ГЛАВА ПЕРВАЯ. Общая характеристика элементов и химических реакций
§1. Характеристика химического элемента на основании его положения в Периодической системе Д.И. Менделеева
i
1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.
Ответ:
Электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных:
1) Сайт "Химическая энциклопедия Онлайн".
2) Сайт "Prime Chemical Group".
3) Сайт "Studarium".
2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.
Ответ:
Характеристика калия:
1) Калий имеет порядковый номер в Периодической системе Z = 19 и массовое число A = 39. Соответственно, заряд ядра его атома +19 (число протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре:
N = A − Z = 39 − 19 = 20.
Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме калия, тоже равно 19.
Элемент калий находится в 4−м периоде Периодической системы, значит, все электроны атома располагаются на четырех энергетических уровнях. Строение электронной оболочки атома калия можно отразить с помощью следующей схемы:
$_ {19}K$ 2е; 8е; 8е; 1е.
Исходя из строения атома, можно предсказать и степень окисления калия в его соединениях. В химических реакциях атом калия отдает один внешний электрон, проявляя восстановительные свойства, следовательно, он получает степень окисления +1.
Восстановительные свойства у калия выражены сильнее, чем у натрия, но слабее, чем у рубидия (элементы ІА группы), что связано с увеличением радиусов атомов при переходе от Na к K и Rb. Соответственно в ряду: Na → K → Rb один внешний электрон всё более удаляется от ядра, ослабевает его связь с ядром, и он всё легче покидают атом, который при этом переходит в ион.
2) Для калия − простого вещества − характерна металлическая кристаллическая решётка и металлическая химическая связь, а отсюда и все типичные для металлов свойства:
$4K + O_{2} = 2K_{2}O$
$2K + 2H_{2}O = 2KOH + H_{2}$
$6K + N_{2} = 2K_{3}N$
3) Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у натрия, но слабее, чем у рубидия, что объясняется ростом радиуса атома в ряду:
Na → K → Rb.
4) Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у кальция, что связано с увеличением числа валентных электронов в ряду:
K → Ca → Ga.
5) Оксид калия $K_{2}O$ является основным оксидом и проявляет все типичные свойства основных оксидов:
$K_{2}O + H_{2}O = 2KOH$
$K_{2}O + 2HCl = 2KCl + H_{2}O$
$K_{2}O + SO_{3} = K_{2}SO_{4}$
6) В качестве гидроксида калию соответствует основание KOH, которое проявляет все характерные свойства оснований:
$2KOH + H_{2}SO_{4} = K_{2}SO_{4} + 2H_{2}O$
$6KOH + P_{2}O_{5} = 2K_{3}PO_{4} + 3H_{2}O$
$2KOH + ZnCl_{2} = Zn(OH)_{2} + 2KCl$
7) Летучего водородного соединения калий не образует.
?
1. Дайте характеристику элементов: а) фосфора; б) калия.
Ответ:
а) Характеристика фосфора
1) Фосфор имеет порядковый номер в Периодической системе Z = 15 и массовое число А = 31. Соответственно, заряд ядра его атома +15 (число протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре:
N = А − Z = 31 − 15 = 16.
Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме фосфора, тоже равно 15.
Элемент фосфор находится в 3−м периоде Периодической системы, значит, все электроны атома располагаются на трёх энергетических уровнях. Строение электронной оболочки атома фосфора можно отразить с помощью следущей схемы:
$_ {15}P$ 2е; 8е; 5е.
2) Фосфор − простое вещество, типичный неметалл. Фосфору свойственно явление аллотропии.
3) Неметаллические свойства у фосфора выражены слабее, чем у азота, но сильнее, чем у мышьяка, что объясняется ростом радиуса атома в ряду:
N → P → As.
4) Неметаллические свойства у фосфора выражены сильнее, чем у кремния, но слабее чем у серы, что связано с увеличением числа валентных электронов в ряду:
Si → P → S.
