Химия. Примеры решения задач контрольной работы

Математика решение задач http://kmatem.ru/ Возникновение граффити История дизайна http://matses.ru/

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