Примеры решения расчетных задач по общей химии
Анализ энергии валентных электронов атома
Задача 507.
Какой элемент углерод или кремний обладает большим сродством к электрону, энергией ионизации и электроотрицательностью. Ответ дать на основе анализа энергии валентных электронов.
Решение:
Элементы углерод (С) и кремний (Si) находятся в ΙV А группе в таблице Менделеева.
В группе радиус атома увеличивается с увеличением заряда атомных ядер (сверху вниз). Чем больше период, тем больше электронных орбиталей вокруг атома, соответственно, и больше его радиус. С уменьшением заряда атома в группе радиус атома уменьшается (снизу вверх). Это связано с уменьшением количества электронных орбиталей вокруг атома. r(C) = 0,77 Ангстрем; r(Si) = 1,18 Ангстрем.
1. Сродство к электрону − это энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в процессе присоединения электрона к атому (Еср):
Э + ē = Э- – Еср.
Сродство к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации отрицательно заряженного иона (Э-). Сродство атома к электрону отчасти характеризует окислительную активность простого вещества. Чем больше сродство к электрону, тем выше окислительная способность простого вещества.
Энергия сродства к электрону у атома углерода (1,263 эВ) меньше, чем у атома кремния (1,385 эВ), что связано с меньшим радиусом атома углерода (0,77 Ангстрем), чем у атома кремния (1,18 Ангстрем), что определяет его сильным межэлектронным отталкиванием при присоединении электрона к атому.
2. Энергия ионизации - это количество энергии, которое изолированный атом в основном электронном состоянии должен поглотить для освобождения электрона, в результате чего образуется ион.
С увеличением радиуса ядра атомов элементов главных подгрупп энергия ионизации уменьшается, что свидетельствует об усилении металлических свойств и, соответственно, ослаблении неметаллических свойств.
Эта закономерность связана с возрастанием радиусов атомов. Кроме того, увеличение промежуточных электронных слоев приводит к более сильному экранированию ядра, т. е. к уменьшению его эффективного заряда. Оба эти фактора (растущее удаление внешних электронов от ядра и уменьшение эффективного заряда) приводят к ослаблению связи внешних электронов с ядром и, следовательно, к уменьшению энергии ионизации.
Таким образом, так как радиус атома углерода меньше, чем у кремния, то энергия ионизации его имеет большее значение.
I1(C) = 11,256 эВ; I1(Si) = 8,149 эВ.
3. Электроотрицатедьность - это способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Очевидно, что эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (Малликен) электроотрицательность атома может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону:
χ* = ½(IА + Eср).
По Малликену χ*(С) = 6,26, χ*(Si) = 4,77; по Поллингу - χ*(С) = 2,55; χ*(Si) = 1,9.
У элементов главных подгрупп электроотрицательность уменьшается сверху вниз в таблице Менделеева. Это связано с возрастанием числа электронных оболочек, на последней из которых электроны притягиваются к ядру всё слабее и слабее.
Существуют несколько различных шкал электроотрицательностей элементов: шкала Поллинга (эВ1/2), шкала Малликена (эВ). шкала Аллена (эВ), шкала Мартынова и Бацанова ((эВ1/2)), шкала Оганова (безразмерные значения) и другие.
Опрделение элемента по значениям квантовых чисел
Задача 508.
Определить элемент, последний по порядку заполнения электрон которого характеризуется следующими значениями квантовых чисел. Представьте электронную формулу в порядке заполнения орбиталей выбранного элемента:
n = 4, l = 1, mi = 0, ms = -1/2.
Решение:
Главное квантовое число (n) характеризует энергию электрона в атоме и размер электронной орбитали. Оно соответствует также номеру электронного слоя, на котором находится электрон. Значит, последний электрон в атоме элемента находится на 4 электронном слое, так как n = 4.
Побочное (орбитальное) квантовое число (l) характеризует различное энергетическое состояние электронов на данном уровне, форму орбитали, орбитальный момент импульса электрона. При l = 1 (p-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели. Значит, электрон находится на р-орбитали, так как n = 4, l = 1, то электрон находится на 4р-орбитали.
Магнитное квантовое число (mi) характеризует ориентацию орбитали в пространстве, а также определяет величину проекции орбитального момента импульса на ось Z. mi принимает значения от +1 до -1, включая 0. Общее число значений mi равно числу орбитальных ячеек в данной электронной оболочке, р-орбиталь содержит три орбитальные ячейки, поэтому три значения mi для р-орбитали (+1, 0 до -1). Так как mi = 0, то гантелеобразная орбиталь данного электрона ориентирована в пространстве вертикально.
Магнитное спиновое квантовое число (ms) характеризует проекцию собственного момента импульса электрона на ось Z и принимает значения (+1/2) и (–1/2), при значении (+1/2) электронное облако вращается по часовой стрелке вокруг своей оси, при (–1/2) - вращается против часовой стрелки. Так как в нашем примере ms = (-1/2), то электронное облако последнего электрона вращается против часовой стрелки.
