Эквивалент. Закон эквивалентов

Примеры решения задач

Пример 1. Рассчитайте эквивалентную массу трёхвалентного металла (M), навеска которого массой 1,44 г при его полном окислении превращается в 2,72 г соответствующего оксида. Какой металл используется в качестве исходного реагента?

Решение. На основании закона эквивалентов составим пропорцию

.

Здесь m – масса реагента, - его эквивалентная масса.

Таким образом,

Из условия задачи находим m(O)=m(окс.)-m(M)=2,72 – 1,44 =1,28 (г).

Учтя, что (O) = 8 , получим

.

По определению грамм-атомная масса (A) простого вещества равна произведению его эквивалентной массы на валентность (υ)

.

В итоге, сравнив найденный результат с значениями средних масс, указанными в таблице Менделеева, приходим к выводу, что в качестве металла был использован алюминий.

Пример 2. Сколько граммов цинка растворилось в соляной кислоте, если известно, что в ходе этой реакции выделилось 1,2 л водорода.

Решение.С учётом объёмных отношений газообразных реагентов, из закона эквивалентов следует, что

,

где m - масса металла, - его эквивалентная масса, V – объём газообразного продукта реакции, - его грамм-эквивалентный объём.

Из данных таблицы Менделеева определим, что

Учтя, что ( )=11,2 л, получим окончательно:

Пример 3. Определите мольную массу эквивалентов ортофосфорной кислоты в реакции её нейтрализации гидроксидом калия с образованием соответствующего моногидрофосфата.

Решение.Из уравнения указанной реакции

следует, что число эквивалентности

Таким образом, .

Пример 4.Рассчитайте мольную массу эквивалентов перманганат-анионов, восстанавливаемых в кислой среде водного раствора.

Решение.В кислой среде осуществляется следующая полуреакция восстановления:

MnO^-₄

Как видно, Z = 5, (г / моль).

Контрольные задания

1.Составьте уравнения реакции полного (до ) и неполного (до ) окисления графита при его сгорании в атмосфере кислорода. Определите эквивалентные массы углерода в указанных реакциях.

Ответ: 3 и 6 (г/ моль-экв.)

2. Молярная масса эквивалента сульфида металла равна 36 г/ моль. Определите атомную массу металла и идентифицируйте его, учтя что валентность металла равна двум.

Ответ: 40 г/ моль.

3. При соединении серы с 5,6 г железа образовалось 8,8 г сульфида железа. Вычислите эквивалентную массу металла и его эквивалент, если известно, что сера в образуемом сульфиде двухвалентна.

Ответ: 28 г/ моль-экв.

4. Составьте уравнение реакции кальция с водным раствором хлорида алюминия, при котором образуется комплексное соединение . Вычислите эквивалентную массу в этой реакции.

Ответ: 33,4 г / моль-экв.

5. Как определяются эквивалентные массы многоосновных кислот и многоосновных оснований? Найдите эквивалентную массу ортофосфорной кислоты в реакции

.

Ответ: 49 г / моль-экв.

6. Одна и та же масса металла соединяется с 2,51 г галогена и с 180 см³ О₂. Вычислите эквивалентную массу галогена.

Ответ: 79,9 г / моль-экв.

7. Вычислите эквивалентную массу бихромат-аниона при его восстановлении в кислой среде по схеме:

Ответ: 36 г / моль-экв.

8. Избытком гидроксида натрия подействовали на водные растворы: а) хлорида алюминия, б) гидроксохлорида алюминия. Составьте уравнения реакций и определите эквивалентные массы указанных веществ.

Ответ: 26; 57,5 (г / моль-экв.)

9. Чему равны эквивалентные массы воды при ее реакциях:

а) с металлическим барием, б) оксидом бария?

Ответ: а) 18, б)9 (г / мол-экв.)

10. В какой массе гидроксида кальция находится столько же грамм-эквивалентов, сколько их содержится в 147 г ортофосфорной кислоты?

Ответ: 166,5 г.

11. На нейтрализацию 1,35 г серной кислоты израсходовано 1,1 г гидроксида щелочного металла. Какова формула этого гидроксида?

12. (см. ранее 18) Фосфор образует два различных по составу хлорида. Эквивалент какого элемента сохраняется постоянным? Назовите величины эквивалентных масс P и Cl в указанных соединениях.

Ответ: а) 10,3 и 35,5; б) 6,2 и

35,5 (г / моль экв.).

13. В состав соединения входит 24,8 % калия, 34,7 % марганца и 40,5 % (мас.) кислорода. Какова его эмпирическая формула и эквивалентная масса?

Ответ: 158,0 г / моль-экв.

14. При разложении 0,7 г оксида металла выделилось 36,2 мл кислорода, измеренного при нормальных условиях. Найдите эквивалентные массы оксида и металла.

Ответ: 108,3; 100,3 (г / моль-экв.).

15. Найдите простейшую формулу кислородного соединения хлора и его эквивалентную массу, если известно, что оно содержит 38,76 % (мас.) галогена.

