Проанализируйте влияние сил межмолекулярного взаимодействия на свойства веществ (решите задачу с указанным номером).



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 21 (1, 3, 10, 15, 20) CF4; SiF62- 1 Ar; Cu
2 31 (4, 7, 21, 29, 30) NF3; ICl4+ 2 CCl4; CaCl2
3 41 (2, 6, 12 31, 40) H2O2; PCI6- 3 S8; Mg
4 51 (5, 11, 18, 37, 47) SO3; PO43- 4 P4; CuCl2
5 22 (9, 13, 19, 21, 22) PF3Cl2,H3PO3 5 C2H2Cl2; W
6 32 (10, 16, 27, 31, 32)   HNO2; CH3OCH3 6 NH3; Li3N
7 42 (14, 21, 28, 33, 39) CH3CH2OH; SO2 7 FeCl3; Fe
8 52 (5, 10, 15, 20,26)     CHCl3; SO42- 8 CH3OH SiO2
9 23 ( 4, 8, 12, 17, 22)   HClO3; CO32- 9 CH2O; MgO
10 33 (17, 21, 23, 29, 32)   ClO2-; SCl4 10 C2H5OH K2SO4
11 43 (4, 14, 24, 34, 43)     H2Se; COCl2 11 CH3COOH SiC
12 53 (5, 11, 17, 23, 51) AsH3; NO2 12 CH2Cl2; Ni
13 24  (8,12, 20, 21, 24) SiCl4; H2SO3 13 COF2; MgF2
14 34  (3, 7, 13, 20, 32) SCl2; HNO2 14 Ti; TiCl2
15 44  (7, 14, 19, 25, 43) SOCl2; HNO3 15 HF; KF
16 58 (8. 18, 28, 38. 48) KClO3; SO32- 16 BF3; BN
17 24 (7, 12, 16, 20, 25) H2SO4; C2H3F 17 CH3CHO Cr
18 35  (3, 11, 19, 31, 34) SO2; HNO3 18 COCl2; KCl
19 45  (6, 16, 26, 36, 45) Na2SO3; HClO4 19 HCOOH; Ne
20 55  (21, 23, 27, 37, 48) CH3СOOН; IBr3 20 Ni; NiCl2
21 26  (7, 9, 21, 23, 26) CH3CH2СOOН SiF62-;   21 C2H4Cl2; V
22 38 (31, 33, 35, 37, 38)   C2H4Cl2; BrF5 22 Br2; KBr
23 46  (14, 24, 34, 44, 46) C2H2 ; SF6 23 CHCl3; Zn
24 56  (12, 23, 35, 48, 54) H2CO3; CH3СOONa 24 CH3NH2; Ag
25 27  (3, 13, 17, 21, 26) HCCl3 ; HClO4 25 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
2 1 0 0 -1/2
4 2 0 0 -1/2
6 2 1 0 +1/2
18 3 1 +1 -1/2
19 4 0 0 +1/2

 

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

 

 


    px      py    Pz

для d-подуровня

 

-2
2
1
0
-1
                  

При определении ms условно принимаем направление стрелочки вверх за положительное значение спинового квантового числа, то есть ms= + ½; вниз - за отрицательное, то есть ms = - 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 2
Число вакантных орбиталей 15(4px4py4pz;4d; 4f) 14 (4py 4pz; 4d; 4f)
Высшая степень окисления - +2
Низшая степень окисления 0 -

 

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 1s22s263s26; ионный радиус составляет 0.97А.

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

 

 
19 К+ 1s22s22p63s23p6
18 Аг ls22s22p63s23p6
17 Cl- 1s22s22p63s23p6
16 S2- ls22s22p63s23p6
21 3+ 1s22s22p63s23p6
22 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
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 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 0.6 1.2 1.8 2.2 2.6
Степень ионности связи, % 0 7 25 47 61 74

 

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

1 2 3 4 5

6

2 линейное 2 0 линейная =Х= линейная

СO2, N2O, HCN

3 треугольное равностороннее 3   2 0   1

плоская

треугольная

изогнутая

 

SO3, BF3, СН2О CO32-,NO3-   SO2, NO2-
             

Продолжение

1 2 3 4 5 6
4 тетраэдрическое 4     3   2 0     1   2 тетраэдричес-кая тригональная пирамидальная изогнутая CH4, NH4+ SO42- BF4-     NH3, ClO3-, SO32- PCl3     H3O+ H2O  ClO2-
5 тригональное бипирамидальное 5   4     3     2 0   1     2     3 тригональная бипирамидаль-ная «ходульная» Т-образная линейная PCl5 SbCl5       SF4     TeCl4     ClF3     BrF3 XeF2     J3-
6 октаэдрическое 6   5   4 0   1   2 октаэдрическая пирамидальная квадратная плоская квадратная SF6 SiF2- PF6- BrF5,ХeOF4, SbCl5       BrF4-,  ХeF4

 


Задания по теме

«МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ»

Проанализируйте влияние сил межмолекулярного взаимодействия на свойства веществ (решите задачу с указанным номером).

Задачи

3.1.1.Чем отличается взаимодействие между атомами или молекулами за счет ванн-дер-ваальсовых сил от химического взаимодействия?

3.1.2. За счет каких связей может осуществиться взаимодействие между молекулами:

а) Н2 и О2;   H2 и Н2О;

б) NF3 и BF3; HCl и HCl;

в) HF и HF    N2и N2?

