Пример решения задания 1

СБОРНИК ЗАДАНИЙ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

СБОРНИК ЗАДАНИЙ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ»

Учебное пособие

Под общей редакцией доцента Саловой Л.Е.

Уфа 2009

УДК 54(07)

ББК 24.1 я7

С 23

Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия

Авторы: Л.Е.Салова, Ю.И.Пузин, О.Б.Чалова, С.С.Злотский, Л.Н.Зорина, А.Т.Чанышева, Ф.Н.Латыпова, Л.З.Рольник, М.А.Молявко, Л.Г.Сергеева, М.Н.Назаров, О.И.Михайленко, С.Б.Денисова, О.Ф.Булатова, Ф.Б.Шевляков

Рецензенты:

Доктор химических наук зав.кафедрой

«Общая химия» БГМУ профессор Е.В.Пастушенко

Кандидат химических наук УГАЭС доцент И.П.Журкина

С 23 Сборник заданий для самостоятельной работы студентов по дисциплине

«Химия» /Л.Е.Салова и др.; под общ. Ред. Доц. Саловой Л.Е.- Уфа: Изд-

во УГНТУ, 2009.-139с.

ISBN 978-5-7831-0861-7

Сборник заданий для самостоятельной работы студентов первого курса нехимических специальностей включает задания в виде вопросов и задач, примеры решений, варианты заданий и списки рекомендуемой литературы к каждой теме.

УДК 54(07)

ББК 24.1 я7

ISBN 978-5-7831-0861-7 © Уфимский государственный нефтяной

технический университет, 2009

© Салова Л.Е., Пузин Ю.И., Злотский С.С.,

Рольник Л.З., Чалова О.Б., Назаров М.Н., ЗоринаЛ.Н., ЧанышеваА.Т., Латыпова Ф.Н., Молявко М.А., Сергеева Л.Г., Михайленко О.И., Денисова С.Б., Булатова О.Ф., Шевляков Ф.Б., 2009

Содержание

	Задание 1. по теме «Строение вещества»
	Задание 2. по теме «Термохимия. Направление химичес- ких реакций»
	Задание 3. по теме «Химическая кинетика и равновесие»
	Задание 4. по теме «Растворы»
	Задание 5. по теме «Растворы электролитов»
	Задание 6. по теме «Гидролиз солей»
	Задание 7. по теме Окислительно-восстановительные реакции. Электрохимия»
	Задание 8. по теме «Классификация неорганических веществ. Свойства»
	Задание 9. по теме «Химия воды. Жесткость воды»
	Задание 10. по теме «Дисперсные системы»

ЗАДАНИЕ №1 по теме "СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА"

Таблица 1.

Варианты домашнего задания по теме «Строение вещества»

. Номер вари-анта	Задание 1	Задание 2	Задание 3
Поряд-ковый номер эле-мента	Номер электрона в атоме	Задание 3.1 (Номер задачи)	Задание 3.2
I		(1, 3, 10, 15, 20)	CF4; SiF62-		Ar; Cu
		(4, 7, 21, 29, 30)	NF3; ICl4+		CCl4; CaCl2
		(2, 6, 12 31, 40)	H2O2; PCI6-		S8; Mg
		(5, 11, 18, 37, 47)	SO3; PO43-		P4; CuCl2
		(9, 13, 19, 21, 22)	PF3Cl2,H3PO3		C2H2Cl2; W
		(10, 16, 27, 31, 32)	HNO2; CH3OCH3		NH3; Li3N
		(14, 21, 28, 33, 39)	CH3CH2OH; SO2		FeCl3; Fe
		(5, 10, 15, 20,26)	CHCl3; SO42-		CH3OH SiO2
		( 4, 8, 12, 17,22)	HClO3; CO32-		CH2O; MgO
		(17, 21, 23,29, 32)	ClO2-; SCl4		C2H5OH K2SO4
		(4, 14, 24, 34, 43)	H2Se; COCl2		CH3COOH SiC
		(5, 11,17, 23, 51)	AsH3; NO2		CH2Cl2; Ni
		(8,12, 20, 21, 24)	SiCl4; H2SO3		COF2; MgF2
		(3, 7, 13, 20, 32)	SCl2; HNO2		Ti; TiCl2
		(7, 14, 19, 25, 43)	SOCl2; HNO3		HF; KF
		(8. 18, 28, 38. 48)	KClO3; SO32-		BF3; BN
		(7, 12, 16, 20, 25)	H2SO4; C2H3F		CH3CHO Cr
		(3, 11, 19, 31, 34)	SO2; HNO3		COCl2; KCl
		(6, 16, 26, 36, 45)	Na2SO3; HClO4		HCOOH; Ne
		(21, 23, 27, 37, 48)	CH3СOOН; IBr3		Ni; NiCl2
		(7, 9, 21, 23, 26)	CH3CH2СOOН SiF62-;		C2H4Cl2; V
		(31, 33, 35, 37, 38)	C2H4Cl2; BrF5		Br2; KBr
		(14, 24, 34, 44, 46)	C2H2 ; SF6		CHCl3; Zn
		(12, 23, 35, 48, 54)	H2CO3; CH3СOONa		CH3NH2; Ag
		(3, 13, 17, 21, 26)	HCCl3 ; HClO4		SiF4; Na2S

