Электронное строение атома. для студентов всех форм обучения

ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ»

для студентов всех форм обучения

направления подготовки 051000.62
Профессиональное обучение (по отраслям)

профилей подготовки «Информатика и вычислительная техника», «Энергетика», «Правоведение и правоохранительная деятельность», «Экономика и управление», «Транспорт»,
«Машиностроение и материалообработка», «Металлургия»;

направления подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии

профиля подготовки «Информационные технологии в медиаиндустрии»;

направления подготовки 140400.62 Электроэнергетика и электротехника

профиля подготовки «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

Екатеринбург

Задания и методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Химия». Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «Рос.гос.проф.-пед. университет», 2012. 72 с.

Задания и методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Химия» предназначены для студентов всех форм обучения направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям) профилей подготовки «Информатика и вычислительная техника», «Энергетика», «Правоведение и правоохранительная деятельность», «Экономика и управление», «Транспорт», «Машиностроение и материалообработка», «Металлургия», направления подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии профиля подготовки «Информационные технологии в медиаиндустрии» и направления подготовки 140400.62 Электроэнергетика и электротехника профиля подготовки «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».

Они включают основной теоретический материал по всем темам курса химии, примеры решения задач, контрольные задания и необходимые справочные данные.

Составители: доцент, канд. хим. наук Слинкина М.В.

доцент, канд. хим. наук Харина Г.В.

Одобрены на заседании кафедры общей химии. Протокол от
04.09. 2012. № 1.

Заведующий кафедрой ОХ Н.Т. Шардаков

Рекомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от 19.09.2012. № 1.

Председатель методической

комиссии МаИ РГППУ А.В. Песков

©ФГАОУ ВПО «Российский

государственный

профессионально-

педагогический

университет», 2012

©Слинкина М.В., Харина Г.В., 2012

Содержание

Введение. 4

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОСНОВНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСА ХИМИИ 5

1.1. Электронное строение атома. 5

Примеры решения задач. 7

1.2. Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева. 9

Примеры решения задач. 11

1.3. Химическая связь. 12

Примеры решения задач. 14

1.4. Классы неорганических соединений. 16

Примеры решения задач. 17

1.5. Элементы химической термодинамики и термохимии. 20

Примеры решения задач. 22

1.6. Химическая кинетика и химическое равновесие. 24

Примеры решения задач. 26

1.7. Электролитическая диссоциация. Реакции ионного обмена. 28

Примеры решения задач. 31

1.8. Растворы. Способы выражения концентрации растворов. 32

Примеры решения задач. 33

1.9. Коллоидные растворы.. 34

Примеры решения задач. 36

1.10. Растворы неэлектролитов. 37

Примеры решения задач. 38

1.11. Окислительно-восстановительные реакции. 40

Примеры решения задач. 41

1.12. Электрохимические процессы в гетерогенных системах. 42

Гальванические элементы.. 42

Примеры решения задач. 44

1.13. Коррозия металлов. 45

Примеры решения задач. 46

1.14. Электролиз. 48

Примеры решения задач. 49

1.15. Свойства и получение полимеров. 52

2. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.. 54

3. ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ.. 68

ЛИТЕРАТУРА.. 71

Введение

Самостоятельная работа студента над курсом химии предусматривает изучение программного теоретического материала по лекциям, учебникам и учебным пособиям, выполнение индивидуальной контрольной работы, подготовку к лабораторному практикуму и экзамену (зачету).

Контрольная работа по курсу химии выполняется по индивидуальному варианту, включающему 10 задачдля студентов заочной формы обучения и
20 задач для студентов дневной формы обучения. К выполнению контрольной работы следует приступать только после изучения и усвоения теоретической части курса. Изучать курс химии рекомендуется по отдельным темам, причем пока не усвоена предыдущая тема, не следует переходить к изучению последующей. Далее следует разобраться с типовыми задачами по изучаемой теме, решение которых приведено в конце каждого подраздела методических указаний. Если эти задачи не вызывают у Вас затруднений, то тогда можно смело обратиться к решению задачи, предложенной в индивидуальной контрольной работе.