5) Высший оксид имеет формулу − $P_{2}O_{5}$. Проявляет все свойства кислотных оксидов:
$P_{2}O_{5} + 6NaOH = 2Na_{3}PO_{4} + 3H_{2}O$
$P_{2}O_{5} + 3H_{2}O = 2H_{3}PO_{4}$
$P_{2}O_{5} + 3Na_{2}O = 2Na_{3}PO_{4}$
6) В качестве гидроксида фосфору соответствует кислота $H_{3}PO_{4}$, которая проявляет все характерные свойства кислот.
$H_{3}PO_{4} + 3KOH = K_{3}PO_{4} + 3H_{2}O$
$2H_{3}PO_{4} + 3ZnO = Zn_{3}(PO_{4})_ {2} + 3H_{2}O$
$2H_{3}PO_{4} + 3K_{2}CO_{3} = 2K_{3}PO_{4} + 3H_{2}O + 3CO_{2}$
7) Формула летучего соединения − $PH_{3}$.
б) Характеристика калия
1) Калий имеет порядковый номер в Периодической системе Z = 19 и массовое число А = 39. Соответственно, заряд ядра его атома +19 (число протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре:
N = А − Z = 39 − 19 = 20.
Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме калия, тоже равно 19.
Элемент калий находится в 4−м периоде Периодической системы, значит, все электроны атома располагаются на четырех энергетических уровнях. Строение электронной оболочки атома калия можно отразить с помощью следующей схемы:
$_ {19}K$ 2е; 8е; 8е; 1е.
Исходя из строения атома, можно предсказать и степень окисления калия в его соединениях. В химических реакциях атом калия отдает один внешний электрон, проявляя восстановительные свойства, следовательно, он получает степень окисления +1.
Восстановительные свойства у калия выражены сильнее, чем у натрия, но слабее, чем у рубидия (элементы ІА группы), что связано с увеличением радиусов атомов при переходе от Na к K и Rb. Соответственно в ряду:
Na → K → Rb
один внешний электрон всё более удаляется от ядра, ослабевает его связь с ядром, и он всё легче покидают атом, который при этом переходит в ион.
2) Для калия − простого вещества − характерна металлическая кристаллическая решётка и металлическая химическая связь, а отсюда и все типичные для металлов свойства.
$4K + O_{2} = 2K_{2}O$
$2K + 2H_{2}O = 2KOH + H_{2}$
$6K + N_{2} = 2K_{3}N$
3) Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у натрия, но слабее, чем у рубидия, что объясняется ростом радиуса атома в ряду:
Na → K → Rb.
4) Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у кальция, что связано с увеличением числа валентных электронов в ряду:
K → Ca → Ga.
5) Оксид калия $K_{2}O$ является основным оксидом и проявляет все типичные свойства основных оксидов.
$K_{2}O + H_{2}O = 2KOH$
$K_{2}O + 2HCl = 2KCl + H_{2}O$
$K_{2}O + SO_{3} = K_{2}SO_{4}$
6) В качестве гидроксида калию соответствует основание KOH, которое проявляет все характерные свойства оснований.
$2KOH + H_{2}SO_{4} = K_{2}SO_{4} + 2H_{2}O$
$6KOH + P_{2}O_{5} = 2K_{3}PO_{4} + 3H_{2}O$
$2KOH + ZnCl_{2} = Zn(OH)_{2} + 2KCl$
7) Летучего водородного соединения калий не образует.
2. Запишите уравнения химических реакций, характеризующие свойства: а) $MgO$ и $SO_{3}$; б) $Mg(OH)_{2}$ и $H_{2}SO_{4}$. Уравнения реакций с участием электролитов запишите также в ионной форме.
Ответ:
а) $MgO$ − основный оксид, который реагирует с кислотами, водой и кислотными оксидами.
1) $MgO + 2HCl = MgCl_{2} + H_{2}O$
$MgO + 2H^{+} + 2Cl^{-} = Mg^{2+} + 2Cl^{-} + H_{2}O$
$MgO + 2H^{+} = Mg^{2+} + H_{2}O$
2) $MgO + H_{2}O = Mg(OH)_{2}$
3) $MgO + SO_{3} = MgSO_{4}$
$SO_{3}$ − кислотный оксид, который реагирует с щелочами, водой и основными оксидами.
