Теоретические основы химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Моль. Эквиваленты и эквивалентные массы простых и сложных веществ. Закон эквивалентов

Законы стехиометрии. Закон сохранения массы вещества. Закон постоянства состава. Качественный и количественный состав вещества. Закон кратных отношений. Закон простых объемных отношений. Молярные объемы газов и паров. Закон Авогадро. Число Авогадро. Относительная плотность газов. Эквивалент, молярная масса эквивалента, молярный объем эквивалента. Закон эквивалентов.

Таблица 1.1 Основные физические величины

Физическая Величина	Единица Измерения	Условное обозначение
Масса	Килограмм Грамм	M
Количество вещества	Моль мкмоль Кмоль	n (x)
Молярная масса вещества	г/моль кг/моль	M(x)
Относительная молекулярная масса	Безразмерная	Mr(x)
Относительная атомная масса	Безразмерная	Ar(x)
Эквивалент вещества	Безразмерная	Э(x)
Фактор эквивалентности вещества	Безразмерная	fЭ(x)
Молярная масса эквивалента вещества	кг/моль г/моль	MЭ (x)
Количество вещества эквивалента	Моль мкмоль Кмоль	nЭ(x)
Эквивалентный объем вещества	Л м3	VЭ(x)

1.1 Основные понятия

Моль - количество вещества, содержащее столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода-12.

Символ количества вещества - n. Количество вещества x записывают как n(x).

Реальные частицы - это атомы, молекулы, ионы, электроны, радикалы и т. д.

Условные частицы -это какая-то часть реальной частицы, например,1/5 молекулы.

Экспериментально установлено, что в 12 граммах углерода-12 содержится 6,022 1023 атомов углерода. Эта величина носит название числа Авогадро. Следовательно, 1 моль атомов, молекул, ионов или каких-либо других объектов содержит Авогадрово число этих объектов, например:

1 моль атомов Mg=6,0221023 атомов магния,

1 моль ионов Mg2+=6,0221023 ионов магния,

1 моль молекул KМnO4= 6,0221023 молекул перманганата калия.

1.2. Теоретическая часть.

Стехиометрия раздел химии, в котором рассматриваются количественные, массовые или объемные отношения между реагирующими веществами.

Основу стехиометрии составляют следующие стехиометрические законы:

1) закон сохранения массы веществ

2) закон постоянства состава

3) закон кратных отношений

4) закон простых объемных отношений

5) закон Авогадро

6) закон эквивалентов

Закон сохранения массы веществ: Общая масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна общей массе веществ, получающихся в результате реакции.

С точки зрения атомно-молекулярного учения, этот закон объясняется следующим образом: масса веществ является суммой масс составляющих их атомов. Так как при химических реакциях сами атомы не меняются и не меняется их общее количество, то сохраняется постоянной и соответствующая им общая масса.

Закон сохранения массы вещества является частным случаем более общего закона природы закона сохранения материи и движения:

Материя вечна, она не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения массы вещества служит основой для осуществления реакций между различными веществами. Исходя из него, можно производить разнообразные расчеты по уравнениям химических реакций.

Закон постоянства состава: Всякое чистое вещество молекулярной структуры, независимо от способов его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.

В настоящее время известен целый ряд веществ, например оксидов, сульфидов, нитридов (соединений металлов с азотом), карбидов (соединений металлов с углеродом), силицидов (соединений металлов с кремнием) и других кристаллических неорганических соединений, которые имеют немолекулярную структуру, их состав зависит от условий получения. Так, оксид титана (II) в действительности имеет состав от ТiO0,7 до ТiO1,3. Такого типа вещества немолекулярной структуры закону постоянства состава не подчиняются.

Закон кратных отношений: Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Способность элементов вступать в соединения лишь определенными порциями свидетельствует о дискретном строении вещества. Например, азот и кислород дают 5 оксидов:

N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5.

Количества кислорода в них, приходящиеся на одно и то же количество азота, относятся как целые числа - 1 : 2 : 3 : 4 : 5. Это объясняется тем, что одинаковое количество атомов азота в молекулах разных оксидов связано с различным числом атомов кислорода.

Закон простых объемных отношений: Объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам образующихся газообразных продуктов реакции, как небольшие целые числа.

Например, в реакции синтеза хлористого водорода из элементов, протекавшей по уравнению:

Н2 + Сl2 = 2НС1

один объем водорода реагирует с одним объемом хлора и образуется два объема хлористого водорода (при одинаковых условиях)

V(Н2) : V(Сl2) : V(НС1) = 1 : 1 : 2.

Закон Авогадро: В равных объемах любых газов и паров при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул.

Закону Авогадро подчиняются только газообразные вещества. В газах промежутки между молекулами велики по сравнение с их размерами, а собственный же объем молекул очень мал. Общий объем газов определяется, главным образом, расстояниями между молекулами, примерно одинаковыми у всех газов (при одинаковых внешних условиях).

Если вещество находится в твердом или жидком состоянии, то его объем зависит от размеров самих молекул. Допустим, мы имеем моль воды и моль этилового спирта. Учитывая, что молярная масса воды М (Н2О) = 18 г/моль, а плотность воды равна примерно 1 г/мл, найдем, что 1 моль воды, имеющий массу m = 18 г, займет объем при комнатной температуре:

V = m/ = 18 г/1 г/мл = 18 мл.

Моль этилового спирта, имеющий массу 46 г и плотность при тех же условиях (С2Н5ОН) = 0,8 г/мл, займет объем:

V = m/ = 46 г/0,8 г/мл = 57,5мл.

Если же воду и спирт испарить и полученные объемы паров привести к нормальным условиям, то они будут равны и составят 22400 мл, то есть увеличатся в среднем в 1000 раз. Это говорит об увеличении расстояний между молекулами веществ при переходе их из твердого или жидкого состояния в газообразное.

Из закона Авогадро выведены следующие следствия:

Следствие I: Моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем, равный приблизительно 22,4 л.

