Тема «Химическая связь»

Тема «Строение атома»

Задание 1

Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит на 3d-подуровне 2 электрона. В каком периоде, группе и подгруппе он находится, и как этот элемент называется?

Решение:

После завершения подуровня 4s заполняется электронами 3d-подуровень: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d². Общее число электронов в атоме, которое определяет порядковый номер элемента в периодической системе, - 22. Это титан ₂₂Ti. Из электронной формулы видно, что этот элемент находится в четвёртом периоде IV группе (четыре валентных электрона: 3d²4s²), побочной подгруппе (элемент d-семейства, т.к. последним заполняется d-подуровень).

Задание 2

Опишите химические свойства элемента с порядковым номером 23 по его положению в периодической системе.

Решение:

По периодической системе определяем, что элемент с порядковым номером 23 находится в четвёртом периоде и в побочной подгруппе V группы. Этот элемент ванадий (V). Электронная формула V: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³ или сокращённо [Ar] 3d³4s² (та часть, которая соответствует заполненным электронным уровням благородного газа, обозначается его символом в квадратных скобках, и рядом изображаются остальные электроны). Следовательно, V- это d-элемент. Элемент может легко отдавать 2 электрона с 4-го уровня, проявляя степень окисления +2. При этом он образует оксид VO и гидроксид V(OH)₂, проявляющие основные свойства. Газообразных водородных соединений ванадий не образует, т.к. расположен в побочной подгруппе.

Атом ванадия может также отдавать электроны с d-подуровня предпоследнего энергетического уровня (3 электрона) и т.о., проявлять высшую степень окисления +5 (численно равную номеру группы). Оксид, соответствующей высшей степени окисления, V₂O₅. Этот оксид обладает кислотными свойствами. В качестве гидроксида ему соответствует неустойчивая метаванадиевая кислота HVO₃ (соли её - ванадаты - устойчивые соединения).

Задание 3

Какое максимальное число электронов может находиться на s-, p, d- и f-энергетических подуровнях атомов?

Электроны в атоме располагаются по энергетическим уровням (первый, второй, третий и т.д.), которые, в свою очередь, состоят из подуровней, обозначаемых латинскими буквами (s, p, d и f - подуровней). Максимальное число электронов на каждом уровне равно 2n², где n - порядковый номер уровня. Таким образом, на первом уровне не может быть больше двух электронов, а втором - не больше 8, на третьем - 18 и на четвертом - 32. По ряду причин, рассмотрение которых выходит за рамки школьного курса, максимальное число электронов на данном уровне достигается не всегда, поэтому экспериментально наблюдается не более 32 электронов на всех уровнях, начиная с четвертого.

На первом уровне могут находиться только s-электроны. Так как электронное облако s-электрона имеет сферическую симметрию, оно может быть ориентировано относительно трех координатных осей одним единственным способом; в таком случае говорят, что имеется одна s-орбиталь, на которой могут поместиться два электрона, отличающиеся знаком собственного магнитного момента («спин»).

На втором и последующих уровнях, помимо s-подуровня, есть еще p-подуровень. Электронное облако p-электрона имеет осевую симметрию, поэтому возможны три ориентации p-облаков вдоль трех координатных осей, что соответствует трем p-орбиталям. Поскольку одна орбиталь может вмещать два электрона, на каждом p- подуровне может находиться не больше 6 электронов. На третьем и последующих уровнях помимо s- и p-подуровней имеется еще d-подуровень. вмещающий 10 электронов, располагающихся на пяти d-орбиталях.

Тема «Химическая связь»

Задание 1

Определите, как изменяется прочность соединений в ряду: HF, HCl, HBr, HJ.

Решение:

В двухатомных молекулах приведённых соединений прочность связи зависит от длины связи. А поскольку радиус атома при переходе от фтора к йоду возрастает, то длина связи Н-галоген в этом направлении возрастает, т.е. прочность соединения при переходе от фтора к йоду уменьшается.

Задание 2

Вычислить разность относительных электроотрицательностей атомов для связей H-O и О-Э в соединениях Э(ОН)_2, где Э - Mg, Ca, Sr и определить:

а) какая из связей H-O или О-Э характеризуется в каждой молекуле большей степенью ионности;

б) каков характер диссоциации этих молекул в водном растворе?

(χ_Mg=1,2, χ_O= 3,5, χ_Ca= 1,04, χ _Sr= 0,99, χ _H= 2,1)

Решение

Вычисляем разность электроотрицательностей для связей О-Э:

Δχ_Mg-О=3,5-1,2=2,3,Δ χ_Ca-О=3,5-1,04= 2,46, Δχ _Sr-О=3,5 - 0,99= 2,51.

Разность электроотрицательностей для связи О-Н составляет 1,4.

Таким образом:

а) во всех рассмотренных молекулах связь Э-О полярная, т.к. Δχ › 2 и характеризуется большей степенью ионности;

б) диссоциация на ионы в водных растворах будет осуществляться по наиболее ионной связи в соответствии со схемой: Э(ОН)₂ = Э²⁺+ 2ОН^-, следовательно, все рассматриваемые соединения будут диссоциировать по типу оснований.

Задание 3

Какая химическая связь называется ионной? Каков механизм ее образования? Какие характерные особенности имеет ионная связь. Ответ поясните на примерах ионных соединений.

Ионная связь - прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел. Примером может служить соединение CsF, в котором «степень ионности» составляет 97%.

Рассмотрим способ образования на примере хлорида натрия NaCl.

Электронную конфигурацию атомов натрия и хлора можно представить:

11 Na ls2 2s2 2p 6 3s1; 17 Cl ls2 2p 6 Зs2 3р7

Как это атомы с незавершенными энергетическими уровнями. Очевидно, для их завершения атому натрия легче отдать один электрон, чем присоединить семь, а атому хлора легче присоединить один электрон, чем отдать семь. При химическом взаимодействии атом натрия полностью отдает один электрон, а атом хлора принимает его. Схематично это можно записать так: Na. - l е -> Na+ ион натрия, устойчивая восьмиэлектронная 1s2 2s2 2p6 оболочка за счет второго энергетического уровня. :Cl + 1е --> .Cl - ион хлора, устойчивая восьмиэлектронная оболочка. Между ионами Na+ и Cl- возникают силы электростатического притяжения, в результате чего образуется соединение. Ионная связь - крайний случай поляризации ковалентной полярной связи. Образуется между типичными металлом и неметаллом. При этом электроны у металла полностью переходят к неметаллу. Образуются ионы.

Если химическая связь образуется между атомами, которые имеют очень большую разность электроотрицательностей (ЭО > 1.7 по Полингу), то общая электронная пара полностью переходит к атому с большей ЭО. Результатом этого является образование соединения противоположно заряженных ионов:

Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение, которое называется ионной связью. Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости.

Характеристикой подобных соединений служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т. д.). Это происходит из-за заряженности частей молекулы. При этом диполи растворителя притягиваются к заряженным концам молекулы, и, в результате Броуновского движения, «растаскивают» молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы окружённые диполями растворителя.