1) $SO_{3} + 2NaOH = Na_{2}SO_{4} + H_{2}O$
$SO_{3} + 2Na^{+} + 2OH^{-} = 2Na^{+} + SO^{2-}_{4} + H_{2}O$
$SO_{3} + 2OH^{-} = SO^{2-}_{4} + H_{2}O$
2) $SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}$
3) $SO_{3} + Na_{2}O = Na_{2}SO$
б) $Mg(OH)_{2}$ − основание, которое реагирует с кислотами и разлагается.
1) $Mg(OH)_{2} = MgO + H_{2}O$
2) $MgO + H_{2}SO_{4} = MgSO_{4} + H_{2}O$
$MgO + 2H^{+} + SO^{2-}_{4} = Mg^{2+} + SO^{2-}_{4} + H_{2}O$
$MgO + 2H^{+} = Mg^{2+} + H_{2}O$
$H_{2}SO_{4}$ − кислота, которая реагирует с металлами, щелочами, солями и основными оксидами.
1) $H_{2}SO_{4} + Ca = CaSO_{4} + H_{2}$
$2H^{+} + SO^{2-}_{4} + Ca = Ca^{2+} + SO^{2-}_{4} + H_{2}$
$2H^{+} + Ca = Ca^{2+} + H_{2}$
2) $2NaOH + H_{2}SO_{4} = Na_{2}SO_{4} + 2H_{2}O$
$Na^{+} + OH^{-} + 2H^{+} + SO_{4}^{2-} = 2Na^{+} + SO_{4}^{2-} + H_{2}O$
$OH^{-} + H^{+} = H_{2}O$
3) $H_{2}SO_{4} + BaCl_{2} = BaSO_{4} + 2HCl$
$2H_{+} + SO_{4}^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^{-} = BaSO_{4} + 2H^{+} + 2Cl^{-}$
$SO_{4}^{2-} + Ba^{2+} = BaSO_{4}$
4) $H_{2}SO_{4} + K_{2}O = K_{2}SO_{4} + H_{2}O$
$2H^{+} + SO^{2-}_{4} + K_{2}O = 2K^{+} + SO^{2-}_{4} + H_{2}O$
$2H^{+} + K_{2}O = 2K^{+} + H_{2}O$
3. Дайте характеристику магния – простого вещества. Какой тип связи наблюдается в нём? Какие физические свойства имеет металл магний? Запишите уравнения реакций магния со следующими веществами: а) кислородом; б) хлором $Cl_{2}$; в) серой; г) азотом $N_{2}$; д) соляной кислотой. Рассмотрите их с позиций процессов окисления−восстановления.
Ответ:
Характеристика магния:
1) Магний имеет порядковый номер в Периодической системе Z = 12 и массовое число A = 24. Соответственно заряд ядра его атома +12 (число протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре равно N = A − Z = 12.
Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме магния, тоже равно 12.
Магний – металл серебристо−белого цвета, обладает металлическим блеском, электропроводностью, пластичен.
Элемент магний находится в 3−м периоде Периодической системы, значит, все электроны атома располагаются на трёх энергетических уровнях. Строение электронной оболочки атома магния можно отразить с помощью следующей схемы:
$_ {12}Mg$ 2e; 8e; 2е.
Исходя из строения атома, можно предсказать и степень окисления магния в его соединениях. В химических реакциях атом магния отдает два внешних электрона, проявляя восстановительные свойства, следовательно, он получает степень окисления +2.
Восстановительные свойства у магния выражены сильнее, чем у бериллия, но слабее, чем у кальция, что связано с увеличением радиусов атомов при переходе от Ве к Mg и Са. Соответственно, в ряду Be − Mg − Са два внешних электрона всё более удаляются от ядра, ослабевает их связь с ядром, и они всё легче покидают атом, который при этом переходит в ион.
2) Для магния − простого вещества − характерна металлическая кристаллическая решётка и металлическая химическая связь, а отсюда и все типичные для металлов свойства.
3) Металлические свойства у магния выражены сильнее, чем у бериллия, но слабее, чем у кальция.
4) Металлические свойства у магния выражены слабее, чем у натрия, но сильнее, чем у алюминия.