Этот объем называется молярным объемом и обозначается Vмол :

Vмол = 22,4 л/моль = 22,4 м3/кмоль.

Масса одного и того же объема газа тем больше, чем больше масса его молекул. Если в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, то, очевидно, что отношение масс равных объемов газов будет равно отношению их молекулярных масс или отношению численно равных им молярных масс, то есть

m1/m2 = M1/M2,

где m1 масса объема первого газа, m2 масса такого же объема второго газа, М1 молярная масса первого газа, М2 молярная масса второго газа.

Отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа, взятого при тех же условиях, называется относительной плотностью первого газа ко второму (обозначается буквой D).

D = m1/m2 при V1 = V2.

Относительная плотность первого газа по второму газу может быть рассчитана как отношение молярных масс этих газов

D = M1/M2,

Откуда

М1 = М2 • D.

Обычно плотность газов определяют по отношению к водороду М(H2) = 2 г/моль или к воздуху М (возд.) = 29 г/моль.

Таким образом, зная плотность газа по водороду или по воздуху, можно легко определить его молярную, а, следовательно, и относительную молекулярную массу и сформулировать 2-е следствие из закона Авогадро.

Следствие II. Молярная масса вещества (М), а значит, и относительная молекулярная масса (Мr) вещества в газообразном состоянии численно равна удвоенной плотности паров этого вещества по водороду.

Измерения объемов газов обычно производят при условиях, отличных от нормальных.

Нормальными условиями считаются:

давление Р0 = 101,325 кПа (760 мм _Т. Ст., 1 атм. ),

температура Т0 = 273 К (t0 = 0 С).

Для приведения объема газа к нормальным условиям можно пользоваться уравнением, объединяющим газовые законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

где V объем газа при давлении Р и температуре Т, V0 объем газа при нормальном давлении Р0 = 101,3 кПа и температуре Т0 = 273 К.

Закон эквивалентов: Из закона постоянства состава следует, что химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количественных соотношениях.

Возьмем, например, ряд соединений, в состав которых входит элемент водород: HCl - хлористый водород, H2O - вода, NH3 - аммиак, CH4 метан.

Атомы водорода соединяются со строго определенным числом атомов другого элемента, а поскольку атом каждого элемента имеет вполне определенную атомную массу, то количества соединяющихся друг с другом элементов строго определены. Так, в приведенных соединениях, формулы которых НС1, Н2О, NH3 и СН4, на 1 атом водорода приходится: 1 атом хлора, 1/2 атома кислорода, 1/3 атома азота, 1/4 атома углерода.

Химическим эквивалентом элемента называется реальная или условная частица, которая может присоединять, замещать, высвобождать или каким - либо другим образом быть равноценна одному иону водорода H+ в ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Исходя из определения, эквивалент для водорода равен 1 атому, а все, что соединяется, замещает или иным образом соответствует 1 атому водорода, будет эквивалентом другого вещества.

Так, в вышеприведенных соединениях НСl, Н2О, NН3 и СН4 эквивалент хлора будет равен 1 атому, кислорода - 1/2 атома, азота - 1/3 атома и углерода - 1/4 атома. 3 последние частицы являются не реальными, а условными.

Эквивалент элемента в соединении легко рассчитать по формуле:

Э = 1/В,

где

Э - эквивалент элемента;

В - валентность элемента в соединении.

Количество эквивалентов вещества выражают в молях.

Масса 1 моль эквивалентов вещества называется молярной массой его эквивалента (Mэкв).

Размерность молярной массы эквивалента - [г/моль].

Молярную массу эквивалента элемента можно рассчитать по формуле:

Mэкв = М/В,

где Mэкв - молярная масса эквивалента элемента; М - молярная масса элемента; В - валентность элемента в соединении.

Так, в приведенных выше примерах молярные массы эквивалентов хлора, кислорода, азота и углерода соответственно равны:

Мэкв (Cl) = 35,5/1 = 35,5 г/моль,

Мэкв (O) = 16/2 = 8 г/моль,

Мэкв (N) = 14/3 = 4,66 г/моль,

Мэкв © = 12/4 = 3 г/моль.

Понятия об эквивалентах и молярных массах эквивалентов распространяются также на сложные вещества.

Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или с одним эквивалентом любого другого вещества.

Для определения эквивалентов простых и сложных веществ удобно использовать понятие фактор эквивалентности f.

Фактором эквивалентности для вещества (f) называется число, показывающее какая доля частицы (атома, молекулы) этого вещества равноценна одному иону водорода H+ в реакциях обмена или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Эквивалент элемента можно рассчитать по формуле:

Э = 1 • fэлем. = 1/В.

В свою очередь, фактор эквивалентности может быть найден:

для элемента - fэлем. = 1/валентность элемента

для кислоты - fкислоты = 1/основность кислоты

для основания - fоснования = 1/кислотность основания

для соли (средней) - fсоли. = 1/n • В,

где n - число атомов металла, В - валентность металла.

Таким образом, эквиваленты и молярные массы эквивалентов простых и сложных веществ можно рассчитать по формулам, приведенным в табл. 1.1. Как видно из приведенных формул, молярная масса эквивалента, как элемента, так и сложного вещества не всегда является постоянной величиной. Эквивалент и молярная масса эквивалента элемента зависят от валентности, которую проявляет элемент в соединении.

Таблица 1.2 Эквиваленты и молярные массы эквивалентов

Элемент или сложное вещество	Эквивалент Э,	Молярная масса (М экв.) эквивалента, [г/моль]
Элемент Например, Са	Ээл = 1• f =1/В Э (Ca) = 1/2	Мэкв =M • f = M/В М(ЅCa) = 40/2 = 20 г/моль
Кислота Например, H2S	Э кислоты = 1• f = = 1/основность Э кислоты = 1• f = =1/основность	Мэкв =M • f = M/основность М(ЅН2S).=34 • 1/2 = = 17 г/моль
Основание Например, Са(OH)2	Эосн = 1• f = = 1/кислотность Э [Ca(OH)2] = 1/2	Мэкв =M • f = = M/кислотность М[ЅCa(OH)2] = = 74 / 2 = 37 г/моль
Соль Например, Al2S3	Эсоли = 1• f = 1 / n • В = = Э [Al2S3] = 1/2 • 3 = 1/6	М экв =M • f = = M / n • В М(1/6 Al2S3) = = 150 / 6 = 25 г/моль

Эквивалент и молярная масса эквивалента сложного вещества определяются конкретной реакцией, в которой участвует данное вещество.

