Химия. Примеры решения задач контрольной работы

Быстрые реакторы с жидкометаллическим охлаждением

Начертательная геометрия
Инженерная графика
Машиностроительное черчение
Химия
Современная теория строения атомов и молекул
Закон эквивалентов
Рассчитайте мольную массу
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
ИОННЫЕ РЕАКЦИИ ОБМЕНА
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Окислительно-восстановительные реакции
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОЛИЗ
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Полимеры
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Пример решения задачи № 2
Гидромеханические методы
Теплопередача
Расчет коэффициента теплопередачи
Классы неорганических соединений
Элементы химической термодинамики
Электролитическая диссоциация
Электролитическая диссоциация
Дисперсные системы
Растворы неэлектролитов
Степень окисления
Электрохимические процессы

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Примеры решения задач

 Пример 1. Как изменяется полярность ковалентных связей в двуатомных молекулах различных галогенидов лития и цезия? Как количественно определить степени ионности соответствующих связей, а также их энергии диссоциации и тепловые эффекты отвечающих им реакций, исходя из значений электроотрицательностей элементов и энергий диссоциации гомоатомных связей

Решение. Полярность (p) ковалентной σ-связи – это количественная мера смещения области перекрывания электронных облаков двух атомов по направлению к более электроотрицательному из них вдоль линии, соединяющей ядра. Грубая оценка полярности может быть осуществлена путём деления опытных величин дипольных моментов связей на плечо диполя, т.е. расстояние между центрами положительного и отрицательного связанных зарядов. Качественный вывод о величинах p может быть сформулирован на основе учёта электроотрицательностей (ЭО, χ) по шкале Лайнуса Полинга: наибольшей абсолютной разностью ЭО Δ χ и, следовательно, полярностью характеризуется связь между наиболее типичным металлом, расположенном в левом нижнем углу Периодической системы - цезием () и наиболее типичным неметаллом, находящимся в правом верхнем углу той же таблицы – фтором (). Поэтому все другие парные комбинации химических связей (ХС) атомов щелочных металлов (ЩМ) и галогенов (Г) характеризуются меньшими величинами Δ χ и p, хотя они также относятся к разряду ХС условно ионного типа (p > 0,5). При этом количественно полярность ХС может быть аппроксимилирована относительной разностью ЭО:

Степень ионности ХС (i), т.е. относительный эффективный заряд на атоме   (), возникший вследствие установления ХС, - это объёмная характеристика, которая однозначно связана с ковалентностью (с) и полярностью:

 .

Энергия диссоциации ХС может быть вычислена по модифицированной формуле Полинга:

  (эВ)

( и  - энергии диссоциации соответствующих ковалентных связей в гомоатомных соединениях).

Ниже указаны результаты вычислений значений i и химических связей в рассматриваемых соединениях между двумя атомами, которые соответствуют изложенным выше представлениям о роли полярности ХС, а также тепловые эффекты () (или энергии смешения) отвечающих им реакций между щелочными металлами и галогенами:

.

Степени ионности (%) связей в двухатомных галогенидах лития и цезия

 Г

M

F

Cl

Br

I

At

Li

Cs

80

87

76

85

74

84

71

83

65

80

Вычисленные энергии диссоциации (эВ) связей в двуатомных галогенидах лития и цезия

 Г

M

F

Cl

Br

I

At

 Li

 Cs

5.97 (5.98)

5.57 (5.39)

4.92 (4.91)

4.47 (4.54)

4.41 (4.41)

4.05 (4.04)

3.70 (3.70)

3.43 (3.47)

2.87

2.70

  В круглых скобках указаны соответствующие опытные данные.

Тепловые эффекты химических реакций (-ΔH, эВ) лития и цезия с галогенами

 Г

M

F

Cl

Br

I

At

 Li

 Cs

4.59 (4.58)

4.52 (4.34)

3.09 (3.08)

2.98 (3.05)

2.84 (2.84)

2.82 (2.81)

2.35 (2.35)

2.42 (2.46)

1.69

1.86

Для перевода указанной энергии в кДж/моль следует умножить приведённое значение на переводный коэффициент 96,487.

В скобках указаны соответствующие экспериментальные данные.

Из приведённых выражений и указанных данных следует, что энергии химических связей металлов с неметаллами зависят не только от разности электроотрицательностей, но и от величин ЭО неметаллического атома. Как видно, последние существенным образом влияют и на тепловые эффекты реакций с участием металлов, в которых всё же превалирует вклад ковалентной связи и, более очевидным образом, выявляется природа неметалла.

