Материал: Ананева Сборник тестов и задач по курсу кхимии 2014

f-элементы (лантаноиды)

VI. РЕАКЦИИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА, ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Тема 18. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

18.1. Строение атома, химическая связь, структурные формулы

Пример 18.1.1. Для элемента с номером Z = 25: а) составьте электронную формулу (полную, сокращенную и сокращенную в

81

виде энергетических ячеек); б) укажите тип элемента, назовите его электронные аналоги; в) приведите значения квантовых чисел для валентных электронов, соответствующих максимальной степени окисления.

Решение. Распределение электронов при заполнении орбиталей в многоэлектронных атомах определяется следующими основными принципами.

Принцип минимума энергии. Атом в основном состоянии имеет минимальную энергию. Поэтому заполнение орбиталей электронами происходит в порядке возрастания энергии орбиталей.

Вобщем виде энергии электронных орбиталей возрастают в следующем ряду: ns <(n–2)f ≤ (n–1)d< np. В соответствии с ним последовательность заполнения орбиталей электронами имеет вид

1s< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d< 5p< 6s<4f ≤ 5d< 6p< 7s<…

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, характеризуемых одновременно одинаковым набором четырех квантовых чисел.

Согласно этому принципу, на одной орбитали, характеризуемой определенными значениями трех квантовых чисел n, l, m, могут находиться только два электрона, отличающиеся значением спинового квантового числа. Следовательно, на s-подуровне (одна орбиталь) могут находиться два электрона, на p-подуровне (три орбитали) – шесть, на d- (пять орбиталей) – десять, на f- (семь орбиталей) – четырнадцать электронов.

Поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно п2, максимально возможное число электронов на энергетическом уровне составляет 2п2 .

Правило Хунда. Орбитали с одинаковой энергией заполняются электронами так, чтобы суммарный спин системы (атома,

молекулы) был максимален. Иными словами, при заполнении подуровня, имеющего вакантные орбитали, на каждой орбитале располагается по одному электрону.

Впериодической системе элементов элемент с порядковым

номером 25 – это марганец 25Mn. Порядковый номер элемента равен заряду его ядра и количеству электронов в атоме.

Марганец находится в 4-м периоде, значит 25 электронов распределены по четырем энергетическим уровням и их подуровням согласно основным принципам (принцип минимума энергии,

82

принцип Паули, правило Хунда). Поэтому для атома марганца

получим следующую электронную формулу:

25Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2;

25Mn [ ]3d5 4s2 – сокращенная электронная формула. Распределение электронов по энергетическим ячейкам одного

подуровня происходит так, чтобы сумма их спинов была максимальной, в связи с чем они занимают наибольшее число свободных энергетических ячеек:

3d 4s 4p

25Mn [ ]

Тип элемента определяется по последнемузастраивающемуся подуровню, следовательно, Mn – d-элемент.

Электронная формула в виде энергетических ячеек атома марганца в возбужденном состоянии:

Значения квантовых чисел для валентных электронов:

Значения главного квантового числа для подуровней 3d,4s и 4p соответственно равны 3 и 4, орбитального квантового числа для d-подуровня – 2, для s – 0 и для p – 1. Магнитное квантовое число для пяти орбиталей d-подуровня может принимать следующие значения: −2, −1, 0, 1, 2; для одной орбитали s-подуровня – 0 и для трех орбиталей p-подуровня:−1, 0, 1.

Электронными аналогами называются элементы с подобной электронной конфигурацией внешнего энергетического уровня. Для атомов d-элементов понятие электронной аналогии распространяется и на предвнешние энергетические уровни.

Следовательно, электронными аналогами марганца будут

83

43Tc [ ]4d5 5s2 и 75Re [ ]5d5 6s2.

Пример 18.1.2. Определите степени окисления элементов в соединениях Fe2O3, HMnO4, NH4Cl.

Решение. Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что общие электронные пары его химических связей смещены в сторону более электроотрицательного элемента. Другими словами, степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный

Для определения степени окисления атома в молекуле следует руководствоваться следующими основными положениями:

степень окисления атомов в простых веществах равна 0; степень окисления щелочных металлов в их соединениях равна

+1, металлов главной подгруппы II группы +2, алюминия +3, а фтора −1;

степень окисления кислорода равна −2 во всех соединениях, кроме пероксидов типа Н2О2 ,К2О2, где она равна −1, и OF2, где она равна +2.

степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1, а в соединениях с металлами равна –1;

сумма степеней окисления всех атомов в электронейтральных молекулах равна 0, а в ионах – их заряду.

Наибольшее положительное значение степени окисления элемента, как правило, равно номеру группы, в которой расположен элемент. Низшая отрицательная степень окисления элемента равна разности между номером группы и числом 8.

Степень окисления элемента численно совпадает с валентностью, т.е. числом химических связей атома данного элемента в соединении, если все химические связи ковалентные полярные или ионные. Валентность отличается от степени окисления в соединениях с ковалентными неполярными связями.

В соответствии с приведенными положениями рассчитаем неизвестные степени окисления атомов Fe, Mn и N в заданных соединениях:

84

Пример 18.1.3. Составьте структурные формулы следующих соединений: H2O, BaO, Fe2O3, KOH, Cr(OH)3, H2SO4, H3PO4,

Na2HPO4, Fe2(SO4)3.

Решение. Для упрощенного изображения строения молекул используют структурные формулы, в которых химические связи между атомами обозначают чертой (валентным штрихом). При построении структурных формул соединений слева располагают катионы, справа – анионы.

Определяем степень окисления элементов, полагая, что все связи ковалентные полярные или ионные. Если расчетные степени окисления элементов не противоречат реально возможным значениям, то в этом случае степени окисления численно равны валентностям, т.е. числу химических связей элемента в данном соединении.

85