Обратите внимание на решение расчетных задач: оно обязательно должно включать в себя уравнения химических реакций, математические выражения законов (или принципов), которые используются для расчетов, физический смысл всех величин, входящих в эти выражения, и числовые значения используемых констант. При решении задач необходимо поэтапно приводить все математические преобразования и только потом уже давать окончательный числовой ответ.

Контрольную работу следует выполнить в отдельной тетради в 12 листов. На титульном листе необходимо указать номер варианта,который для студентов заочной формы обучения соответствует двум последним цифрам номера студенческого билета или зачетной книжки. Студентам дневной формы обучения вариант контрольной работы выдается преподавателем, который и устанавливает требования к ее выполнению. Студенты всех форм обучения при оформлении работы сначала должны записать номер задачи и ее полное условие и только после этого изложить подробный ход решения.

Контрольная работа студентов заочной формы обучения должна быть аккуратно оформлена, датирована, подписана студентом и представлена в университет на рецензирование не позднее, чем за две недели до начала сессии. Контрольная работа, выполненная с ошибками, возвращается студенту. Ее следует доработать с учетом всех замечаний, сделанных преподавателем. Все необходимые исправления следует выполнять только в конце работы под заголовком «Работа над ошибками», исправления в тексте не допускаются.

Контрольная работа, выполненная студентом по другому варианту, на рецензирование не принимается.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОСНОВНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСА ХИМИИ

Электронное строение атома

Согласно представлениям квантовой механики электрон имеет двойственную природу: он ведет себя и как частица, и как волна. Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной орбиталью (АО).

Состояние электронов в атоме определяется энергией взаимодействия электронов с ядром. Эта энергия квантована, т.е. ее величина не может быть любой, а принимает лишь определенные значения, зависящие от некоторых величин n, l, m_l, которые называются квантовыми числами. Поэтому атомная орбиталь – это энергетическое состояние электрона, для которого определены значения n, l иm_l..

Главное квантовое число (n) характеризует уровень энергии электронов (энергетический уровень): чем больше значение n, тем больше энергия соответствующего уровня и средний размер электронного облака. Главное квантовое число принимает целочисленные значения: n = 1, 2, 3 …

Своими значениями главное квантовое число нумерует энергетические уровни, на которых могут находиться электроны в атоме. Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме численно равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов первого периода – один энергетический уровень, второго периода – два и т.д. Каждый энергетический уровень (кроме первого) расщепляется на несколько энергетических подуровней. Эти подуровни энергий определяются орбитальным квантовым числом (l), которое характеризует также форму атомной орбитали. Орбитальное квантовое число принимает значения от 0 до (n – 1): l= 0, 1, 2, 3 … (n – 1).

В зависимости от величины l подуровни энергий различаются по типам, которые обозначаются латинскими буквами. Величине l = 0 соответствует s – подуровень, 1 – p, 2 – d, 3 – f. Чем больше значение l, тем выше энергия соответствующего подуровня в пределах одного и того же энергетического уровня.

1-й уровень (n=1, l = 0) имеет s – подуровень (1s); 2-й уровень (n=2, l = 0,
l = 1) имеет s– и p– подуровни (2s 2p); 3-й уровень (n=3, l = 0, l = 1, l = 2) имеет
s–, p– и d–подуровни (3s3p3d) и т.д.

Магнитное квантовое число (m_l) характеризует пространственную ориентацию атомной орбитали. Его значения зависят от величины орбитального квантового числа: m_l = – l … 0 … + l. Например, для l = 1 (р – подуровень),
m_l = -1, 0, 1. Число значений, принимаемых m_l, определяет число АО на данном подуровне. То есть на р-подуровне имеется 3АО , которым соответствуют три различных ориентации в пространстве, на s – подуровне (l = 0, m_l = 0)– 1АО, на d (l =2, m_l = -2,-1, 0, 1, 2) – 5АО и на f (l =3, m_l = -3 -2,-1, 0, 1, 2, 3) – 7АО.

Для условного изображения АО принят символ квадрата называемый квантовой или электронной ячейкой.

Электрон имеет собственный магнитный и механический моменты, которые объединили общим названием «спин», и в связи с этим ввели четвертое квантовое число m_s − спиновое число, принимающее всего два значения: + ½ (↑) и – ½ (↓).

Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней подчиняется следующим правилам.

Принцип минимума энергии заключается в том, что заполнение электронами энергетических подуровней происходит в порядке возрастания их энергии. Так как энергия электронов на подуровнях главным образом определяется квантовыми числами n и l, то в первую очередь электроны заполняют подуровень, характеризующийся наименьшей суммой (n + l). Если для двух энергетических подуровней (n + l) одинакова, то прежде всего заполняется подуровень с меньшим значением n. Эти утверждения выражает правило Клечковского, с учетом которого последовательность заполнения электронами энергетических подуровней может быть представлена в виде следующего ряда: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ≈ 4f < 6p < 7s < 6d ≈ 5f …

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на атомной орбитали, которое не может быть больше двух: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Поэтому если на атомной орбитали появляется второй электрон, то он будет иметь спиновое квантовое число противоположного знака. Принцип Паули позволяет определить максимальное число электронов (ē) на каждом энергетическом подуровне:
s – подуровень – 2 ē (s²); p – подуровень – 6 ē (p⁶); d – подуровень – 10 ē (d¹⁰);
f – подуровень – 14 ē (f¹⁴).

Правило Гунда определяет порядок заполнения атомных орбиталей в пределах данного энергетического подуровня: атомные орбитали заполняются так, чтобы суммарное спиновое квантовое число электронов на подуровне было максимальным. Например, заселение вакантных d-АО пятью электронами возможно в только одним способом, отвечающим наименьшей энергии основного состояния d⁵:

Распределение электронов по различным АО называется электронной конфигурацией (электронной формулой) атома. Например, электронная конфигурация атома кислорода 1s² 2s² 2p⁴,а атома натрия – 1s² 2s² 2p⁶3s¹.

В электронной конфигурации энергетические уровни обозначаются цифрами 1, 2, 3. Каждому энергетическому уровню соответствует определенное квантовое число n = 1, 2, 3 … Энергетические подуровни обозначаются буквенными символами s, p, d, f . Каждый подуровень имеет соответствующее значение орбитального квантового числа l: s – 0, p – 1, d – 2, f – 3. Число электронов, находящихся на подуровне, изображается верхним индексом у буквенного символа, например, 1s².

При составлении электронной конфигурации необходимо пользоваться Периодической системой Д.И. Менделеева, которая отражает электронное строение атома элемента (см. примеры решения задач).

Строение внешнего энергетического уровня, определяет химические свойства атома – способность принимать или отдавать электроны. Вступая в химическое взаимодействие, атом стремится приобрести наиболее устойчивую конфигурацию внешнего уровня – конфигурацию ближайшего к нему инертного газа: двухэлектронную – ns² (типа He) или восьмиэлектронную – ns²np⁶(любого другого газа). Атомы, которые отдают свои электроны другим атомам при химическом взаимодействии, превращаясь в положительно заряженные ионы, проявляют металлические или восстановительные свойства.Атомы, которые принимают электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы, проявляют неметаллические или окислительные свойства. Заряд образующегося иона называется степенью окисления.В Периодической системе Д.И. Менделеева все элементы делятся на металлы, неметаллы и химически инертные благородные газы (8 группа, главная подгруппа). К металлам относятся s – элементы (элементы, у которых последним заполняется s – подуровень внешнего уровня), кроме водорода и гелия; все d - и f – элементы (у них последними заполняются d – подуровень второго снаружи уровня и f – подуровень третьего снаружи уровня, соответственно); а также некоторые p – элементы (у них последним заполняется p – подуровень внешнего уровня). Среди p – элементов металлы отделены от неметаллов диагональю, проходящей от B к At, и лежат ниже этой диагонали.