Пример 2. Будут ли происходить изменения в водном растворе гидроксида калия, если опустить в них кусочки двухвалентных s-металлов: а) бериллия, б) кальция? Составьте уравнения возможных реакций в молекулярной и электронной формах.

Решение. Оба металла являются элементами IIА – подгруппы, однако лишь кальций проявляет типично металлические свойства.

а) Поскольку бериллий – это амфотерный металл, то он растворим в водно-щелочной среде:

 2 1; восстановитель, окисляется

  2 1; окислитель, восстанавливается

В итоге образуется водорастворимое комплексное соединение – тетрагидроксобериллат калия. Координационное число катиона бериллия, являющегося комплексообразователем, равно четырём. Акцепторные свойства  обусловлены наличием четырёх вакантных атомных орбиталей на его внешнем уровне: одной 2s-АО и трёх 2p-АО.

б) Кальций не реагирует с гидроксидом калия, являющимся типичным основанием. Однако этот металл взаимодействует с растворителем – водой:

  2 1; восстановитель, окисляется

 2 1; окислитель, восстанавливается 

В ходе реакции образуется другая щёлочь – гидроксид калия (или гашёная известь).

Пример 3. Сравните между собой электронное строение атомов металлов цезия, бария и лантана, а также их поведение по отношению к кислороду и воде.

Решение. Рассматриваемые элементы соседствуют в шестом периоде таблицы Менделеева; они расположены соответственно в IA, IIA и IIIB – подгруппах. В той же последовательности ослабляются металлические свойства. Цезий (Cs,…) – щелочной s-

металл с минимальной электроотрицательностью 0,65  (см. табл. 5 Приложений). Поэтому он наиболее «металличен» и очень энергично взаимодействует как с кислородом (до ),  так и с водой (до ). Барий () – щелочноземельный s-металл с ЭО, равной 0.9 . Он также энергично взаимодействует с (до BaO) и с  (до ), но более слабо, чем Cs. Лантан (La,… ) – редкоземельный d-металл с ЭО, равной 1,1. Он также взаимодействует как с  (до ), так и с  (до ), но ещё слабее, чем Cs и Ba.

Контрольные задания

322. Какая связь существует между восстановительной способностью металлов и их положением в периодической системе? Объясните, почему в водных растворах  восстановительную способность можно оценить, используя ряд напряжений металлов,  по величине стандартного электродного потенциала. Укажите примеры любых четырёх металлов, вытесняющих кобальт из растворов его солей. Назовите причину этого явления  и приведите уравнение электронного баланса одной из соответствующих реакций.

323. Какие периодические характеристики химических элементов могут служить в качестве меры проявления их металлических свойств? У каких элементов из сравниваемых ниже пар металлические свойства выражены более заметно : а) Be и Mg , б) Mg и Al? Из указанных трех металлов выберите те, которые растворимы не только в кислотах, но и в сильных основаниях (щёлочах). Ответ аргументируйте, а также проиллюстрируйте его уравнениями соответствующих реакций в молекулярной и ионной формах.

324. Как зависит сила оснований от «металличности» образующих их элементов? Приведите примеры сильных и слабых оснований, а также оснований средней силы; выделите среди них амфотерные основания и назовите причину проявлений амфотерности. Составьте уравнения реакций между произвольно выбранным амфотерным гидроксидом металла и сильным основанием (щёлочью) в молекулярной и ионной формах.

325. В каком из растворов – NaOH или NH4OH – можно растворить осадок AgCl? Напишите уравнение соответствующей реакции в молекулярной и ионной формах. 

326. Объясните различия восстановительной способности атомов в ряду металлов IA-подгруппы, исходя  из значений энергии ионизации и электроотрицательности . Какой из щелочных металлов наиболее энергично взаимодействует с водой, галогенами, амфотерными металлами? Составьте уравнения реакций этого металла и H2O в молекулярной и электронной формах.

327. Опишите наблюдаемые особенности поведения металлов при взаимодействии их с разбавленной и концентрированной серной кислотой. Какие металлы и почему  окисляются концентрированной H2SO4? Как различаются продукты окисления в зависимости  от активности реагирующего металла? Приведите молекулярные и электронные уравнения  реакций магния с разбавленной и концентрированной серной кислотой. Назовите также металлы, которые с ней не реагируют.

