Определение молярной массы. 
Электронные формулы атомов

Задачи

Задача 1

Вычислите в молях: а) 6,02 молекул С? Н?; б) 1,80 атомов азота; в) 3,01 молекул NH?.

Решение:

а) 6,02 молекул С? Н?.

Определим количество вещества (моль)

?= ==0.1 (моль)

б) 1,80 атомов азота:

?= =0.3 (моль)

в) 3,01 молекул NH?:

?= = (моль)

Задача 2

При взаимодействии 3,24 г трехвалентного металла с кислотой выделится 4,03 л водорода (н. у.). Вычислите молярную массу эквивалента, молярную и относительную атомную массы металла.

Решение:

Определим молярную массу эквивалента металла по закону эквивалентов:

где: — масса вещества 1, г;

молярная масса эквивалента вещества 1, г/моль;

— объем вещества 2, л;

эквивалентный объем вещества 2, л/моль, в нашем случае = 11,2 г/моль.

Определим молярную массу металла:

где: М — молярная масса вещества, г/моль;

Z — эквивалентное число, в нашем случае это валентность металла.

M =* 3 = 9 * 3 = 27 (г/моль) Молярная масса металла равна относительной атомной массе металла, т. е. Аr (Ме) = 27.

Ответ: Мэ (Ме) = 9 г/моль; М (Ме) = 27 г/моль; Аr (Ме) = 27.

Задача 3

Какие орбители атома заполняются электронами раньше 4d или 5s; 6s или 5р. Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым № 43.

Решение:

Заполнение электронами орбиталей в атоме происходит по правилу Клечковского: орбитали в атоме заполняются в порядке возрастания суммы (n+l), а при одинаковом значении этой суммы в порядке возрастния n (n — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число).

Для орбитали 4d: n = 4, l = 2; n + l = 6 Для орбитали 5s: n = 5, l = 0; n + l = 5 Значит 5s заполнится раньше, чем 4d.

Для орбитали 6s: n = 6, l = 0; n + l = 6 Для орбитали 5p: n = 5, l = 1; n + l = 6 Значит 5p заполнится раньше, чем 6s.

Элемент № 43 — технеций. Электронная формула: ₄₃Tc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s².

s-орбиталь = 0, p-орбиталь= 1, d-орбиталь= 2, f-орбиталь= 3

Задача 4

Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s-электрона на 3-d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и p-электронов у атомов второго элементов?

Решение:

Состояние атома с полностью или наполовину заполненным подуровнем (т.е. когда на каждой орбитали имеется по одному неспаренному электрону) является более устойчивым.

Этим объясняется «провал» электрона. Так, устойчивому состоянию атома хрома соответствует следующее распределение электронов:

Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s 3d5, а не 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4, т. е. происходит «провал» электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень.

Элемент с порядковым номером 33 — это мышьяк (As), его электронная формула выглядит так:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3.

ДОРЕШЕНИЕ

Спиновое квантовое число характеризует вращение электрона вокруг своей оси, которое может происходить в двух противоположных направлениях, следовательно, это квантовое число принимает только два значения. Они равны +½ и — ½.

У хрома на d-орбиталях в устойчивом состоянии 5 неспаренных электронов, т. е. спины: +½, +½, +½, +½, +½. Сумма = 5/2.

На p-орбиталях мышьяка 3 электронов, число квантовых ячеек = 3, т. е. максимальный спин ½ + ½ + ½ = 3/2.

Спин (от англ. spin — вертеть [-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Спин измеряется в единицах h (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число — так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел).

В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

Задача 5

Какой из элементов четвертого периода — ванадий или мышьяк обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из элементов образует газообразные соединения с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов.

Решение:

V (ванадий) и As (мышьяк) находятся в одной группе (V) периодической системы, в одном периоде (IV), но в разных подгруппах.

Число протонов ванадия составляет 23 — элемент, который находится в побочной подгруппе пятой группы. Запишем на основании этого электронную формулу:

+23V 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 3 4s2

V — неметалл, d — элемент.

Электронная формула мышьяка:

+33As 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3

As — неметалл, p — элемент.

Размещение элементов в разных подгруппах свидетельствует об их различной химической и физической активности.

V — неметалл, d — элемент, способен только отдавать электроны, т.к. находится в побочной группе т. е. число электронов на внешнем уровне не больше двух, принимает положительные степени окисления.

V0 — 3e — > V+3 процесс окисления Восстановитель.

V0 — 5e — > V+5 процесс окисления Восстановитель.

Обладает металлическими свойствами.

As находится в главной подгруппе V группы, т. е. число электронов на внешнем уровне = 5.

As — неметалл, способен к реакциям окисления и восстановления.

As0 — 5e — > As+5 процесс окисления Восстановитель.

As0 + 3e — > As-3 процесс восстановления Окислитель.

As-3 H3+ - арсин, газообразное вещество.

Задача 6

Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ.

Решение:

По закону периодичности Д. И Менделеева «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов» или «Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов» .