Задание по теме «СТРОЕНИЕ АТОМА»

1.1 Напишите электронно-графическую формулу атома элемента с указанным порядковым номером. Впишите в таблицу значения квантовых чисел, характеризующих электроны в основном состоянии (в задании указаны номера электронов в порядке заполнения атомных орбиталей)

Номер электрона	Значение квантовых чисел
n	l	ml	ms

Какие из четырех квантовых чисел определяют энергию электрона в атоме? Какие из них характеризуют форму орбитали и её расположение в пространстве?

1.2. Укажите тип элемента (s-, p-, d-, f-), он относится к металлам или неметаллам. Укажите валентные электроны атома данного элемента. Каковы его валентные возможности? Если возбужденные состояния возможны для данного атома, то запишите их с помощью электронных формул. Если невозможны, - объясните почему. Сколько неспаренных электронов имеется в атоме в основном состоянии и сколько – в возбужденном состояниях? Сколько вакантных орбиталей имеется в атоме в основном и возбужденном состояниях? Определите высшую и низшую степени окисления атома данного элемента. Какие свойства - окислительные, восстановительные или и те, и другие - будет проявлять атом в высшей, низшей и других степенях окисления?

1.3. Какие ионы может образовать атом данного элемента? Запишите их электронные формулы. Как изменяются их ионные радиусы? Приведите примеры изоэлектронных частиц.

1.4. Проанализируйте характер изменения первых пяти энергий (потенциалов) ионизации на основании изменения заряда частицы и её радиуса. Запишите схемы происходящих процессов. Подтвердите, по возможности, выводы справочными значениями энергий ионизации.

1.5. Определите электронные аналоги элемента и составьте их электронные формулы. Запишите общую электронную формулу валентных электронов для элементов данной подгруппы. Чем объяснить сходство в химических свойствах этих элементов? Как изменяются свойства атомов элементов одной подгруппы (радиусы, энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность, окислительно-восстановительные свойства)? Подтвердите свои выводы справочными данными.

1.6. Как изменяются свойства (см.п.1.5) атомов данного элемента по сравнению с элементами-соседями по периоду? Свои выводы, по возможности, подтвердите справочными данными.

Пример решения задания 1

Вам выдано домашнее задание в виде нескольких чисел, например 20 (2,4,6,18,19). Первая цифра означает номер элемента в Периодической системе. Следовательно, элемент №20 -кальций, химический символ Са. Цифры в скобках указывают номера электронов в оболочке атома кальция, состояние которых надо охарактеризовать с помощью четырех квантовых чисел. Теперь переходим к выполнению задания 1 по пунктам 1 - 6.