Пример 1.

Чему равен эквивалент и молярная масса эквивалента серной кислоты в реакциях с раствором щелочи, если образуется:

а) NаНSО4 и б) Nа2SО4?

Решение.

А) В реакции с образованием гидросульфата натрия серная кислота нейтрализуется не полностью:

Н2SО4 + NаОН = NаНSO4 + Н2О.

В этой реакции серная кислота проявляет основность равную 1. Из этого следует, что фактор эквивалентности этой кислоты в данной реакции равен 1. Найдем значение эквивалента кислоты в данной реакции:

Э (H2SO4) =1• f = 1/основность = 1.

Найдем значение молярной массы эквивалента кислоты:

Мэкв (H2SO4) =M • f = M/основность = 98/1 = 98 г/экв,

б) Сульфат натрия образуется при полной нейтрализации кислоты:

Н2SО4 + 2NаОН = Na2SO4 +2Н2О.

В этой реакции основность, проявляемая Н2SO4, равна 2 и значение фактора эквивалентности в этом случае равно 2.

Отсюда:

Э (H2SO4) =1 • f = 1/основность = 1/2 моль,

Мэкв (ЅH2SO4) = M/основность = 98/2= 49 г/моль.

Для газообразных веществ удобно пользоваться понятием молярный объем эквивалента (Vэкв).

Молярный объем эквивалента представляет собой объем одного моль эквивалентов газообразного вещества при нормальных условиях. Размерность молярного объема эквивалента [л/моль].

Так, 1 моль эквивалентов водорода (один моль атомов Н) имеет массу 1г.

Пример 2.

Используя следствие из закона Авогадро, рассчитать объем, занимаемый одним эквивалентом водорода.

Решение.

1 моль молекул Н2 имеет массу 2 г и занимает объем 22,4 л, а объем, занимаемый одним эквивалентом водорода (одним моль атомов элемента водорода), который имеет массу 1 г, найдем из пропорции:

2 г Н2 > 22,4 л

1 г Н2 > х л

x = 11,2 л, т.е. Vэкв (H) =11,2 л/моль.

Аналогично можно рассчитать молярный объем эквивалента для кислорода, который будет равен:

Vэкв (ЅO) = 5,6 л/моль.

Введение в химию понятия "эквивалент" позволило сформулировать закон, называемый законом эквивалентов: массы реагирующих друг с другом веществ пропорциональны молярным массам их эквивалентов.

Закон эквивалентов можно записать в следующем виде:

где m1 и m2 массы взаимодействующих веществ; Мэкв.1 и Мэкв.2 молярные массы эквивалентов.

Если вещества находятся в газообразном состоянии, удобно пользоваться понятием "молярный объем эквивалента" и следующей формулировкой закона эквивалентов: объемы реагирующих друг с другом газообразных веществ пропорциональны молярным объемам их эквивалентов.

V1/V2 = Vэкв1/Vэкв2 ,

где

V1 и V2 объемы реагирующих газообразных веществ,

Vэкв1 и Vэкв2 молярные объемы их эквивалентов.

Пример 3.

Выразите в молях:

а) 6,02·1021 молекул СО2;

б) 1,20·1024 атомов кислорода;

в) 2,00·1023 молекул воды. Чему равна мольная (молярная) масса указанных веществ?

Решение. Моль - это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определенного сорта, равное постоянной Авогадро (6,02·1023). Отсюда

а) 6,02·1021, т.е. 0,01 моль;

б) 1,20·1024, т.е. 2 моль;

в) 2,00·1023, т.е. 1 /З моль.

Масса моля вещества выражается в г/моль. Мольная (молярная) масса вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м).

Так как молекулярные массы СО2 и Н2О и атомная масса кислорода соответственно равны 44, 18 и 16 а.е.м., то их мольные (молярные) массы равны:

а) 44 г/моль;

б) 18г/моль;

в) 16 г/моль.

Пример 4.

Вычислите значение грамм-эквивалента серной кислоты, гидроксида кальция и сульфата алюминия.

Решение:

ЭH2SO4 =МH2SO4 /2=98/2=49г ЭСа(OH)2 =МСа(OH)2 /2=74/2=37г Э Al2(SO4)3 = М Al2(SO4)3 / (2· 3) = 342 / 2= 57 г

Пример 5.

На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л водорода (н.у.). Вычислите эквивалентную массу оксида и эквивалентную массу металла. Чему равна атомная масса металла?

Решение.

Нормальные условия по Международной системе единиц (СИ): давление 1,013·105 Па (760 мм _Т. Ст., 1 атм), температура 273 К или 0°С.

Согласно закону эквивалентов

m1/Мэ(1) = m2/Мэ(2)

m(МеО)/Мэ(МеО) = m(Н2)/Мэ(Н2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то, как правило, его количество измеряется в объемных единицах (мл, л, м 3).

Объем, занимаемый при данных условиях мольной или эквивалентной массой газообразного вещества, называется мольным или, соответственно, эквивалентным объемом этого вещества. Мольный объем любого газа при н.у. равен 22,4 л. Отсюда эквивалентный объем водорода (Vэ) молекула которого состоит из двух атомов, т.е. содержит два моля атомов водорода, равен 22,4:2 = 11,2 л. Отношение mH2 /МЭ(Н2) заменяем равным ему отношением VH2 /VЭ(Н2), где VH2 - объем водорода, VЭ(Н2) эквивалентный объем водорода:

m(МеО)/Мэ(МеО) = V(Н2)/Vэ(Н2)

Находим эквивалентную массу оксида металла МЭ(МеО)

7,09/МЭ(МеО) = 2,24/11,2;

МЭ(МеО) = 7,09·11,2/2,24 = 35,45 г/моль.