Тогда
Квантовым числам n = 4, l = 1, mi = 0, ms =-1/2 последнего по порядку заполнения электрона атома, соответствует атому брома:
+35Br ...4Р5.
Бром – 35 элемент периодической таблицы. Электронная формула брома имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5.
Валентные электроны находятся на 4s и 4р подуровнях - это 4s2 и 4p5. Действительно, бром имеет максимальную валентность (7), поэтому расположен в седьмой группе таблицы Д. И. Менделеева.
Расчет молярной массы эквивалентов вещества
Задача 509.
Рассчитать молярные массы эквивалентов: серной кислоты, хлорида магния, оксида железа (ΙΙ).
Решение:
М(H2SO4) = 98,079 г/моль;
M(МgCl2) = 95,211 г/моль;
M(FeO) = 71,844 г/моль;
Мэ(H2SO4) = ?
Mэ(МgCl2) = ?
Mэ(FeO) = ?
1) Мэ(кислоты) = М(кислоты)/основность кислоты.
Тогда
Мэ(H2SO4) = М(H2SO4)/2 = 98,079/2 = 49,0395 г/моль.
2) Мэ(соли) = М(соли)/(n . B), где
n - число атомов металла; В - валентность металла.
Тогда
Mэ(МgCl2) = M(МgCl2)/(1 . 2) = 95,211/(1 . 2) = 47,6055 г/моль.
3) Mэ(оксида) = M(оксида)/(n . В), где
n - число атомов элемента; В - валентность элемента.
Тогда
Mэ(FeO) = M(FeO)/(1 . 1) = 71,844\(1 . 1) = 71,844 г/моль.
Ответ:
Мэ(H2SO4) = 49,0395 г/моль;
Mэ(МgCl2) = 47,6055 г/моль;
Mэ(FeO) = 71,844 г/моль.
Приготовление раствора соляной кислоты
Задача 510.
Сколько миллилитров хлороводородной кислоты (р = 1,09) необходимо взять для приготовления 300 мл 0,2 N раствора?
Решение:
С(p-pa) = 0,2 H = 0,2 M;
р = 1,09 г/мл;
М(HCl) = 36,46 г/моль;
V(HCl) = ?
Исходя из табличных значений плотности растворов методом линейной интерполяции находим, что молярность хлороводородной кислоты (р = 1,09) равна 5,11 моль/л.
Для нахождения массы соляной кислоты, содержащейся в 300 мл 0,2 N раствора, а также объёма 5,11 М раствора можно использовать формулу:
С(В) = [m(B) . 1000]/[M(B) . V(мл)], где
С(В) - молярная концентрация вещества (В);
M(B) - молярная масса вещества (В);
m(B) – масса растворённого вещества (В);
V(мл) – объём приготовленного раствора.
Тогда
m(HCl) = [C(p-pa) . М(HCl) . V(мл)]/1000 =
= (0,2 . 36,46 . 300}|1000 = 2,1876 г;
V(HCl) = [m(HCl) . 1000]/[C(HCl) . М(HCl)] =
= (2,1876 . 1000)/(5,11 . 36,46) = 11,74 мл ≈ 12 мл.
Расчет молярности, нормальности и титр рраствора
Задача 511.
Имеется раствор H2SO4 плотностью 1,045 г/см3 с массовой долей в 6,955%.
Найти молярную концентрацию моль/л; молярную концентрацию эквивалента моль экв/л; титр раствоора г/мл.
Решение:
М(H2SO4) = 98,078 г/моль;
МЭ(H2SO4) = 49,039 г/моль;
р(р-ра) = 1,045 г/см3;
w%(H2SO4) = 6,955% или 0,06955;
Т(H2SO4) = ?
СМ(H2SO4) =?
СН(H2SO4) = ?
1. Рассчитаем массу серной кислоты
m(H2SO4) = p(p-pa) . 1000 . w%(H2SO4) =
= 1,045 г/см3 . 1000 см3 . 0,06975 = 72,67975 г.
2. Рассчитаем титр раствора
Т(H2SO4) = m(H2SO4)/V(p-pa) =
= 72,67975/1000 = 0,07268 г/см3.
3. Расчет молярной концентрации (молярность)
Молярную концентрацию (СМ) можно определить по формуле:
СМ(в-ва) = (Т · 1000)/M(в-ва).
Тогда
СМ(H2SO4) = (Т · 1000)/М(H2SO4) =
= (0,07268 · 1000)/98,078 = 0,74 моль/дм3.
4. Расчет нормальной концентрации (нормальность)
Для определения нормальной концентрации (СН) воспользуемся формулой:
СН(в-ва) = (Т · 1000)/Э(в-ва)
Тогда
СН(H2SO4) = (Т · 1000)/MЭ(H2SO4) =
= (0,07268 · 1000)/49,039 = 1,48 моль/дм3.
Ответ: СМ(H2SO4) = 0,74 моль/дм3; СН(H2SO4) = 1,48 моль/дм3; Т(H2SO4) = 0,07268 г/см3.