3.1.3. Определите, для какого из перечисленных веществ характерна наибольшая энергия ориентационного и дисперсионного взаимодействия:

 

Свойство He Ar CO HCl NH3 H2O
Дипольный момент μ, Д 0 0 0,12 1,03 1,5 1,84
поляризуемость,А0 0,20 1,63 1,99 2,63 2,21 1,48

 

3.1.4. Чем объяснить близость температур кипения азота (-195,8°С), кислорода (-1830, С) и фтора (-187,9° С)?

Почему намного отличается от них температура кипения хлора                (-34°С)?

3.1.5.Можно ли образование водородных связей между молекулами рассматривать как результат ориентационного взаимодействия сильнополярных молекул?

3.1.6. Между молекулами каких веществ могут образовываться водородные связи: HF, HI, H2O, H2Te, NH3, PH3, CH4, SiH4?

3.1.7. Объясните различие во вкладе отдельных видов межмолекулярного взаимодействия в общую энергию этого взаимодействия для приведенных веществ. Проанализируйте зависимость температуры кипения этих веществ от энергии их межмолекулярного взаимодействия

 

Молекулы

Энергия межмолекулярного взаимодействия, кДж/моль

Ткип.,К

ориентационного индукционного дисперсионного общая
Аr 0 0 8,50 8,50 76
СО 0 0 8,75 8,75 81
HCl 3,31 1,00 16,83 21,14 188
NH3 13,31 1,55 14,74 29,60 239
H2O 36,38 1,93 9,00 47,31 373

 

3.1.8. Чем объяснить разную энергию водородных связей, образуемых молекулами различных веществ? Сравните:

Связь:              F - H...F-   О - Н...О-    N - H...N- O - H...N-

Е, ккал/моль:         6-8              3-7               3-5            4-7

3.1.9.Какие из перечисленных явлений можно объяснить формированием прочной водородной связи: 1) кальций взаимодействует с водородом с образованием гидрида кальция; 2) реакция хлора с водородом имеет цепной характер; 3)температура кипения Н2О выше, чем Н2S; 4) температура кипения C7H16 выше, чем C3H8? Дайте обоснованный ответ.

3.1.10.Объясните причину различия межъядерных расстояний водород-кислород в решетке льда (1 и 1,5А0) и в димере уксусной кислоты (1 и 2,76А).

3.1.11.Объясните закономерности в изменении температур плавления простых веществ: а) в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода?

3.1.12.Как и почему изменяются температуры плавления и кипения в ряду инертных газов? Какое вещество и почему имеет самую низкую температуру кипения и плавления?

3.1.13.Объясните, почему температура плавления Н2О значительно выше температуры плавления HF (-83°С), хотя дипольный момент молекулы Н2О (1,84 Д)меньше, чем молекулы HF (1,91 Д).

3.1.14.Проанализируйте влияние межмолекулярной водородной связи на температуру кипения:

а) гидридов р-элементов V группы ;

б) гидридов р-элементов VI группы;

в) гидридов р-элементов VII группы .

3.1.15.Почему происходит резкий скачок в температурах кипения при переходе от галогенида III группы к галогениду IV группы:

              NaF        MgF2      AlF3      SiF4       PF5     SF6

Т.кип.,°С 1700        2260        1257       - 95       -85       -64

3.1.16.Чем вызвано увеличение Т кип. и теплоты испарения ΔНиспар с ростом порядкового номера элемента - благородного газа?

                 Не         Ne           Аг          Кг            Xe      Rn

Т.кип.,К:            4,2        27            87              120          165     211

ΔНиспар,ккал/моль: 0,02     0,43          1,56        2,16         3,02   4,01

3.1.17.Температуры кипения указанных веществ возрастают монотонно. Объясните это явление.

а)                             ВF3                   BCI3                 ВВг3

Т. кип,К:                172                    286                   364

б)                             NF3                   PF3                  AsF3

Т.кип.,K:                 I44                    178                   336 .

3.1.18.Чем объяснить уменьшение Тпл. в ряду: Sb – Te - I - Хе соответственно: 631; 450; 113; - 1110С?

Как изменяется характер химической связи в твердых веществах в этом ряду?

3.1.19.Объясните близость физических констант СО и N2и значительное отличие свойств Ne:

                                           СО                  N2                   Ne

ΔНиспар, ккал/моль:          1,44                1,34                   0,43

Т.кип., К:                        81,7                 77,4                  27

3.1.20.В каких веществах наблюдаются ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия?

Какие межмолекулярные взаимодействия возникают в веществах:

                   Не    CO2         SiO2    CH4     H2O    Br2     NaCl

Т.пл., К:               3,3      -      2000     89     273    267    1073

Т.кип.,К:              4,2    194   2500     111   373    332     1690?

3.1.21.Проанализируйте справочные значения температур кипения:  СН4, СН3С1, СН2С12, СНС13, СС14.

Сделайте выводы.

3.1.22.Какое вещество имеет более высокие температуры кипения и плавления:

а) HCOCH3; б) CH3COOH; в) С2Н2? Дайте объяснения.

3.1.23. У какого соединения С2Н5ОН или C2H5SH выше температура кипения? Почему? Подтвердите свои выводы справочными данными.

3.1.24. Объясните причину того, что Н2О2 кипит при значительно более высокой температуре (150° С) по сравнению с водой, хотя их температуры плавления близки (0 и -0,46°С)

3.1.25. Проанализируйте справочные значения температур кипения для веществ: C3H8; CH3COCH3; C2H5COOH. Сделайте выводы.


Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!