Document 1021137

Министерство образования Российской Федерации
Алтайский государственный технический университет
Бийский технологический институт
Н.В. Степанова
ХИМИЯ
УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ
ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ
Методические рекомендации по выполнению
контрольного задания №3
Барнаул 2001
УДК 54(075.4)
Степанова Н.В. Химия: Учебно-методический комплект для абитуриентов. Методические рекомендации по выполнению контрольной
работы №3.
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск.
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. – 8 с.
Настоящие методические рекомендации представляют собой третью часть единого учебно-методического комплекта по курсу «Химия»
для абитуриентов.
Данная часть посвящена теме: «Строение атома. Периодический
закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Химическая связь» и включает теоретические вопросы и задачи, отражающие
основное содержание темы.
Рекомендуются учащимся школ, гимназий и лицеев, а также абитуриентам химических вузов.
Комплект рассмотрен и утвержден
на заседании кафедры «Общая химия
и экспертиза товаров».
Протокол №194 от 3.06.2001 г.
Рецензент: доцент каф. «Общая химия и экспертиза
товаров» Разгоняева Т.П.
 БТИ АлтГТУ, 2001
2
КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ №3
1 Строение атома. Периодический закон
и периодическая система элементов Д.И. Менделеева
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в
ядре атома равно порядковому номеру элемента в периодической системе и числу электронов в атоме. Число нейтронов в ядре атома равно
разности между относительной атомной массой химического элемента
и числом протонов. Так как заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона, то атом каждого химического элемента представляет собой сложную электронейтральную систему, состоящую из
положительно заряженного ядра и электронной оболочки с числом
электронов, равным числу протонов в ядре.
Электроны в атоме обладают разной энергией и размещаются на
энергетических уровнях и подуровнях в соответствии с принципом Паули, правилом Хунда и правилом Клечковского.
Атомы металлов в отличие от атомов неметаллов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов (от 1 до 3),
слабо удерживаемых ядром. Характерным химическим свойством металлов является способность их атомов отдавать внешние электроны и
превращаться в положительно заряженные ионы.
Неметаллы, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательно заряженных ионов.
Наименьшую энергию, необходимую для отрыва электрона от атома,
называют энергией ионизации (потенциалом ионизации) и измеряют ее
в электронвольтах (1 эВ = 96,5 кДж/моль). Она характеризует прочность связи электрона с атомом.
С увеличением порядкового номера элемента в группе потенциалы ионизации уменьшаются вследствие увеличения атомных радиусов,
а в периоде потенциалы ионизации возрастают по мере уменьшения
атомных радиусов. В зависимости от числа отрываемых от атома электронов различают первый потенциал ионизации I1 (энергия отрыва от
атома первого электрона), второй потенциал ионизации I2 (энергия отрыва второго электрона) и т.д. Всегда I1 < I2 < I3, так как образующийся катион Эn+ (n1) с большей силой притягивает оставшиеся электроны.
Как отмечалось выше, атомы элемента могут не только отдавать,
но и присоединять электроны.
Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону и также
3
измеряется в электронвольтах. Количественно сродство атома к электрону выражается энергией, затрачиваемой на отрыв электрона от однозарядного отрицательного иона. Максимальным сродством к электрону обладают атомы галогенов.
Способность атомов к отдаче электронов характеризует степень
металличности данного элемента, а способность к присоединению
электронов – степень неметалличности элемента. Присоединение одного электрона к атому неметалла сопровождается выделением энергии, а присоединение второго и третьего электронов идет с затратой
энергии.
Мерой относительной способности атомов в молекуле притягивать к себе электроны, то есть приобретать отрицательный заряд, является электроотрицательность.
Опытными данными установлено, что наименьшими значениями
электроотрицательности обладают атомы щелочных металлов,
наибольшими – атомы галогенов, а среди последних – атомы фтора.
Электроотрицательность лития условно принимают равной единице, и
с ней сравнивают электроотрицательность других элементов.
Задачи с решениями
Задача 1. Электронная формула атома аргона (18Ar):
1s22s22р63s23р6.
Какова электронная формула атома калия 19К?
Решение. Электронная формула атома калия может быть выражена двояко: 1s22s22р63s23р63d1 (I) или 1s22s22р63s23р64s1 (II). В случае
поступления валентного электрона на d-подуровень третьего энергетического уровня запас его энергии характеризовался бы суммой
n + l = 3 + 2 = 5, а при направлении электрона на s-подуровень четвертого уровня запас энергии составил бы n + l = 4 + 0 = 4. Следовательно,
лишь электронная формула (II) находится в согласии с правилом
Клечковского, то есть n + l электрона 4s меньше n + l электрона 3d.
Задача 2. Электронная формула атома азота (7N): 1s22s22р3. Как
распределяются электроны по квантовым ячейкам?
4
Решение. В соответствии с правилом Хунда распределение электронов по квантовым ячейкам имеет вид:
,
то есть три электрона заполняют все три орбитали на р-подуровне.
Задача 3. Дайте общую характеристику элемента с порядковым
номером 33. Укажите его основные химические свойства.
Ответ: Элемент мышьяк (порядковый номер 33) находится в
четвертом периоде, в главной подгруппе V группы, его относительная
атомная масса – 75. Ядро атома состоит из 33 протонов и 42 нейтронов.