Ответ: 13,1 г / моль-экв.

16. Навеска металла массой 5 г вытесняет из кислоты 4,61 л водорода и 13,1 г меди из раствора ее соли. Вычислите эквивалентные массы неизвестного металла и меди. Чему равна валентность последней?

Ответ: 12,2; 31,8 (г / моль-экв.).

17. В оксиде на два атома металла приходится три атома кислорода. Вычислите атомную массу металла, если известно, что содержание кислорода в его оксиде составляет 47% (масс.).

Ответ: 27,1 г / моль.

18. Назовите эквивалент и определите эквивалентную массу катионов свинца в приведенных реакциях:

а) Pb⁴⁺ + 2 = Pb²⁺ , б) Pb⁴⁺ + 4 OH^- = Pb(OH)₄.

Ответ: а) 103,6,

б) 51,8 (г / моль-экв.)

19. Эквивалентная масса трехвалентного металла равна 68,1 г/моль. Вычислите атомную массу металла, эквивалентную массу оксида и процентное содержание кислорода в оксиде.

Ответ: 204,3 г / моль-экв;

76,3 г / моль-экв; 10,5 % (масс.).

20. Молярная масса эквивалента металла составляет 23,8 г/ моль. Рассчитайте массовую долю металла в оксиде.

Ответ: 74,8 % (мас.).

СТРОЕНИЕ АТОМОВ

Введение

Современная теория строения атомов и молекул базируется на законах движения микрочастиц, обладающих очень малой массой, порядка 10^-27 – 10^-31 кг. Эти законы были сформулированы в 1923-27 годах и привели к созданию новой науки – квантовой механики. Установлено, что поведение микрочастиц принципиально отличается от поведения микрообъектов, изучаемых классической механикой.

Применение законов квантовой механики к химическим явлениям привело к созданию квантовой химии, которая является основой современной теории химической связи и строения вещества.

Движение электрона в атоме имеет 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, m₁). 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 (m₁) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (n, l, m_l, и 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 m₁(магнитное) – магнитный момент, m_s – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны и атомы должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому на АО могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами m_s = ± ¹/₂. Заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме – в порядке возрастания числа n. Соответственно по этому правилу последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s² < 2s² < 2p⁶ < 3s² < 3p⁶ < 4s² < 3d¹⁰ < 4p⁶ < 5s² < 4d¹⁰ < 5p⁶ < 6s²

< 5d¹ < 4f¹⁴ < 5d⁹ < 6p⁶ < 7s² < 6d¹ < 5f¹⁴ < 6d⁹ < 7p⁶ < 8s²……

Примеры решения задач

Пример 1.Напишите электронную формулу атома серы. К какому электронному семейству относится сера? Укажите валентные электроны, распределите их по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденных состояниях.

Решение. У атома серы порядковый номер 16 в таблице Д.И. Менделеева, поэтому – 16 электронов и последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней совпадает с электронной формулой (что характерно для элементов с порядковыми номерами от 1 до 20):

₁₆S – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

Последним заполняется p-подуровень, поэтому сера принадлежит к p-электронному семейству; содержит 6 валентных электронов – 3s² 3p⁴. Представим схему размещения валентных электронов в квантовых (энергетических) ячейках:

3s 3p 3d

₁₆S - ...

Валентность серы в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях H₂S, Na₂S, CaS.

У атома серы на 3d-подуровне имеются вакантные орбитали. При возбуждении атома происходит разъединение пар электронов и переход их на свободные орбитали.

Представим электронные конфигурации атома серы в возбужденных состояниях:

3s 3р 3d

а) ₁₆S^* - … , ₁₆S* - … 3s²3p³3d¹

Валентность серы равна 4, например, в соединениях SO₂, H₂SO₃

3s 3p 3d

б) ₁₆S^*- … S^* - … 3s¹ 3p³ 3d²

Валентность серы равна 6, например, в соединениях: SO₃, H₂SO₄.

Вывод: валентность серы в соединениях 2, 4, 6.

Пример 2.Составьте электронную формулу атома титана и ионов титана Ti²⁺ и Ti⁴⁺. К какому электронному семейству относится титан? Приведите электронные аналоги титана.

Решение. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней следующий:

₂₂Ti – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²

Титан принадлежит к d-электронному семейству.

Электронная формула титана имеет вид:

₂₂Ti – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²

Подчеркнуты валентные электроны.

Электронно-графические формулы валентных электронов атома титана в нормальном и возбужденном состояниях:

3d 4s 4p 4d 4f

₂₂ Ti -…

Валентность титана в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях: TiO, TiCl₂. Такая валентность обусловлена двумя неспаренными электронами, но вакантные орбитали на 4p-подуровне вносят дополнительный вклад в валентность и титан в некоторых соединениях проявляет валентность, равную 3, например, в соединении TiCl₃.