Согласно закону эквивалентов

МЭ(МeO) = МЭ(Мe) + МЭ(O2),

МЭ(Мe) = МЭ(МeО) - МЭ(O2) = 35,45 - 8 = 27,45 г/моль.

Мольная масса металла определяется из соотношения:

МЭ = А/В,

где: МЭ - эквивалентная масса, г/моль

А - мольная масса металла, г/моль

В - валентность элемента;

А = Мэ·В = 27,45*2 = 54,9 г/моль.

Так как атомная масса в а.е.м. численно равна мольной (молярной) массе, выражаемой в г/моль, то искомая атомная масса металла 54,9 а.е.м.

Пример 6.

При 25 0С и давлении 93 кПа. (745 мм _Т. Ст.) некоторое количество газа занимает объем 152 мл. Найти, какой объем займет это же количество газа при 0 0С и давлении 101,33 кПа.

Решение.

Подставляя данные задачи в последнее уравнение, получаем:

0,075 г металла вытесняет из раствора соли никеля 0,183 г никеля, а из раствора кислоты - 70 мл водорода, измеренного при нормальных условиях. Определите молярные массы эквивалентов металла и никеля. Ответ: 29,35 г/моль

При сгорании трёхвалентного металла в количестве 23,48 г было получено 44,40 г его оксида. Какой металл был сожжен? Определите массу оксида. Ответ: Al2O3 ; 17 г/моль.

Определите молярные массы эквивалентов кислот и гидроксидов в реакциях:

H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O Ответ: 49 г/моль

2H3PO4 + Ca(OH)2 = Ca(H2PO4)2 + 2H2O Ответ: 98 г/моль

Al(OH)3 + 3NaCl = AlCl3 + 3NaOH Ответ: = 26 г/моль

Zn(OH)2 + NaCl = ZnOHCl + NaOH Ответ: 99,4 г/моль

На реакцию с 13,61 г дигидрофосфата калия израсходовано 5,61 г гидроксида калия. Вычислите молярную массу эквивалента дигидрофосфата калия и напишите уравнения реакции. Ответ: 136,1 г/моль

Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите эквивалентную массу металла (МЭ(Ме)). Ответ: 15 г/моль.

В какой массе Са(ОН)2 содержится столько же эквивалентов, сколько в 312г А1(ОН)3? Ответ: 444г.

Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты в граммах. Ответ: 1,63* 10-22

На восстановление 3,6 г оксида двухвалентного металла израсходовано 1,7 л водорода (н.у.). Вычислить молярные массы эквивалента оксида и металла. Ответ: 15,72 г.

Объемное содержание углекислого газа в воздухе составляет 0,03% (н.у.). Найти количество (моль) и массу (г) СО2, содержащегося в 0,5 м3 воздуха. Ответ: 0,295 г.

Масса колбы вместимостью 750 мл, наполненной при 27С кислородом, равна 83,3 г. Масса пустой колбы составляет 82,1 г. Определить давление кислорода в колбе. Ответ: 124,65 кПа.

При сгорании 5,00 г трехвалентного металла образовалось 9,45 г его оксида. Определите молярную массу эквивалента этого металла и назовите металл. Ответ: 27 г.

0,978 г щелочного металла реагирует с 0,200 г кислорода и с 3,17 г галогена. Определите эквивалент галогена и назовите его. Ответ: галоген - I.

Чему равен эквивалент щелочноземельного металла и его оксида, если известно, что 0,608 г металла вытесняют из раствора соляной кислоты 0,560 л водорода (н.у.)? Определите металл. Ответ: металл - Mg.

0,200 г двухвалентного металла вытеснили 197 см3 водорода, который был собран под водой и измерен при 20єС и 780 мм Hg. Давление насыщенных паров воды при этих условиях составляет 17,4 мм Hg. Определите, какой это металл. Ответ: металл - Mg.

3,16 г перманганата калия взаимодействуют с концентрированной соляной кислотой. Образующийся хлор пропустили в раствор иодида калия. Сколько граммов иода выделилось, если общий выход реакций составил 80%? Ответ: 10,2 г.

Определите эквивалент и эквивалентные массы элементов в соединениях с водородом: H2O, HCl, PH3. Ответ: 8 г/моль, 35,5 г/моль, 10,3 г/моль.

Определите эквивалентные массы следующих соединений: CO2, H2SO4, Cu(OH)2, MgCl2. Ответ: 11 г/моль, 49 г/моль, 49 г/моль, 47,5 г/моль.

На нейтрализацию кислоты массой 2,18 г израсходовано KOH массой 2,49 г. Определите эквивалентную массу кислоты. Ответ: 49 г/моль.

Определите массу металла, вступившего в реакцию с кислотой, если при этом выделился водород объёмом 260 мл при нормальных условиях. Эквивалентная масса металла mэ(Ме) = 9 г/моль. Ответ: 0,2 г.

Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ: 15 г/моль.

При взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния. Определите массу магния, необходимую для реакции с кислородом массой 64 г, а также массу образующегося при этом оксида. Ответ: m (Мg) = 96 г, m (MgO) = 160г.

Чему равны массы цинка и серы, необходимые для получения сульфида цинка массой 485 г? Ответ: m (MgO) = 325 г, m (S) = 160 г.

Определите массу хлорида калия, образующегося при взаимодействии хлористого водорода массой 219 г с раствором, содержащим гидроксид калия массой 224 г. Ответ: 298 г.

При 25С и давлении 745 мм _Т. Ст. некоторое количество газа занимает объем 152 мл. Вычислить, какой объем займет это же количество газа при нормальных условиях. Ответ: 136,5 мл.

Чему равны значения а) относительной плотности хлора по воздуху, б) массы 1 л хлора (при н.у.), в) объема 1 л хлора (при н.у.). Ответ: а) 2,45; б) 3,17 г; в) 0,3 л.

При растворении металла массой 0,0548 г в избытке раствора кислоты выделялся водород объемом 50,4 мл (н.у.). Вычислите значение молярной массы эквивалента металла. Ответ: 12,17 г/моль.

Вычислить эквивалент и молярную массу эквивалента ортофосфорной кислоты в реакциях: а) с магнием, б) с гидроксидом калия, если при этом образуется кислая соль K2HPO4. Ответ: а) 32,67 г/моль; б) 49 г/моль.

При окислении металла массой 8,43 г образовался оксид массой 9,63 г. Вычислите значения молярных масс эквивалентов металла и его оксида. Ответ: 64,2 г/экв.

Вычислите значения относительной атомной массы и молярной массы эквивалента некоторого элемента, зная, что массовая доля данного элемента в его оксиде составляет 46,74 % и что на один атом его в оксиде приходится два атома кислорода. Ответ: 28,08 г/моль.

Масса 0,327 ·10-3 м3 газа, при 13 оС и давлении 1,04 ·105 Па равна 0,828 ·10-3 кг. Вычислить молярную массу газа. Ответ: 57,8 * 10-3 кг/моль.

2. Строение атома и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Атомы имеют сложное строение. Большой вклад в представление о современной модели атома внесли такие ученые как Дж. Резерфорд, Томпсон, Нильс Бор, де-Бройль и др.

Современная теоретическая модель электронного строения атома позволяет успешно объяснить и даже предсказать многие свойства химических элементов, поэтому широко используется в естественных науках. Современная модель атома предполагает:

- в центре атома находится положительно заряженное ядро очень малых размеров, в котором сосредоточена почти вся масса атома;

- вокруг ядра послойно вращаются электроны, их число равно заряду ядра;

- электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по строго определенным орбитам, причем электрон не излучает электромагнитной энергии, излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую.

С этой точки зрения наиболее важным является то, что вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: n - главное квантовое число, l - орбитальное квантовое число, me - магнитное квантовое число, ms - спиновое квантовое число.

Волновая функция электрона зависит от трех квантовых чисел n, l, и m. Индекс n волновой функции электрона в атоме называется главным квантовым числом, характеризующим энергетический уровень электрона. Оно может принимать целочисленные значения от 1, 2, 3, ...до ?. Если n = ?, то это значит, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома). Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода в таблице Д.И. Менделеева, в котором находится элемент.

Орбитальное квантовое число l отражает симметрию пространства, в котором движется электрон. Квантовое число l является мерой орбитального механического момента электрона. Абсолютная величина этого момента зависит от n и может принимать значения: l = n-1.

Волновую функцию электрона в атоме называют атомной орбиталью. В соответствии со значением орбитального квантового числа 1 приняты следующие обозначения атомных орбиталей:

1 = 0 1 2 3 - орбитальное квантовое число;

s p d f - обозначение орбитали.

Для уровня с главным квантовым числом n = 1 возможна 1s-орбиталь, для n = 2 возможны 2s- и 2p-орбитали, для n=3 возможны 3s-, 3p- и 3d-орбитали, для n=4 - (4s-, 4p-, 4d- и 4f) орбитали.

Магнитное квантовое число mе характеризует пространственное расположение орбиталей относительно некоторого фиксированного направления. Магнитное квантовое число зависит от орбитального квантового числа и принимает значения от (-l до +l).

Соотношения между значениями 1 и mе для различных подуровней следующие:

n	1	2	3	4
	S	p	D	F
l	0	1	2	3
mе	0	-1, 0, +1	-2, -1, 0, +1, +2	-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

Следовательно, s-орбиталь не ориентирована в пространстве и ее граничной поверхностью является сфера, р-орбитали ориентированы в трех направлениях (px, py, pz) и каждая имеет вид замкнутой гантелеобразной поверхности. d- и f-орбитали имеют более сложную форму.



Рис. 2.1. Модели атомных орбиталей

Рис.2.2.Значение квантовых чисел элементов по периодам

Кроме орбитального механического момента 1, электрон обладает собственным или врожденным механическим моментом S. Этот момент называется спином (В. Паули, 1924г.) Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. По аналогии с орбитальным квантовым числом 1 вводится спиновое квантовое число ms. Спиновое магнитное число может принимать только два значения: + Ѕ и - Ѕ. Состояния электрона с ms = Ѕ часто называют "спин вверх", и с ms = - Ѕ - "спин вниз". Обычно эти состояния электрона условно обозначают стрелкой, направленной вверх или вниз ^ v.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно описать с помощью четырех квантовых чисел: n, l, me и ms.

2.1 Электронная структура атома

В электронной оболочке любого атома столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей. Образно говоря, если электронное облако атома сравнить с городом или улицей, где "живут" все электроны данного атома, то уровень можно сравнить с домом, подуровень - с квартирой, а орбиталь - с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна "комната"- орбиталь. На p-подуровне 3 орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне - целых 7 орбиталей. В каждой "комнате"-орбитали могут "жить" один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. Каждый электрон в атоме имеет свой "адрес", который записывается набором четырех квантовых чисел. Главное квантовое число n в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон находится. Электронная структура атома алюминия с n = 3 записывается следующим образом: 13 Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 .

Существует условное изображение электронных уровней и подуровней, называемое орбитальной диаграммой. На такой диаграмме орбитали условно изображаются квадратиками или черточками, а электроны - стрелочками. Если стрелочки направлены в разные стороны, это означает, что электроны различаются между собой особым свойством, которое называется спином электрона.

Данную систему можно назвать "гостиницей", в которую по одному "залетают" электроны и "поселяются" на определенный уровень n (1, 2, 3…), определенный подуровень (s, p, d, f). В одну "комнату" (орбиталь) может поселиться не более двух электронов (правило Паули). Поскольку s-комната (s-орбиталь) одна, то s-электронов максимум два (s2); p-комнат (p-орбиталей) - три, то p-электронов максимум шесть (p6); d-комнат (d-орбиталей) - пять, то d-электронов максимум десять (d10); f-комнат (f-орбиталей) - семь, то f-электронов максимум четырнадцать (f14). Заполнения электронов в пределах одного подуровня происходят согласно правилу Гунда - "сначала расселяем, а затем уплотняем". Согласно этому правилу электроны предпочитают расселяться на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех p-орбиталях) сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами с противоположно направленными спинами, то такие электроны называют спаренными.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

Как заполняются электронные уровни, подуровни и орбитали по мере усложнения атома.

Если говорить более строго, то относительное расположение подуровней обусловлено не столько их большей или меньшей энергией, сколько требованием минимума полной энергии атома.

Распределение электронов по атомным орбиталям происходит, начиная с орбитали, имеющей наименьшую энергию (принцип минимума энергии), т.е. электрон садится на ближайшую к ядру орбиталь. Это значит, что сначала заполняются электронами те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел (n + l) была минимальной. Так энергия электрона на 4s-подуровне меньше энергии электрона, находящегося на 3d-подуровне. Следовательно, заполнение электронами подуровней происходит в следующем порядке: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ~ 4f < 6p < 7s < 6d ~ 5f < 7p.

Исходя из этого требования, минимум энергии достигается у большинства атомов тогда, когда их подуровни заполняются в показанной выше последовательности. Но есть и исключения, которые вы можете найти в таблицах "Электронные конфигурации элементов", однако эти исключения редко приходится принимать во внимание при рассмотрении химических свойств элементов.

Атом хрома имеет электронную конфигурацию не 4s2 3d4, a 4s1 3d5. Это является примером того, как стабилизация состояний с параллельными спинами электронов преобладает над незначительной разницей энергетических состояний подуровней 3d и 4s (правила Гунда), то есть энергетически выгодными состояниями для d-подуровня являются d5 и d10 . Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди представлены на рис.2.1.1.

Подобный переход одного электрона с s-подуровня на d-подуровень происходит еще у 8 элементов: Cu, Nb, Mo, Ru, Ag, Pt, Au. У атома Pd происходит переход двух s-электронов на d-подуровень: Pd 5s04d10.



Рис.2.1.1. Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди

Правила заполнения электронных оболочек:

1. Сначала выясняем, сколько всего электронов содержит атом интересующего нас элемента. Для этого достаточно знать заряд его ядра, который, всегда равен порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д.И. Менделеева. Порядковый номер в точности равен и числу электронов во всем атоме.

2. Последовательно заполняем орбитали, начиная с 1s-орбитали, имеющимися электронами, учитывая принцип минимальной энергии. При этом нельзя располагать на каждой орбитали более двух электронов с противоположно направленными спинами (правило Паули).

3. Записываем электронную формулу элемента.

Атом - это сложная, динамически устойчивая микросистема взаимодействующих частиц: протонов р+, нейтронов n0 и электронов е-.

Рис.2.1.2. Заполнение энергетических уровней электронами элемента фосфора

Электронную структуру атома водорода (z=1) можно изобразить следующим образом:

+1Н 1s1 , n = 1 ^, где квантовая ячейка (атомная орбиталь) обозначается в виде линии или квадрата, а электроны - в виде стрелок.

Каждый атом последующего химического элемента в периодической системе представляет собой многоэлектронный атом.

Запись электронной формулы проще показать на конкретном примере. Допустим, нам надо выяснить электронную формулу элемента с порядковым номером 7. В атоме такого элемента должно быть 7 электронов. Заполним орбитали семью электронами, начиная с нижней 1s-орбитали.

Итак, 2 электрона расположатся на 1s-орбитали, еще 2 электрона - на 2s-орбитали, а оставшиеся 3 электрона смогут разместиться на трех 2p-орбиталях.

Рассмотрим действие правила Гунда на примере атома азота: N 1s2 2s2 2p3. На 2-м электронном уровне есть три одинаковых p-орбитали: 2px, 2py, 2pz. Электроны заселят их так, что на каждой из этих p-орбиталей окажется по одному электрону. Объясняют это тем, что в соседних ячейках электроны меньше отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы. Полученная нами электронная формула азота несет очень важную информацию: 2-й (внешний) электронный уровень азота заполнен электронами не до конца (на нем 2 + 3 = 5 валентных электронов) и до полного заполнения не хватает трех электронов.

Внешним уровнем атома называется самый далекий от ядра уровень, на котором есть валентные электроны. Именно эта оболочка соприкасается при столкновении с внешними уровнями других атомов в химических реакциях. При взаимодействии с другими атомами азот способен принять 3 дополнительных электрона на свой внешний уровень. При этом атом азота получит завершенный, то есть максимально заполненный внешний электронный уровень, на котором расположатся 8 электронов.



Завершенный уровень энергетически выгоднее незавершенного, поэтому атом азота должен легко реагировать с любым другим атомом, способным предоставить ему 3 дополнительных электрона для завершения его внешнего уровня.

Рис.2.1.3. Заполнение энергетических уровней у s-, p-,d- и f- элементов электронами

Склонность атомов к отдаче и присоединению электронов.

Известно, что склонность атома отдавать свои и присоединять чужие электроны зависит от его энергетических характеристик (энергии ионизации и энергии сродства к электрону). Какие же атомы более склонны отдавать свои электроны, а какие - принимать чужие?

Энергией ионизации I называют минимальное значение энергии, необходимое для удаления электрона из атома А c образованием положительного иона (катиона): А + I > А+ + е-

Сродством к электрону F называется энергия, которая выделяется при присоединении к нейтральному атому А электрона с образованием отрицательного иона (аниона): А + е- > A- + F

Характеристика, которая отражает способность атома в молекуле, оттягивать на себя электронную плотность других атомов называется электроотрицательностью атома (ЭО). Она возрастает у атомов в периодической системе Д.И.Менделеева в периодах слева направо и в группах - снизу вверх.

Наиболее склонны отдавать свои электроны атомы элементов I группы и особенно атомы цезия (самые большие). Наиболее склонны принимать чужие электроны атомы элементов VII группы и особенно атомы фтора и хлора (самые маленькие). Атомы благородных газов не склонны ни отдавать электроны, ни принимать их.

Cпособность атомов отдавать электроны.

Во-первых, в химических реакциях атом может отдавать только валентные электроны, так как отдавать остальные энергетически крайне невыгодно. Во-вторых - атом "легко" отдает (если склонен) только первый электрон. Второй электрон он отдает значительно труднее (в 2-3 раза), а третий - еще труднее (в 4-5 раз). Таким образом, атом может отдать один, два и, значительно реже, три электрона.

А сколько электронов атом может принять?

Во-первых, в химических реакциях атом может принимать электроны только на валентные подуровни. Во-вторых, выделение энергии происходит только при присоединении первого электрона (и то далеко не всегда). Присоединение второго электрона всегда энергетически невыгодно, а третьего - тем более. Тем не менее, атом может присоединить один, два и (крайне редко) три электрона, как правило, столько, сколько ему не хватает для заполнения своих валентных подуровней.

Энергетические затраты на ионизацию атомов и на присоединение к ним второго или третьего электрона компенсируются за счет энергии, выделяющейся при образовании химических связей.

В результате потери или присоединения электронов атом перестает быть электронейтральным и превращается в заряженную частицу, называемую ионом. В табл.2.1.2. представлены примеры образования заряженных частиц из электронейтральных атомов.

Таблица 2.1.2. Примеры образования ионов за счет отдачи или присоединения электронов атомами

Na0 - e- = Na+ [He]3s1>[He] 3s0	F0 + e- = F-
Ba0 - 2e- = Ba2+ [He]6s2>[He] 6s0	O0 + 2e- = O2-
Al0 - 3e- = Al3+ [Ne]3s2 3p1>[Ne] 3s03p0	I0 + e- = I-
Mn0 - 2e- = Mn2+	N0 + 3e- = N3-

Определите количество протонов и нейтронов в ядре атома платины.

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Заряды ядер элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, а свойства простых веществ повторяются периодически. Как это объяснить?

Почему водород в периодической системе обычно помещают либо в первой группе и в то же время в скобках в седьмой, либо в седьмой группе и в то же время в скобках в первой. Приведите примеры реакций, доказывающих двойственную химическую природу водорода.

Чем обусловлена высокая химическая активность щелочных металлов? Составьте электронные схемы строения атомов натрия и цезия. У какого из этих элементов ярче выражены металлические свойства и почему?

Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Показать распределение электронов этих атомов по атомным электронным орбиталям.

Составить электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня 4р? Ответ объяснить.

Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

У какого из элементов четвертого периода - марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Составьте электронные формулы атомов элементов № 20 и № 53. На каких энергетических уровнях и подуровнях находятся валентные электроны?

Составить электронную формулу элемента с порядковым номером 82. По форме записи определить, в каком периоде и группе находится данный элемент, и какому семейству он принадлежит. Составить графическую схему заполнения электронами валентных орбиталей атома этого элемента в нормальном и возбужденном состояниях.

Напишите электронные формулы атомов углерода и серы и формулы соединений их с кислородом и водородом.

Изобразите электронные и электронно-графические формулы атомов 5В и 21Sc. Укажите валентные электроны. К какому семейству относятся атомы данных элементов?

Рассчитайте среднюю массу атома хлора.

Из какого числа атомов состоят 1г и 1 см3 магния?

Указать возможные степени окисления элемента 9F? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Указать возможные степени окисления элемента 32Ge? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Какой инертный газ и ионы каких элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию с частицей, возникающей в результате удаления из атома кальция всех валентных электронов?

Могут ли электроны иона Аl3+ находиться на следующих орбиталях: а) 2р; б) 1р; в) 3d?

Напишите электронную конфигурацию атома неона в первом возбужденном состоянии.

Каков состав ядер изотопов 12C и 13C, 14N и 15N?

У какого из перечисленных ниже соединений наименее выражены кислотные свойства?

А) HNO3, б) H3PO4, в) H3AsO4, г) H3SbO4.

3. Химическая связь

Знание природы взаимодействия атомов в веществе является основополагающим для выявления многообразия химических соединений, определения состава материалов, их строения и реакционной способности.

Причиной возникновения химической связи является такое состояние атома, при котором он всегда стремится восполнить свою оболочку до двух- или восьмиэлектронного облака. При взаимодействии атомов образуется устойчивая молекула, причем потенциальная энергия молекулы, всегда меньше энергии исходных атомов. Химическая связь образуется только тогда, когда потенциальная энергия при сближении атомов понижается.

В химической связи участвуют валентные электроны, расположенные на внешнем или предвнешнем энергетических уровнях.

Таблица 3.1. Примеры электронных формул атомов

Атом	Полная	Сокращенная	Валентная
Водород H	1s1	-	1s1
Азот N	1s2 2s2 2p3	2s2 2p3	2s2 2p3
Хлор Cl	1s2 2s2 2p33s23p5	3s23p5	3s23p5
Марганец Mn	1s2 2s2 2p33s23p64s23d5	4s23d5	4s23d5
Мышьяк As	1s2 2s2 2p33s23p64s23d104p3	4s23d104p3	4s24p3
Криптон Kr	1s2 2s2 2p33s23p64s23d104p6	4s23d104p6	4s24p6

Рис.3.1. Валентные подуровни и валентные электроны атомов титана и мышьяка

У s- и p- элементов валентными являются электроны внешнего слоя (ns2np6), у d- элементов валентными являются электроны s- состояния внешнего слоя и d - состояния предвнешнего слоя (ns2(n-1)d10), у f- элементов (лантаноиды и актиноиды) электроны f- состояния не являются валентными и в химической связи не участвуют.

Для описания химической связи в веществе необходимо знать распределение электронной плотности атомов. В зависимости от характера распределения электронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Таблица 3.2. Сравнение видов химической связи

Сравниваемые признаки	Виды химической связи
	Ковалентная	Ионная	Металлическая
Способ образования связи	Образование общих электронных пар	Взаимное притяжение разноименно заряженных ионов	Притяжение ионов металлов и свободных электронов
Характер участвующих в образовании связи частиц (атомы или ионы)	Преимущественно атомы неметаллов	Преимущественно ионы металлов и неметаллов	Ионы металлов и свободные электроны
Строение твердых веществ	Молекулярные или атомные кристаллические решетки	Ионный кристалл (ионная кристаллическая решетка)	Кристалл металла (металлическая кристаллическая решетка)

Ионная связь - это электростатическое взаимодействие между ионами с зарядами противоположного знака. Ионная связь образуется в результате значительного переноса электронной плотности от одного атома к другому. Такой тип связи возможен только между атомами, которые резко отличаются по свойствам (типичные металлы с низким потенциалом ионизации соединяются с типичными неметаллами с большим сродством к электрону).

Ионная связь в отличие от ковалентной характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью связи. Обладая силовым полем, каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении. Данные свойства обуславливают склонность ионных молекул к соединению их друг с другом. Энергетически наиболее выгодно, когда каждый электрон окружен максимальным числом ионов противоположного знака. Однако, из-за отталкивания одноименных ионов друг от друга устойчивость системы достигается лишь при определенной взаимной координации ионов. В обычных условиях ионные соединения имеют кристаллическую решетку, в которой каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака, где все связи равноценны, так что весь кристалл можно рассматривать как единую молекулу.

В качестве примеров можно привести MgS, NaCl, которые при обычных условиях являются твердыми веществами, имеют высокие температуры плавления и кипения, их расплавы или растворы проводят электрический ток.

Металлическая связь. Большинство металлов обладают рядом свойств, имеющих общий характер, и отличающийся от свойств других простых или сложных веществ. Это высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи - металлической связи. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, которые слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металла появляются положительные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

В случае металлов нельзя говорить о направленности связей, так как валентные электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Этим объясняется пластичность металлов, т.е. возможность смещения ионов и атомов в любом направлении без нарушения связи.

В результате эксперимента было установлено, что образование химической связи возможно только при противоположных спинах электронов, образующих неразрывную общую пару. Такая химическая связь (двухэлектронная двухцентровая) получила название ковалентной.

Ковалентная связь - связь, образованная парой электронов с противоположно направленными спинами.

Она может образоваться двумя способами: по обменному механизму и донорно-акцепторному (см. далее).

В зависимости от характера распределения электронной плотности молекулы могут быть полярными и неполярными. Если в молекуле каждое электронное облако, образованное общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов, то такая связь называется неполярной (H2, Cl2, O2, N2). Если же соединение состоит из атомов различных элементов и общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов, то такая связь считается полярной (NH3, CH4). В полярных молекулах общее электронное облако смещается к более электроотрицательному атому, и в тем большей степени, чем больше различаются электроотрицательности взаимодействующих атомов.

Полярность молекул оказывает заметное влияние на свойства образуемых ими веществ. Взаимное притяжение полярных молекул и упрочнение связи между ними указывает на то, что вещества, образованные такими молекулами, имеют более высокие температуры плавления и кипения. Жидкости, состоящие из полярных молекул, способствуют электростатической диссоциации растворенных в них веществ.

Следует отметить, что изо всех известных типов химической связи наибольшее внимание заслуживает ковалентная связь, которая в зависимости от способа перекрывания атомных орбиталей (АО) может образовывать (сигма), (пи) и (дельта)- связи.

В качестве первого примера рассмотрим образование молекулы водорода Н2 в виде схемы (1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве второго примера рассмотрим описание молекулы аммиака NН3, в состав которой, наряду с тремя атомами водорода, входит атом азота, у которого валентность совпадает с числом неспаренных валентных электронов (схема 2):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напомним, что представленный выше способ получил название обменного механизма образования ковалентной связи, когда каждый атом предоставляет на связь по одному неспаренному электрону. Однако в методе ВС нет ограничений, налагаемых на "происхождение" общей электронной пары между атомами. Возможен и иной, донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, когда один из партнёров предоставляет для её образования не один электрон, а готовую пару электронов (неподелённую электронную пару НЭП), а второй - только свободную орбиталь (3):

В рассмотренном примере атом В является донором электронной пары, а атом А - акцептором.

Примером вещества (атома) с НЭП является представленный на схеме 2 атом азота в молекуле аммиака. Это позволяет ему участвовать в образовании ещё одной ковалентной связи в качестве донора электронной пары.

В качестве атома-акцептора может служить, например, положительный ион водорода Н+, вообще лишённый электронов. Его незаполненная 1s-орбиталь (свободная АО) показывается следующим образом (4):

Поэтому между молекулой аммиака NH3 и ионом водорода Н+ возможно взаимодействие по донорно-акцепторному механизму; НЭП атома азота становится общей для двух атомов, возникает ковалентная связь, в результате чего образуется катион аммония NH4+ (5):

В возбуждённом состоянии атом углерода имеет во внешнем слое необходимые четыре неспаренных электрона, что позволяет показать образование молекулы СН4 следующим образом:

Из представленной схемы (7) видно, что валентные возможности атома углерода на этом исчерпаны.

Для описания образования химической связи существует несколько методов. Наиболее часто применяются два: метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.

3.1 Метод валентных связей

В основе метода валентных связей (МВС) лежит принцип образования гибридных молекулярных орбиталей.

Теория гибридизации валентных орбиталей по методу валентных связей (ВС) дает представление о пространственной конфигурации молекул и комплексных ионов. Согласно этому представлению химические связи образуются за счет перекрывания гибридных (видоизмененных) атомных орбиталей, которые приведены все к одному виду - вытянутые в одном направлении от ядра. В этом случае достигается максимальное перекрывание электронных облаков, а, следовательно, и химическая связь, образовавшаяся с участием электрона гибридной орбитали должна быть прочной.

...