемента? Образует ли этот элемент газообразное соединение с водородом?

88. Какое строение электронных слоев у элементов подгруппы хрома при степени их окисления +3? Как изменяются основные свойства гидроксидов этих металлов по подгруппе сверху вниз?

89. Запишите электронные формулы атомов элементов № 24 и № 34. Почему они расположены в одном периоде (каком?) и в одной группе (какой?)?

90. Атомы какого из элементов VП-А подгруппы в большей степени проявляют восстановительные свойства по отношению к фтору?

91. Напишите электронные формулы ионов Se^2- и Se⁶⁺. Почему для селена характерны как окислительные, так и восстановительные свойства?

92. Какой из атомов – хлор или йод – является окислителем при образовании молекулы IСl из атомов? У какого из этих атомов сильнее выражена способность притягивать к себе электроны?

93. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?