Электроны (их 33) расположены вокруг ядра на четырех энергетических уровнях. Мышьяк – p-элемент, его электронная формула:
1s22s22р63s23р63d104s24p3. Наличие пяти электронов на внешнем энергетическом уровне атома мышьяка указывает на то, что мышьяк – неметалл. Однако он обладает слабо выраженными металлическими свойствами, поскольку в группе сверху вниз происходит ослабление неметаллических свойств. Высшая степень окисления мышьяка +5. Формула высшего оксида – As2O5, а газообразного соединения с водородом –
AsH3.
Задача 4. Объясните, почему селен и хром, находясь в одном и
том же периоде и в одной группе, обладают разными свойствами, на
что указывает их принадлежность к главной и побочной подгруппам
соответственно.
Ответ: электронные формулы атомов:
34Se
– 1s22s22р63s23р63d104s24p4,
24Cr
– 1s22s22р63s23р63d54s1.
Селен – p-элемент, а хром – d-элемент. Атом селена имеет на
внешнем уровне шесть электронов, а атом хрома – один электрон на
внешнем уровне и пять d-электронов на предвнешнем уровне. Следовательно, атом селена должен проявлять склонность к присоединению
двух электронов для приобретения электронной структуры ближайшего благородного газа – криптона и обладать неметаллическими свойствами. Хром – металл. При определенных условиях атом хрома может
отдать не только один электрон с внешнего уровня, но и пять
5
d-электронов с предвнешнего уровня, приобретая при этом устойчивую
электронную структуру аргона – 1s22s22р63s23р6. Атом селена, обладая
значительной электроотрицательностью, образует соединение с водородом, а хром, будучи металлом, – не образует.
2 Химическая связь и строение молекул.
Валентность и степени окисления элементов
Задачи с решениями
Задача 1. Каковы валентность и степень окисления азота:
а) в азотной кислоте;
б) в хлориде аммония?
Решение. а) Структурную формулу азотной кислоты иногда
изображают с пятивалентным азотом следующим образом:
O
H O N
O.
В действительности пятивалентный азот не существует, поскольку для этого атом азота должен иметь пять неспаренных элекронов.
Распаривание 2s–электронов азота требует очень большой затраты
энергии и практически не происходит. Атом азота в азотной кислоте
имеет валентность IV. Три ковалентные связи N–O образованы за счет
неспаренных электронов, и одна – за счет неподеленной пары электронов азота.
Структурную формулу азотной кислоты можно представить так:
O
H O N
O ,
где стрелка обозначает донорно-акцепторную связь.
Степень окисления водорода равна +1, кислорода (–2), а сумма
степеней окисления атомов в молекуле равна 0, поэтому на долю атома
азота приходится условный заряд +5.
б) Валентность азота в ионе NH4+ равна IV. Три ковалентные связи N–H образованы за счет неспаренных электронов азота, и одна – за
счет неподеленной пары электронов.
Степень окисления водорода равна +1, а сумма степеней окисле6
ния атомов в ионе равна заряду иона (–1), поэтому на долю атома азота
приходится условный заряд (–3).
Ответ: а) валентность IV, степень окисления +5; б) валентность
IV, степень окисления (–3).
Задача 2. Определите степени окисления элементов в следующих
соединениях: K2MnO4, Ва(СlO3)2, F2O, Ca(NO2)2, H2SiF6, Н2O2,
Сr2(SO4)3.
Решение. Используем следующие правила определения степеней
окисления:
1) сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0;
2) степень окисления Н равна +1 в соединениях с неметаллами;
3) степень окисления О равна (–2), кроме соединений со фтором
и перекисных соединений;
4) степень окисления F равна (–1);
5) степень окисления металла равна заряду иона металла.
Используя эти правила, находим:
1) K2MnO4: K+1, Mn+6, O–2;
2) Ва(СlO3)2: Ba+2, Cl+5, O–2;
3) F2O: F–1, O+2;
4) Ca(NO2)2: Ca+2, N+3, O–2;
5) H2SiF6: H+1, Si+4, F–1;
6) Н2O2: H+1, O–1;
7) Сr2(SO4)3: Cr+3, S+6, O–2.
Задача 3. Сероводород при обычной температуре - газ, а вода жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах?
Решение. Кислород - более электроотрицательный элемент, чем
сера. Поэтому между молекулами воды возникают более прочные водородные связи, чем между молекулами сероводорода. Разрыв этих
связей, необходимый для перехода воды в газообразное состояние,
требует значительной затраты энергии, что и приводит к аномальному
повышению температуры кипения воды.
7
Степанова Наталья Владимировна
ХИМИЯ
Учебно-методический комплект для абитуриентов
Методические рекомендации по выполнению контрольного
задания №3
Редактор Идт Л.И
Подписано в печать 02.07.2001. Формат 60х84 1/16
Усл. п. л. - 0,4. Уч. изд. л. - 0,5
Печать – ризография, множительно - копировальный
аппарат «RISO TR - 1510»
Тираж 50 экз. Заказ 2001-61
Издательство Алтайского государственного
технического университета
655099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИВЦ БТИ АлтГТУ
Отпечатано на ИВЦ БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29
8