328. Сплав серебра с медью (биллон) подвергали последовательному воздействию азотной и соляной кислот. В каком из растворов – едкого натра или нашатырного спирта - можно растворить выпавший осадок? Составьте уравнения осуществимых реакций в молекулярной и ионной формах.

329. Как ведут себя различные металлы в отношении разбавленной и концентрированной азотной кислоты? В каких случаях, как и почему результат этого воздействия зависит от активности металла? Приведите примеры реакций одного из металлов с разбавленной  и концентрированной HNO3; составьте соответствующие уравнения электронного баланса. Назовите те металлы, которые не реагируют с этой кислотой.

330. Осуществите  следующие превращения: HgHgSO4HgOHgCl2HgO. Для окислительно-восстановительных реакций приведите  уравнения электронного баланса, реакции ионного обмена запишите в молекулярной  и ионной формах.

331. Навески сплава двух металлов – алюминия и кальция – подвергали воздействию воды, соляной и азотной кислот, а также водного раствора AlCl3. В каком из названных случаев и почему не наблюдалось полного перехода металлической  массы в раствор? Составьте уравнения осуществимых реакций в молекулярной форме, дополните их, где необходимо, уравнениями электронного баланса.

332. Осуществите следующие превращения: PbPb2+[Pb(OH4)]2-; составьте уравнения соответствующих реакций.  Учтя электронную формулу иона Pb2+, покажите, какие его вакантные орбитали участвуют в образовании донорно-акцепторных связей в комплексном катионе. Какой геометрической структурой характеризуется этот ион?

333. Рассчитайте величины полярностей, степеней ионности и энергий диссоциации химических связей в двухатомных соединениях лития и цезия с благородными металлами (Cu, Ag, Au), а также вычислите соответствующие энтальпийные эффекты реакции (теплоты образования) их синтеза из двухатомных молекул исходных простых веществ. При вычислениях используйте данные об электроотрицательностях и энергиях диссоциации, приведенные в зад. № 324 и табл. 5 Приложений.

Ответ: вычисленные теплоты образования LiCu, LiAg, LiAu, CsCu, CsAg и CsAu равны соответственно -0,50; -0,665; - 1,585; -0,60; -0,82 и -1,60 (эВ).

334. Будет ли вытесняться водород из воды при контакте ее с медью? Составьте уравнения возможных реакций: 

 а) Cu + HCl; в) Cu + HCl (конц.);

 б) Cu + HNO3 (конц.); г) Cu + HCl + O2.

Составьте для них уравнения электронного баланса. Объясните  причину невозможности протекания остальных реакций.

335. Металлический кобальт обычно извлекают из руды, содержащей CoS2. Укажите полные уравнения реакций,  описывающие следующие технологические процессы: а) обжиг (для получения оксида металла); б) выплавку; в) электролитическое рафинирование.

336. Сравните отношение кадмия и висмута к разбавленным и концентрированным кислотам: а) HCl; б) H2SO4; в) HNO3. Укажите схемы соответствующих превращений, дополните их уравнениями электронного баланса.

337. Серебро и золото, как известно, хорошо растворяются при определенных условиях в водных растворах цианида калия. Назовите эти условия и объясните причину растворимости указанных металлов. Используя метод электронно-ионного  баланса, запишите соответствующие уравнения реакций, расставьте в них стехиометрические коэф-

фициенты.

338. Предложите способ очистки сточных вод, в которых присутствуют токсичные примеси ионов ртути, кадмия, цинка, свинца, олова. Укажите  уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионно-электронной формах.

339. Осуществите следующие превращения:

SnSn(NO3)2Sn(OH)2SnCl2SnCl4Sn.

Для окислительно-восстановительных реакций приведите уравнения электронного баланса; реакции ионного обмена запишите в молекулярной  и ионной формах.

340. Ржавая окраска на поверхности водосливных раковин и других резервуаров обусловлена отложением нерастворимого в воде гидроксида железа (III). Предложите химический способ очистки от ржавчины; составьте соответствующие  уравнения реакций.

341. Объясните, как будут реагировать с избытком NaOH растворы следующих солей: а) BeCl2; б) MgCl2; в) ZnCl2; г) NaHCO3; д) CuOHCl. Укажите уравнения протекающих реакций в молекулярной и ионной формах.

Химия. Примеры решения задач контрольной работы