5) Оксид магния является основным оксидом и проявляет все типичные свойства основных оксидов.
6) В качестве гидроксида магнию соответствует основание $Mg(OH)_{2}$, которое проявляет все характерные свойства оснований.
7) Летучего водородного соединения магний не образует.
а) Уравнение реакции магния с кислородом:
$2Mg^{0} + O^{0}_{2} = 2Mg^{+2}O^{-2}$
$O_{2}^{0} + 4ē ⟶ 2O^{-2}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
б) Уравнение реакции магния с хлором $Cl_{2}$:
$Mg^{0} + Cl^{0}_{2} = Mg^{+2}Cl^{-1}_{2}$
$Cl_{2}^{0} + 2ē ⟶ 2Cl^{-1}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
в) Уравнение реакции магния с серой:
$Mg^{0} + S^{0} = MgS$
$S^{0} + 2ē ⟶ S^{-2}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
г) Уравнение реакции магния с азотом $N_{2}$:
$3Mg^{0} + N^{0}_{2} = Mg^{+2}_{3}N^{-3}_{2}$
$N_{2}^{0} + 6ē ⟶ 2N^{-3}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
д) Уравнение реакции магния с соляной кислотой:
$Mg^{0} + 2H^{+1}Cl = Mg^{+2}Cl_{2} + H^{0}_{2}$
$2H^{+1} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
4. Что такое аллотропия? Какой тип химической связи реализуется в молекулах состава: а) $S_{8}$; б) $H_{2}S$? Какие физические свойства имеет наиболее устойчивая модификация серы – ромбическая сера? Запишите уравнения реакций серы со следующими веществами: а) натрием; б) кальцием; в) алюминием; г) кислородом; д) водородом; е) фтором $F_{2}$. Рассмотрите их с позиций процессов окисления−восстановления.
Ответ:
Аллотропия − это способность химического элемента существовать в виде двух или нескольких простых веществ.
а) В молекуле состава $S_{8}$ реализуется ковалентная неполярная связь, так как соединение образовано атомами одного химического элемента.
б) В молекуле состава $H_{2}S$ реализуется ковалентная полярная связь, так как соединение образовано атомами разных химических элементов.
Наиболее устойчивая модификация серы – ромбическая сера − вещество желтого цвета, которое нерастворимо в воде.
Уравнения реакций серы:
а) в натрием:
$2Na + S = Na_{2}S$
$S^{0} + 2ē ⟶ S^{-2}$ − окислитель
$Na^{0} - 1ē ⟶ Na^{+}$ − восстановитель
б) с кальцием:
$Ca + S = CaS$
$S^{0} + 2ē ⟶ S^{-2}$ − окислитель
$Ca^{0} - 2ē ⟶ Ca^{+2}$ − восстановитель
в) с алюминием:
$2Al + 3S = Al_{2}S_{3}$
$S^{0} + 2ē ⟶ S^{-2}$ − окислитель
$Al^{0} - 3ē ⟶ Al^{+3}$ − восстановитель
г) с кислородом:
$S + O_{2} = SO_{2}$
$O_{2}^{0} + 4ē ⟶ 2O^{-2}$ − окислитель
$S^{0} - 4ē ⟶ S^{+4}$ − восстановитель
д) с водородом:
$H_{2} + S = H_{2}S$
$S^{0} + 2ē ⟶ S^{-2}$ − окислитель
$H_{2}^{0} - 2ē ⟶ 2H^{+}$ − восстановитель
е) с фтором $F_{2}$:
$S + 3F_{2} = SF_{6}$
$F_{2}^{0} + 2ē ⟶ 2F^{-}$ − окислитель
$S^{0} - 6ē ⟶ S^{+6}$ − восстановитель
5. Сравните свойства простого вещества кремния со свойствами простых веществ, образованных химическими элементами – соседями кремния по периоду.
Ответ:
Восстановительные свойства кремния выражены слабее, чем у алюминия, но сильнее, чем у фосфора.
Окислительные свойства кремния выражены слабее, чем у фосфора, но сильнее, чем у алюминия.
