БУДОВА АТОМІВ І ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
У задачах № 151-200 згідно з табл.1 для хімічних елементів із зазначеними порядковими номерами дати характеристику будови атомів та оцінку природи хімічних зв’язків у деяких їхніх сполуках відповідно до встановленого нижче завдання.
1. Навести назву хімічного елемента (із зазначенням символу, заряду ядра та відносної атомної маси), охарактеризувати його положення в Періодичній системі та класифікувати відповідно до металів чи неметалів.
2. Написати повні електронні формули атома:
а) у стабільному (основному) стані; б) у першому збудженому стані.
3. Побудувати схеми розподілу електронів зовнішнього енергетичного рівня по квантових комірках для атома: а) у стабільному стані; б) у першому збудженому стані. Указати число електронних пар, неспарених електронів, вільних орбіталей на підрівнях цього рівня.
4. Охарактеризувати квантовими числами електрони енергетичного підрівня, що добудовується. Указати, до якого з сімейств (s-, p-, d-, f-сімейство) належить даний елемент.
5. Написати електронну формулу одного з найбільш стабільних одноатомних іонів даного елемента.
6. Розрахувати відносну електронегативність атома, використовуючи дані про його спорідненість до електрона і потенціал іонізації (табл.4Д). У розрахунках електронегативність Літію взяти рівною 268 кДж/моль.
Таблиця 1. Номери задач і порядкові номери елементів
| Номер задачі | Порядкові номери елементів | Номер задачі | Порядкові номери елементів | Номер задачі | Порядкові номери елементів | |||||||
| 3, 79 5, 57 6, 72 7, 73 8, 74 9, 75 10, 78 11, 79 12, 56 13, 81 14, 82 15, 83 16, 84 17, 85 35, 86 19, 87 20, 59 | 21, 89 22, 72 23, 60 24, 61 25, 65 26, 68 27, 77 28, 71 29, 55 30, 56 31, 81 32, 82 33, 83 34, 84 35, 85 36, 53 | 45, 77 46, 78 37, 90 38, 91 39, 92 40, 72 41, 73 42, 74 43, 75 44, 76 47, 79 48, 80 49, 81 50, 82 51, 83 52, 84 53, 85 | ||||||||||
7. Визначити різницю електронегативностей атомів і на підставі даних (табл.5Д) оцінити характер зв’язку (ковалентний чи іонний) у найбільш ста-більних сполуках даного елемента з Оксигеном, а також з Гідрогеном (якщо розглянутий елемент є неметалом) або з Хлором (якщо елемент – метал).
У розрахунках відносні електронегативності Оксигену, Хлору і Гідрогену взяти відповідно рівними 3,5; 3,0 та 2,1.
Приклад. Для хімічних елементів з порядковими номерами 4 і 80 надати характеристику будови атомів та оцінку природи хімічних зв’язків у деяких їхніх сполуках згідно з завданням.
Розв’язання
1. Під порядковими номерами 4 і 80 у Періодичній системі знаходяться:
Берилій, 4Ве, заряд ядра +4, відносна атомна маса 9,012, розташований у 2-му періоді, II групі, головній підгрупі, метал;
Меркурій, 80Нg, заряд ядра +80, відносна атомна маса 200,59, розташований у 6-му періоді, II групі, побічній підгрупі, метал.
2. Електронні формули атомів такі:
для Берилію: а) у стабільному стані 4Ве - 1s22s2; б) у збудженому стані (коли в атомі, що одержав додаткову енергію, відбувається "роз’єднання" 2s-електронів і перехід одного з них на вільну 2p-орбіталь) 4Ве* - 1s22s12p1;
для Меркурію: а) у стабільному стані
80Нg - 1s22s22р63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s2;
б) у збудженому стані
80Нg* - 1s22s22р63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s16p1.