Решение:

1.1. Запишем электронно-графическую формулу атома элемента №20, найдем и подчеркнем указанные в задании пять электронов в его оболочке (пользуясь правилом Гунда):

а) полная электронная формула:

₂₀Ca 1s² 2s² 2p⁶3s²3p⁶4s²;

б) краткая электронная формула:

₂₀Ca [Ar]4s²;

в) электронно-графическая формула

Определим квантовые числа для заданных электронов в атоме кальция и составим табл. 2.

Таблица 2

Значения квантовых чисел для электронов в атоме кальция

Номер электрона	Значения квантовых чисел
n	l	ml	ms
				-1/2
				-1/2
				+1/2
			+1	-1/2
				+1/2

При определении m_l исходим из предположения, что орбитали каждого подуровня заполняются в порядке увеличения m_l от наименьшего отрицательного значения к наибольшему положительному, т.е. при l=1 m_l изменяется [–1,0,+1], следовательно, для p-подуровня

p_x p_{y Pz}

для d-подуровня

-2

-1

При определении m_s условно принимаем направление стрелочки вверх за положительное значение спинового квантового числа, то есть m_s= + ½; вниз - за отрицательное, то есть m_s = - l/2.

1.2. Существует четыре типа элементов s-, p- ,d- f- . Валентные электроны – это электроны внешнего электронного слоя, а также предвнешнего подуровня, который заполняется в данном атоме. Таким образом, валентные электроны Са – 4s² и, следовательно, Са - s- элемент, металл. В основном состоянии кальций 0-валентен, так как не имеет неспаренных электронов. Возбуждение возможно, так как на внешнем уровне есть вакантные орбитали: ₂₀Са^* 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹4p¹.

Ca*…4s 4р

В возбужденном состоянии атом кальция содержит два неспаренных электрона, поэтому в соединениях кальций двухвалентен.

Таблица 3

Валентные возможности атома кальция

Показатель	Основное состояние	Возбужденное состояние
Число неспаренных электро-нов	нет
Число вакантных орбиталей	15(4px4py4pz;4d; 4f)	14 (4py 4pz; 4d; 4f)
Высшая степень окисления	-	+2
Низшая степень окисления		-

1.3. Характерные степени окисления элементов, его валентности и наиболее устойчивые ионы, которые он может образовать, определяются конфигурацией валентных электронных слоев. Атом кальция может образовать только ион Са²⁺, так как на внешнем слое у него только 2 валентных электрона. Его электронная формула 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶; ионный радиус составляет 0.97А.

Изоэлектронными являются частицы, имеющие одинаковую электронную конфигурацию. Поэтому изоэлектронными по отношению к иону Са²⁺ будут следующие частицы:

	К+	1s22s22p63s23p6
	Аг	ls22s22p63s23p6
	Cl-	1s22s22p63s23p6
	S2-	ls22s22p63s23p6
	Sс3+	1s22s22p63s23p6
	Ti4+	1s22s22p63s23p6

При ответе на этот вопрос для d– и f- элементов, полезно просмотреть учебную литературу по химии элементов.

1.4. Запишем схемы процессов последовательного отрыва пяти электронов от атома кальция, которым соответствуют первые пять энергий (потенциалов) ионизации:

Са° - е = Са+ I1 = 6,11 эВ	Са+ - е = Са2+ I2 = 11,87 эВ	Са2+ - е = Са3+ I3 = 51,0 эВ
Са3+ - е = Са4+ I4 = нет данных	Са4+ - е = Са5+ I5 = нет данных

С отрывом каждого последующего электрона увеличивается заряд частицы от 0 до +5 и уменьшается её радиус, так как при одном и том же заряде ядра число электронов убывает, и оставшиеся сильнее притягиваются к ядру. Поэтому каждый последующий потенциал больше, чем предыдущий. Резкое увеличение потенциала ионизации происходит при отрыве электрона с внутреннего уровня, например, сравним I₃ = 51,0эВ >> I₂ = 11,87эВ.

1.5. Электронными аналогами являются элементы, имеющие подобные конфигурации валентных электронных слоев. Они могут быть описаны общей электронной формулой и являются элементами одной подгруппы Периодической системы.