6. У высшего оксида какого химического элемента наиболее выражены кислотные свойства: а) азота или фосфора; б) фосфора или серы?
Ответ:
а) У высшего оксида азота наиболее выражены кислотные свойства, чем у оксида фосфора, так как в группе сверху вниз основные свойства усиливаются, а кислотные уменьшаются.
б) У высшего оксида серы наиболее выражены кислотные свойства, чем у оксида фосфора, так как в периоде слева направо кислотные свойства усиливаются, а основные уменьшаются.
7. Вычислите объём воздуха (примите объёмную долю кислорода в нём равной 0,2), который потребуется для сжигания 120 мг образца магния, содержащего 2% негорючих примесей.
Ответ:
Дано:
m ($Mg_{техн}$) = 120 мг
ω (примесей) = 2%
φ ($O_{2}$) = 0,2
Найти:
V (воздуха) − ?
Решение:
$2Mg + O_{2} = 2MgO$
ω (чистого в−ва) = 100% − ω (примесей) = 100% − 2% = 98%
m (Mg) = m ($Mg_{техн}$) * ω (чистого в−ва) = 120 мг * 0,98 = 117,6 мг
n (Mg) = m : M = 117,6 : 24 = 5 моль
n ($O_{2}$) = n (Mg) : 2 = 5 : 2 = 2,5 моль
V ($O_{2}$) = n ($O_{2}$) * $V_{m}$ = 2,5 моль * 22,4 л/моль = 55 мл
V (воздуха) = V ($O_{2}$) : φ ($O_{2}$) = 55 мл : 0,2 = 275 мл
Ответ: V (воздуха) = 275 мл.
8. Вычислите объём оксида серы (IV) (н. у.), который может быть получен при сжигании 1,6 кг серы, если выход продукта составляет 80% от теоретически возможного.
Указание. Сначала по уравнению реакции рассчитайте объём оксида серы (IV) – это теоретический объём $V_{теор}$, затем найдите практический объём $V_{практ}$, исходя из известного выхода продукта W:
W = $V_{практ}$ : $V_{теор}$, отсюда $V_{практ}$ = W * $V_{теор}$
Аналогично можно найти массу продукта реакции, используя формулу:
W = $m_{практ}$ : $m_{теор}$, отсюда $m_{практ}$ = W * $m_{теор}$
Ответ:
Дано:
m (S) = 1,6 кг = 1600 г
η = 80%
Найти:
$V_{практ}$ ($SO_{2}$) − ?
Решение:
$S + O_{2} = SO_{2}$
n (S) = m : M = 1600 г : 32 г/моль = 50 моль
n ($SO_{2}$) = n (S) = 50 моль
$V_{теор}$ ($SO_{2}$) = n ($SO_{2}$) * $V_{m}$ = 50 моль * 22,4 л/моль = 1120 л
$V_{практ}$ ($SO_{2}$) = η : $V_{теор}$ ($SO_{2}$) = 0,8 * 1120 = 896 л
Ответ: $V_{практ}$ ($SO_{2}$) = 896 л.
9. Можно ли утверждать, что высшему оксиду серы $SO_{3}$ соответствует сернистая кислота $H_{2}SO_{3}$? Почему?
Ответ:
Нельзя утверждать, что высшему оксиду серы $SO_{3}$ соответствует сернистая кислота $H_{2}SO_{3}$, так как степень окисления серы в данном оксиде равна +6, а в кислоте степень окисления равняется +4.
10. Используя метод электронного баланса, определите коэффициенты в схемах химических реакций:
а) $Mg + CO_{2} ⟶ MgO + C$;
б) $S + KClO_{3} ⟶ KCl + SO_{2}$.
Ответ:
а) $2Mg + CO_{2} = 2MgO + C$
$C^{+4} + 4ē ⟶ C^{0}$ − окислитель
$Mg^{0} - 2ē ⟶ Mg^{+2}$ − восстановитель
б) $3S + 2KClO_{3} = 2KCl + 3SO_{2}$
$Cl^{+5} + 6ē ⟶ Cl^{-}$ − окислитель
$S^{0} - 4ē ⟶ S^{+4}$ − восстановитель