Атомные массы увеличиваются за счёт увеличения количества протонов и нейтронов в ядре и электронов, а свойства периодически изменяются за счёт изменения количества электронов на внешних энергетических уровнях атомов. Чем меньше электронов, тем легче они его отдают (например металлы окисляются) и чем больше электронов (больше заполнен энергетический уровень) тем чаще они забирают электроны недостающие для заполнения уровня (кислород окисляет металлы).

Задача 7

Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состоянии? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

Распределение электронов атома серы по квантовым ячейкам в нормальном состоянии:

Из данного электронного строения атома видно, что количество неспаренных электронов равно 2. Соответственно валентность в таком состоянии равна 2.

Электронная формула серы:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Атома серы имеет два возбужденных состояния.

Из данного электронного строения атома видно, что количество неспаренных электронов равно 4. Валентность = 4.

молярная масса электронная формула Из данного электронного строения атома видно, что количество неспаренных электронов равно 6. Валентность = 6.

Задача 8

Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей (ВС) объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF₃?

Решение:

В молекуле фторида бора осуществляется sp2-гибридизация орбиталей центрального атома. У атома бора (электронная структура 1s2 2s2 2p1, в возбужденном состоянии 1s2 2s1 2p2) в гибридизации участвуют орбитали одного s и 2-х р-электронов, что приводит к образования 3-х гибридных орбиталей, расположенных под углом 120°. Молекула ВF₃ имеет форму плоского равностороннего треугольника с атомом бора в центре, все 4 атома лежат в одной плоскости.

Задача 9

Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?

Решение:

Уравнение реакции:

NH₃ + HCl = NH₄Cl;

ДH =?

Вычислим тепловой эффект реакции.

Стандартные энтальпии образования исходных веществ и продукта реакции аммиака NH₃: ДH₁ = - 46,19 кДж/моль; хлорида водорода HCl: ДH₂ = - 92,31 кДж/моль; хлорида аммония NH₄Cl: ДH₃ = - 315,39 кДж/моль.

По закону Гесса тепловой эффект реакции ДH = У ДH_прод — У ДH_исх = ДH₃ — ДH₁ — ДH₂ = - 315,39 + 46,19 + 92,31 = - 176,89 кДж/моль.

Так как объем одного моля газа при нормальных условия 22,4 л, то в ходе реакции выделится количество теплоты:

Q = - ДH • 10/22,4 = 176,89 • 10/22,4 = 78,97 кДж.

Задача 10

Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH? (г) + 3O? (г) = 2N?2 (г) + 6H? O (ж); ДН = - 1530,28 кДж.

Вычислить теплоту образования NH? (г).

Решение:

Обозначим теплоту образования аммиака через х, запишем термохимические уравнения реакций образования аммиака и воды из простых веществ:

N? + 3H? = 2NH?; ДН = х кДж;

2H? + O? = 2H? O; ДН = - 258,28 кДж/моль Умножим первое уравнение на 2, а второе на 3 и сложим:

4NH? + 6H? + 3O? = 6H? O + 2N? + 6H?;

4NH? + 3O? = 2N? + 6H? O; ДН = 6* (- 258,28) — 4х = - 1530,28 (кДж) х = - 46,19 кДж/моль Теплота образования NH? = - 46,19 кДж/моль.

Задача 11

Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе:

2NО _(г) + O_{2 (г)} 2NО_{2 (г)}

Ответ мотивируйте, вычислив Д этой реакции.

Решение:

?r = 2? G^oNO₂ (г) — 2? G^oNO (г) = 2*51,84 — 2*86,59 = - 69,7 кДж Т.к. ?r<0 при стандартных условиях будет протекать прямая реакция.

По закону Гиббса для протекания реакции: ДG⁰= ДH⁰ — T? ДS⁰<0

Используя стандартные значения ДH и ДS найдем энергию Гиббса для прямой реакции:

2NO (г) +O₂ (г) >2NO₂ (г)

Тогда:

ДH⁰ (298) = 2ДH⁰ (NO₂) — (2ДH⁰ (NO) +ДH⁰ (O₂)) = 2*33,89 — (2*90,37+0) = - 112,96 кДж/моль Изменение энтропии реакции:

ДS⁰ (298) =2ДS⁰ (NO₂) — (2ДS⁰ (NO) +ДS⁰ (O₂)) =2*240,45- (2*210,62+205,03) =-145,37Дж/моль•К Тогда энергия Гиббса равна:

ДG⁰= ДH⁰ — T· ДS⁰ = - 112,96−298* (-145,37/1000) =-156,28 кДж/моль < 0

ДG⁰ < 0.

Значит, при стандартных условиях будет протекать прямая реакция.

1. И. Л. Шиманович «Химия. Методические указания, программа, решение типовых задач, программированные вопросы для самопроверки и контрольные задания для студентов-заочников инженерно-технических (нехимических) специальностей вузов». Москва «Высшая школа» 2003 г.