Электронные аналоги кальция: Be, Mg, Sr, Ba, Ra. Общая электронная формула валентных электронов: Э ...ns². Все элементы - металлы, относятся ко 2 группе, главной подгруппе. Радиусы атомов элементов с увеличением заряда ядра в подгруппе (в направлении сверху вниз) увеличиваются, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность в этом направлении уменьшается, восстановительная способность увеличивается (табл. 4).

Таблица 4

Изменение свойств атомов элементов одной подгруппы

Элемент	Атомные радиусы, rат. Ао	Энергия ионизации I1, эВ	Энергия сродства к е Е, эВ	Электроотрицательность (по Полин-гу)
Be	1,13	9,32	0,19	1.5
Mg	1,60	7,64	-0,32	1.2
Са	1,95	6,11	-	1,0
Sr	2,15	5,69	-	1,0
Ва	2.21	5,21	-	0,9
Rа	2,35	5,28	-	-

1.6. Элементами-соседями кальция по периоду являются К и Sс. Их свойства приведены в табл. 5.

Таблица 5

Изменение свойств атомов элементов одного периода

Свойства	Элементы
К (К+)	Ca(Ca2+)	Sc(Sс3+)
Атомные радиусы, А0	2,31	1,97	1,6
Ионные радиусы, А0	1,33	0,97	0,81
Энергия ионизации I1, эВ	4,34	6,11	6,54
Энергия сродства к е-, эВ	0,82	-	-
Электроотрицательность (по Полингу)	0,80		1,3

увеличиваются окислительные свойства ионов

увеличиваются восстановительные свойства металлов

ЗаданиЯ по теме

«КОВАЛЕНТНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСТИЦ»

2.1.Опишите строение предложенных в варианте задания молекул и молекулярных ионов по методу валентных связей (МВС):

а) составьте структурную формулу;

б) определите геометрию молекулы (молекулярного иона) по методу отталкивания валентных электронных пар;

в) определите полярность связей и полярность молекулярной частицы;

г) объясните, как образуются связи:

- укажите, какие связи (σ, π) в молекулярной частице;

- механизм образования (обменный или донорно-акцепторный);

- из каких частиц (атомов, ионов) формируется молекулярная частица;

- составьте электронно-графические формулы валентных электронов (в основном и возбужденном состояниях);

- определите тип гибридизации атомных орбиталей центрального атома;

- составьте схему перекрывания атомных орбиталей, при образовании

σ – связей;

- опишите, как образуются π- связи.

Пример

Описать строение молекулы NH₃ по методу валентных связей (МВС).

Решение:

Составим электронные формулы атомов.

₇N 1s²2s²2p³ валентные электроны 2s²2p³; ↑ ↓ ↑ ↑ ↑

₁H 1s¹ валентный электрон 1s¹ ↓

Атом азота имеет три неспаренных электрона и четыре валентные атомные орбитали. Возбужденное состояние для него энергетически невыгодно, так как в валентном уровне нет свободных орбиталей. Валентность атома азота в соединениях может быть 3 или максимально – 4. У атома водорода один неспаренный электрон и его валентность в соединениях только 1.

Атом N является центральным, вокруг которого координируются атомы Н.

Можно записать структурную формулу молекулы NH₃.

Атом азота находится в основном состоянии. Три неспаренных электрона образуют три ковалентные σ- связи по обменному механизму. В образовании связей у атома азота принимают участие одна s-орбиталь и три p-орбитали (с учетом неподеленной пары электронов). Следовательно, должна наблюдаться sp³- гибридизация валентных атомных орбиталей атома азота.

σ-Связи N-H образуются по обменному механизму перекрыванием sp³-гибридных атомных орбиталей атома азота и 1s-орбиталей атомов водорода.

sp³ –Гибридные атомные орбитали ориентированы из центра тетраэдра к его вершинам, под углом 109°28'. Одна из вершин «тетраэдра» (в направлении неподеленной электронной пары) остается свободной. Таким образом, молекула NH₃ имеет геометрическую форму треугольной пирамиды, вершиной которой является атом азота, а в основании находятся атомы водорода. Валентный угол между связями HNH должен составлять 109°28'.