При возбуждении атома титана происходит распаривание 4s-электронов и переход их на 4p-подуровень, валентность титана в этом состоянии равна 4 (TiO₂, TiCl₄):

3d 4s 4p 4d 4f

₂₂Ti*-…

₂₂ Ti^* - … 3d² 4s¹ 4p¹ 4d⁰ 4f⁰

Сокращенная электронная формула атома титана:

₂₂ Ti - … 3d² 4s²

Электронные аналоги титана:

₄₀ Zr - … 4d² 5s²; ₇₂ Hf - …5d² 6s²

Электронные формулы ионов титана Ti²⁺ и Ti⁴⁺ соответственно:

₂₂Ti²⁺ - … 3d² 4s⁰; ₂₂Ti⁴⁺ - … 3d⁰ 4s⁰.

Контрольные задания

21. Структуры валентных электронных слоев выражаются формулами: а) 4s²4p²;

б) 5d⁴6s²; в) 4s¹. Составьте полные электронные формулы, определите порядковые номера, приведите названия элементов, определите принадлежность к электронным семействам.

22. Напишите электронную формулу атома кислорода. Какие элементарные частицы входят в состав атома? Рассчитайте длину волны де Бройля для молекулы кислорода, движущейся со скоростью 1000 м/с, учтите единицы измерения Джоуля [м²×кг×с^-2]. Возможно ли обнаружение волновой природы этой частицы?

23. В чем сущность a, b^-, b⁺ - радиоактивного распада? Изотопы какого элемента получатся в результате последовательного излучения 4a- и 2b-частиц атомным ядром ²³⁸U? Напишите сокращенную электронную формулу полученного изотопа элемента. Является ли полученный изотоп устойчивым или радиоактивным?

24. Напишите электронные формулы атома Te и иона Te^2-. Докажите, что валентность теллура в соединениях 2, 4, 6.

25. Напишите электронные формулы атома железа, ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Докажите с помощью электронно-графической схемы, что максимальная валентность железа в соединениях равна 6.

26. Что такое изотопы? Приведите примеры изотопов какого-либо элемента, напишите электронную формулу изотопов этого элемента. Почему изотопы элемента имеют сходные химические свойства?

27. Определите по правилу Клечковского последовательность заполнения электронами энергетических подуровней, если n+l=7. Какой элемент имеет валентные электроны 7s²?

28. Напишите электронные формулы атома стронция и иона Sr²⁺. Укажите валентность стронция в нормальном и возбужденном состояниях. Какие значения принимают кантовые числа для внешних электронов атома стронция?

29. Напишите значения всех четырех квантовых чисел для трех любых электронов на 4p-подуровне. Значениями какого квантового числа различаются три электрона указанного подуровня? Почему максимальное число электронов на p-подуровне равно 6?

30. По какому признаку элементы подразделяются на электронные семейства? Напишите электронные формулы атомов любых двух элементов пятого периода, принадлежащих к разным электронным семействам. Какие электроны этих элементов являются валентными? Какой подуровень заполняется раньше: 5s или 4d? Почему?

31. Какое состояние атома называется основным и какое – возбужденным? Чем ион отличается от нейтрального атома? Ответы на вопросы подтвердите написанием электронных формул атома брома и бромид-иона. Изобразите электронно-графические схемы атома брома в нормальном и возбужденных состояниях.

32. Напишите электронные формулы атома водорода и ионов Н⁺, Н^-. Какие элементарные частицы входят в состав атома водорода и ионов? Вычислите энергию связи электрона в электрон-Вольтах (эВ) на первой и пятой стационарных орбиталях атома водорода и сравните (<, >) их величины.

33. Структуры валентных электронных слоёв атомов элементов выражаются формулами:

а) 5s²5p⁴; б) 3d⁵4s¹; в) 7s². Определите порядковые номера, приведите названия элементов, а также укажите принадлежность к электронным семействам.

34. Составьте электронные формулы и электронно-графические схемы атомов элементов с порядковыми номерами 23 и 33 в нормальном и возбужденных состояниях. Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных аналогов.

35. На примерах галлия и марганца докажите, что имеется взаимосвязь строения атомов элементов с положением их в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

36. Напишите электронные формулы и электронно-графические схемы атомов фосфора и ванадия в нормальном и возбужденном состояниях. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

37. На каком основании иттрий (Z=39) и индий (Z=49) помещены в одну группу периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему они в разных подгруппах? Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных аналогов.

38. Напишите электронные формулы атома Ba и иона Ba²⁺. Какую валентность проявляет барий в нормальном и возбужденном состояниях? Структуру какого инертного газа имеет ион Ba²⁺?

39. Напишите электронную формулу атома технеция. Укажите валентные электроны. Распределите валентные электроны по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденном состояниях. Определите суммарный спин электронов в возбужденном состоянии.

40. Напишите электронную формулу атома меди; учтите, что у меди происходит провал одного 4s электрона на 3d-подуровень. Приведите электронные формулы двух последних уровней электронных аналогов меди.