3. Схеми розподілу електронів зовнішнього енергетичного рівня по квантових комірках, що відповідають електронним формулам, наступні:
для Берилію: а) у стабільному стані: б) у збудженому стані:
2s2 2p0 2s1 2p1
[4Ве] − 
; ; [4Ве*] − ;
для Меркурію: а) у стабільному стані: б) у збудженому стані:
6s2 6p0 6d0 6s1 6p1 6d0
. ; ; .
[80Hg] − [80Hg*] –
Кількість електронних пар, неспарених електронів і вільних орбіталей на зовнішньому рівні атомів у стабільному стані та їх зміна при переході у збуджений стан наведені в табл.2.
Таблиця 2. Характеристики електронного стану атомів
| Стан атома | Стан зовнішнього рівня | |||
| Наявність електронних пар | Наявність неспарних електронів | Наявність вільних орбіталей | ||
| а) стабільний: Ве Hg | немає немає | 3 орбіталі 8 орбіталей | ||
| б) збуджений: Ве* Hg* | немає немає | 2 орбіталі 7 орбіталей | ||
4. Берилій належить до s-елементів, у нього заповнюється 2s-підрівень. Меркурій належить до d-елементів, у нього доповнюється 5d-підрівень. Електрони підрівня, що добудовується, характеризуються наборами значень квантових чисел, указаних у табл.3.
Таблиця 3. Характеристика електронів квантовими числами
| Назва елемента | Номер електрона | Квантові числа | |||||||||||||
| n | l | m | s | ||||||||||||
| Ве (2s2) | +1/2 −1/2 | ||||||||||||||
| Hg (5d10) | −2 −1 +1 +2 −2 −1 +1 +2 | +1/2 +1/2 +1/2 +1/2 +1/2 −1/2 −1/2 −1/2 −1/2 −1/2 | |||||||||||||
5. Електронні формули найбільш стабільних іонів такі:
Ве2+ - 1s22s0; Нg2+ - [54Хе] 4f145d106s0.
6. Електронегативність (Х) елемента характеризує здатність його атома приєднувати електрони при утворенні хімічного зв’язку. За формулою Маллікена її визначають як арифметичну півсуму енергії іонізації (I) та спорідненості до електрона (Е), тобто C = 0,5(І + Е).
У табл.4Д знаходимо необхідні значення спорідненості до електрона
18 кДж/моль (Ве), 18 кДж/моль (Нg) і потенціалу іонізації 9,32 еВ (Ве),
10,44 еВ (Hg).
Енергія іонізації моля атомів чисельно дорівнює добутку його потенціалу
іонізації, вираженого в Дж (1 еВ = 1,602·10−19 Дж), на число Авогадро. Звідси
ІBe = 9,32·1,602·10−19·6,02·1023 = 899,5 кДж/моль;
ІHg = 10,44·1,602·10−19·6,02·1023 = 1007,1 кДж/моль;
XВе = 
[899,5 + (−18)] = 440,8 кДж/моль;
ХHg = 
[1007,1 + (−18)] = 494,6 кДж/моль.
За одиницю електронегативності беруть електронегативність Літію
(XLi = 268 кДж/моль); враховуючи це, визначимо відносні електронегативності (c) елементів:
cВе = 
cHg = 
.
7. Берилій і Меркурій − метали, тому для них характерне утворення стабільних сполук з неметалами Оксигеном і Хлором.
Для визначення характеру хімічного зв’язку Ме−О і Ме−Cl треба знайти різницю відносних електронегативностей (c) атомів, що утворюють відповідний зв’язок, за формулою Dc= c1 − c2, де c1 − значення відносної електронегативності для більш електронегативного елемента; c2 − для менш електронегативного елемента.
Dc(Ве–О) = cО – cВе = 3,5 − 1,6 = 1,9; Dc(Ве–Сl) = cСI – cВе = 3,0 − 1,6 = 1,4;
Dc(Нg–О) = cО – cHg = 3,5 − 1,9 = 1,6; Dc(Нg–Cl) = cCl – cHg = 3,0 − 1,9 = 1,1.
Для оцінки ступеня іонності зв’язку необхідно порівняти розрахункові дані зі шкалою (див. табл.5Д). З порівняння випливає, що зв’язок у берилій (II) оксиді іонно-ковалентний (ступінь іонності понад 50 %), в інших сполуках (HgCl2, BeCl2 і HgO) полярний ковалентний. Ступінь полярності зростає в цьому ряду відповідно від 20 до 40 %.
КОМПЛЕКСНІ СПОЛУКИ
При підготовці до розв’язування задач цієї теми треба вивчити теорію координаційних сполук, уміти визначати комплексоутворювач, його заряд і координаційне число, ліганд, заряд комплексного іона, знати різницю в будові центрального атома й ліганду. Необхідно вивчити особливості процесів дисоціації комплексних сполук і комплексних іонів та їхні характеристики. Треба вміти поясняти будову комплексу і визначати його геометричну конфігурацію, використовуючи метод валентних зв’язків.
Приклад 1. Записати формули п’яти координаційних сполук, які складаються з Со3+, Сl-, NH3, Na+.
Розв’язання
Із цих іонів комплексоутворювачем може бути тільки Со3+, оскільки лише цей іон має вільні електронні орбіталі. Його координаційне число дорівнює шести. Лігандами можуть бути Сl– та NH3, тому що ці частинки мають неподільні електронні пари. Формули координаційних сполук такі: [Co(NH3)6]Cl3, [Co(NH3)4Cl2]Cl, Na3[CoCl6], Na2[CoCl5(NH3)], [Co(NH3)3Сl3].
Приклад 2. Визначити концентрацію Ag+ в 0,005 М розчині К[Ag(CN)2], який містить також 0,01 моля КCN в 1 л розчину.
Розв’язання
Дисоціація комплексу відбувається за рівнянням [Ag(CN)2]– « Ag+ + 2CN-.
У присутності надлишку іонів CN–, утворених унаслідок дисоціації КСN, рівновага зміщується в бік недисоційованого комплексу, і кількістю CN-, утворених при дисоціації [Ag(CN)2]–, можна нехтувати. Тоді [CN–] = [КСN] = = 0,01 моль/л.
З тієї ж причини можна припустити, що [Ag(CN)2]- = 0,05 моль/л, звідси
Кнест 
= 10-21; 
Відповідь: концентрація іонів Ag + дорівнює 5·10-19 моль/л.
Задачі
У задачах № 201–220 визначити комплексоутворювач і ліганди, координаційне число і ступінь окиснення комплексоутворювача, заряд комплексного іона. Для наведених сполук записати рівняння двох типів дисоціації і вираз для константи нестійкості. Для першої сполуки пояснити будову з точки зору
методу валентних зв’язків і визначити геометричну конфігурацію комплексу.
201. K3[Fe(CN)6]; [Pt(NH3)6]Cl4; [Ca(H2O)6]Cl2; Ag2[HgI4].
202. [Cr(H2O)6]Cl6; K4[Fe(CN)6]; K2[PtCl6]; [Co(NH3)5Br]SO4.
203. [Pt(NH3)6]Cl2; Na3[Ag(S2O3)2]; [Fe(H2O)6]Cl3; [Cr(H2O)(NH3)4OH]Br2.
204. K2[Cu(CN)4]; [Cr(H2O)5Cl]Cl; [Ag(NH3)2]Cl; [Co(NH3)6]Cl2.
205. K[AuCl4]; [Co(NH3)5Br]SO4; [Cd(H2O)6]Cl2; [Pt(NH3)4Cl]Cl2.
206. [Cо(H2O)6]SO4; [Cd(NH3)6]Br2; [Pt(NH3)3Cl3]Cl; [Cr(H2O)5Cl]Cl.
207. [Cr(H2O)6]F3; Ca2[Fe(CN)6]; K2[Mo(CN)6]; K[Au(CNS)4](OH)2.
208. K3[Co(NH3)6]; Ba[Pt(CN)6]; K2[Cd(CN)4]; Na[AgCl2].
209. K[Pt(NH3)6]; [Cr(H2O)5Cl]SO4; Na2[Pt(NH3)3(NO2)3]; Na2[Ni(CN)4].
210. Na[BF4]; [Co(N2O)3(NH3)3]Cl5; H2[Pt(CN)6]; [Cu(NH3)4]SO4.
211. [Al(H2O)6]Cl3; Na2[Fe(CN)5(NO2)]; K4[Fe(CN)6]; Na3[Hg(CNS)4].
212. K2[Ni(CN)4]; [Cr(NH3)5(NO2)]Cl2; Na2[Pt(OH)6]; Na3[AlF6].
213. K3[Fe(CN)6]; K[Co(NH3)2(NO2)4]; [Pd(NH3)3H2O]Cl2; Na3[Fe(NO2)(CN)5].
214. Ba2[Co(OH)6]; [Ag(NH3)2]Cl; [Cr(H2O)6]Cl3; [Ni(NH3)6]2[Fe(CN)6].
215. [Ag(NH3)2]NO2; Ca2[Fe(CN)6]; [Cr(H2O)6]Cl3; [Co(NH3)4Cl2]Br.
216. [Co(NH3)4(H2O)2]SO4; Na4[Ni(CN)6]; K2[PtCl6]; [Cu(H2O)4]Cl2.
217. [Ni(NH3)4]Br2; Zn[Fe(CN)5(NO)]; K3[AlCl6]; [Co(NH3)4Cl2]2SO4.
218. Na2[Zn(OH)4]; K3[Fe(CN)5(NO2)]; K[AuCl4]; [Ni(NH3)4(H2O)2]SO4.
219. K[Al(OH)4]; [Co(NH3)5Cl]SO4; [Ni(NH3)6](ClO4)2; [Cu(NH3)4]Cl2.
220. Na2[Cu(OH)4]; K3[Fe(CN)6]; [Ag(NH3)2]Cl; [Co(NH3)3(H2O)2Cl]SO4.
У задачах № 221–236 із наведених частин (табл.4) визначити комплексоутворювач і ліганди та скласти формули трьох координаційних сполук. Для цих сполук записати рівняння двох типів дисоціації і вираз для константи нестійкості. Значення можливих координаційних чисел для комплексоутворювачів взяти із [4, с.20].
Таблиця 4. Завдання для розв’язання задач № 221–236
| Номер задачі | Частинки | Номер задачі | Частинки |
| Ni2+, CN–, Cl–, Na+ | Zn2+, CNS–, H2O, K+ | ||
| K+, Pt+4, Cl–, NH3 | K+, Al3+, Cl–, H2O | ||
| Cu2+, H2O, SO42–, Na+ | Со2+, H2O, Cl–, Na+ | ||
| Fe2+, NH3, Br–, K+ | Pb2+, H2O, Br–, Na+ | ||
| Ag+, NH3, Cl–, H2O | Pt+4, H2O, Cl–, Na+ | ||
| Cr+3, H2O, Cl–, Na+ | Cd2+, CNS–, Cl–, Na+ | ||
| Bi3+, H2O, NO32–, Na+ | Co3+, H2O, OH–, Na+ | ||
| Fe3+, H2O, Br–, K+ | Sn2+, OH–, H2O, K+ |
237. Є комплексна сіль складу Ва(СN)2·Сu(CNS)2. При дії розчину Н2SO4 весь барій осаджується у вигляді BaSO4. Написати координаційну формулу сполуки. Яка маса комплексної солі міститься у розчині, якщо в реакції взяли участь 0,125 л 0,25 н. розчину H2SO4? Написати реакції двох типів дисоціації для цієї комплексної сполуки і вираз для константи нестійкості.
238. Є комплексна сіль складу PtCl4·6NH3. При дії розчину AgNO3 хлор повністю осаджується у вигляді AgCl. Написати координаційну формулу сполуки. Яка маса комплексної солі міститься у розчині, якщо в реакції взяла участь 0,01 л 0,02 н. розчину AgNO3? Написати реакції двох типів дисоціації для цієї комплексної сполуки і вираз для константи нестійкості.
239. Емпірична формула солі CrCl3·5H2O. Координаційне число хрому дорівнює шести. Всі молекули води знаходяться у внутрішній сфері. Визначити, який об’єм 0,1 н. розчину AgNO3 необхідний для осадження хлору з 200 мл 0,01 М розчину комплексної солі. Написати реакції двох типів дисоціації для цієї комплексної сполуки і вираз для константи нестійкості.
240. До розчину, який містить 23,25 г комплексної солі СоСl3·4NH3, додали надлишок розчину AgNO3. Маса осадженого AgCl дорівнювала 14,35 г.
Визначити координаційну формулу сполуки. Написати реакції двох типів дисоціації для цієї комплексної сполуки і вираз для константи нестійкості.
241. Визначити концентрацію іонів кадмію в 0,1 М розчині K2[Cd(CN)4],
який містить також 6,5 г/л KCN; Кнест [Cd(CN)4]2– = 7,66·10–18. Пояснити дисоціацію комплексної сполуки.
242. Яка маса іонів срібла міститься в 0,5 л 0,1 М розчину Na3[Ag(S2O3)2], в якому також є 0,1 моль/л Na3S2O3; Кнест [Ag(S2O3)2]3– = 1,00·10–18? Пояснити дисоціацію комплексної сполуки.
243. На осадження іонів Br– з розчину комплексної солі [Cr(H2O)6]Br2 витрачено 0,025 л розчину аргентум нітрату з масовою часткою AgNO3, рівною 10 % (r = 1088 кг/м3). Яка маса комплексної солі міститься у розчині? Пояснити дисоціацію комплексної сполуки і написати вираз для константи нестійкості.
244. Визначити концентрацію іонів срібла в 0,1 М розчині [Ag(NH3)2]Cl, якщо константа нестійкості комплексного іона дорівнює 5,89·10–8. Розчин солі містить ще 5 г/л NH3. Пояснити дисоціацію комплексної сполуки.
245. Константа нестійкості іона [CdI4]2– складає 7,94·10–7. Визначити концент-рацію іонів кадмію в 0,1 М розчині K2[CdI4], який містить також 0,1 моля КІ в 1 л розчину. Кнест [CdI4]2– = 1,74·10–7. Пояснити дисоціацію комплексної сполуки.
246. Константа нестійкості іона [AlF6]3– дорівнює 1,45·10–20. Яка маса іонів алюмінію міститься в 0,25 л 0,24 н. розчину Na3[AlF6], в якому також є 2,5 г KF? Пояснити дисоціацію комплексної сполуки і будову комплексного іона з точки зору методу валентних зв’язків.
247. Константа нестійкості іона [Zn(OH)4]2– при 25 °С дорівнює 7,08·10–14. Розрахувати DG0 процесу [Zn(OH)4]2– « Zn2+ + 4OH– і показати, яка реакція відбувається самовільно. Пояснити дисоціацію і будову комплексного іона з точки зору методу валентних зв’язків.
248. Зміна енергії Гіббса для процесу [Cu(CN)2]2– « Cu2+ + 2CN– при 25 °С
дорівнює 137 кДж/моль. Визначити константу нестійкості комплексного іона. Пояснити дисоціацію і будову комплексного іона з точки зору методу валентних зв’язків.
249. Визначити концентрацію іонів срібла в 0,01 М розчині K[Ag(CN)2], якщо константа нестійкості комплексного іона дорівнює
1,00·10–21. Розчин солі містить також 0,05 моля NaCN в 1 л розчину. Пояснити дисоціацію комплексної сполуки.
250. Константа нестійкості іона [HgI4]2– дорівнює 1,38·10–30. Скільки грамів іонів ртуті міститься в 0,1 л 0,01 М розчину K2[HgI4], в якому знаходиться також 5 г NaI?