Степень ионности связи N-H находим на основании табл. 6 и 7. Чем выше различие в ЭО, тем в большей степени cвязь приближается к ионной. Например, для связи Н-F: ΔЭО=4-2,1=1,9; следовательно, связь полярно-ионная на 50%.

Рассчитаем ионность связи N-H. Значение ∆ЭО=0,9 находится между значениями 0,6 и 1,2. Разница 1,2-0,6=0,6 единиц, разница степени ионности: (25 – 7 = 18). Разница ∆ЭО в нашем случае: (0,9 - 0,6 = 0,3). На разность ∆ЭО = 0,3 приходится разность степени ионности, рассчитанная по пропорции:

0,6 - 18 х=9.

0,3 - х

Прибавляем 9 к меньшему значению 7 и получаем степень ионности связи N-H: (7 + 9=16%).

Так как σ - связи молекулы полярные и молекула NH₃ имеет несимметричное строение, то суммарный дипольный момент молекулы не равен 0 (μ≠0), т.е. молекула NH₃- полярная и ее можно представить как диполь, в котором избыточный отрицательный заряд находится на азоте, а положительный на атомах водорода.

Теоретический валентный угол HNH (без учета гибридизации) равен 90°, но так как наблюдается sp³-гибридизация, валентный угол должен приблизиться к 109°28', справочные данные -107°.

Таблица 6

Определение степени ионности связи

ΔЭО		0.6	1.2	1.8	2.2	2.6
Степень ионности связи, %

Таблица 7

Относительные электроотрицательности элементов (по Полингу)

Н 2,2

Li 1,0

Be 1,6

В 1,8

C 2,5

N 3,0

O 3,4

F 4,0

Nа 0,93

Mg 4,3

Al 1,6

Si 1,9

P 2,2

S 2,6

Cl 3,2

K 0,82

Ca 1,0

Sc 1,4

Ti 1,5

V 1,6

Cr 1,7

Mn 1,6

Fe 1,8

Co 1,9

Ni 1,9

Cu 2,0

Zn 1,6

Gd 1,8

Ge 2,0

As 2,2

Se 2,6

Br 3,0

Rb 0,82

Sr 0,9

Y 1,2

Zr 1,5

Nb 1,6

Mo 2,2

Tc -

Ru 2,2

Rh 2,3

Pd 2,2

Ag 1,9

Cd 1,7

In 1,6

Sn 1,8

Sb 2,0

Te 2,1

I 2,7

Cs 0,79

Ba 0,9

Pt 2,3

Au 2,5

Hg 2,0

Tl 2,0

Pb 2,3

Bi 2,0

PO -

Значения, указанные для переходных металлов, относятся к состоянию окисления +2.

Таблица 8

Геометрия основных типов молекулярных структур

Число стерео-активных электр. пар	Расположение Электронных пар	Число связы-вающих электр. пар	Число непо-делен-ных пар	Геометрия молекулы	Примеры
	линейное			линейная =Х= линейная	СO2, N2O, HCN
	треугольное равностороннее			плоская треугольная изогнутая	SO3, BF3, СН2О CO32-,NO3-   SO2, NO2-

Продолжение

	тетраэдрическое			тетраэдричес-кая тригональная пирамидальная изогнутая	CH4, NH4+ SO42- BF4-     NH3, ClO3-, SO32- PCl3 H3O+ H2O ClO2-
	тригональное бипирамидальное			тригональная бипирамидаль-ная «ходульная» Т-образная линейная	PCl5 SbCl5       SF4 TeCl4     ClF3 BrF3 XeF2 J3-
	октаэдрическое			октаэдрическая пирамидальная квадратная плоская квадратная	SF6 SiF2- PF6- BrF5,ХeOF4, SbCl5       BrF4-, ХeF4

Задания по теме

«МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ»