УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение.
См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8/2003

§ 4.7. Многоэлектронные атомы

(окончание)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Постройте энергетическую диаграмму распределения электронов по энергетическим уровням (для этого воспользуйтесь листом бумаги в клетку и карандашом).
Квантовые числа и их значения приведены ниже:

Не забудьте о принципе наименьшей энергии и правиле Клечковского.
Помните, что уровень, соответствующий n = 1, будет первым, нижним, а уровень с n = 7 – самым верхним. Обозначив каждую орбиталь клеточкой, вы получите структуру в виде перевернутой лестницы. (В других учебниках почему-то принято иное расположение уровней.) Нанесите на диаграмму номера уровней и символы подуровней.
Теперь впишите в клеточки диаграммы стрелки, означающие электроны. Каждая новая стрелка – это один новый протон в ядре атома и один новый электрон в электронной оболочке атома! Назовите химические элементы, которым соответствуют построенные вами электронные диаграммы.
Эта работа для многих из вас может оказаться слишком трудной из-за того, что вы не знаете названий многих элементов, – смотрите таблицу химических элементов Д.И.Менделеева и по ней проверяйте правильность своих ответов.
Построив диаграмму распределения электронов, предложите определения периода, группы и подгруппы периодической таблицы Д.И.Менделеева.

2. Составьте диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням атомов:

1) углерод, кремний, титан;
2) азот, фосфор, ванадий;
3) кислород, сера, хром;
4) фтор, хлор, марганец.

3. Можете ли вы, зная атомный номер элемента, предсказать его свойства?

4. Ниже приведены попарно символы элементов:

1) С и Si; 2) N и P; 3) O и S; 4) Na и K; 5) Mg и Ca;
6) C и N; 7) O и N; 8) Mg и K; 9) Si и P; 10) P и S;
11) P и O; 12) Mg и Al; 13) Al и Si; 14) S и Cl; 15) Cl и I;
16) I и Br; 17) Mg и Fe.

Насколько полно вы можете провести сравнение строения их атомов и свойств? Для этого определите числа протонов и нейтронов в ядрах этих атомов. Нарисуйте диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням.
Предскажите возможные валентности элементов и приведите как можно больше химических формул соединений, в которых данный элемент проявляет предсказанную валентность. Знаете ли вы соединения, в которых эти элементы проявляют другие валентности? Обсудите роль сравниваемых элементов в природе, процессах жизнедеятельности, промышленности и быту.

5. Переведите на русский язык.

The application of quantum mechanics to atoms with many electrons is a difficult mathematical procedure, but theoretical results which are in extremely good agreement with experiment have been obtained. Consequently, we are confident that quantum mechanics provides a completely satisfactory description of even the most complicated atoms. The simplest procedures used for the approximate qualitative description of multy-electron atoms are natural extensions of those used to describe the hydrogen atom. Electrons are associated with atomic orbitals which are qualitatively similar to the orbitals of the hydrogen atom. Each orbital is labeled with a set of quantum numbers which are just the same as those used for the hydrogen atom.
Another important qualitative feature of multy-electron atoms is that each electron in the atom has unique set of quantum numbers. That is, each electron has a combination of n, l, m and s which is in some way different from those of all other electrons in the atom. This important universal observation is called the Pauli exclusion principle. It is an experimental fact which really has no fundamental explanation, just as there is no explanation of why two like charges repel each other with a force given by Coulomb’s law. Another way of stating the Pauli principle is that no more than two electrons can occupy the same atomic orbital. Two electrons in the same orbital have the same values of n, l and m; thus in order for each electron to have a unique set of quantum numbers, one must have spin +1/2, the other spin –1/2. In short, two electrons can occupy the same orbital if and only if their spins are different.

Лабораторные исследования

Когда вы будете выполнять задания 1 и 2, то помните, что вы сравниваете свойства двух элементов, причем один элемент отличается от другого только тем, что в его ядре на один протон больше и в электронной оболочке на один электрон больше. Различие всего-навсего в одном электроне, а как значительно изменяются свойства элемента!
Выполняя опыт, повторяйте про себя: «Я вижу, как проявляет себя дополнительный электрон!»
В других заданиях сравниваемые элементы могут отличаться на большее число электронов. В этом случае вам может удастся обнаружить сходство элементов, а не их резкое отличие.

1. Сравнение свойств сероводорода и хлороводорода.

Сероводород – бесцветный газ с запахом тухлых яиц. Сильный яд! Незначительные концентрации в воздухе вызывают головную боль. Концентрация выше 0,5 мг/л опасна для жизни! Несмотря на его ядовитость, сероводородные ванны очень полезны для здоровья. Смеси сероводорода и воздуха сгорают на воздухе со взрывом (цепная реакция).
Нарисуйте диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням атомов серы и хлора. Предскажите валентные состояния этих элементов и их свойства.
Опыт 1. В несколько маленьких пробирок налейте по 0,5–1 мл раствора сероводорода H2S (иногда его называют сероводородной водой), в другие такие же пробирки налейте по столько же раствора хлороводорода, соляной кислоты НCl. Желательно, чтобы растворы были одинаковой концентрации (0,1 М).
Если раствора сероводорода в лаборатории нет, возьмите несколько кусочков сульфида железа, положите их в пробирку с пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка, соединенная с отводной резиновой трубкой, последняя заканчивается стеклянной трубкой с оттянутым концом (капилляр), опущенным в другую пробирку с водой. На кусочек (кусочки) сульфида железа налейте несколько миллилитров соляной кислоты, быстро закройте пробирку пробкой и пропускайте ток сероводорода через воду. Напомним уравнение реакции:

FeS + 2HCl = FeCl₂ + H₂S.

В одном объеме воды при обычных условиях растворяется около трех объемов сероводорода, что соответствует образованию примерно 0,1 М раствора H₂S. Проверьте это расчетом. Для сравнения свойств сероводорода и хлороводорода желательно, чтобы раствор соляной кислоты был той же концентрации.
Равномерный ток сероводорода получается при нагревании с серой богатых водородом органических соединений, например парафина (1 часть парафина на 1 часть серы, температура 300 °С).
Положите в пробирки с растворами сероводорода и соляной кислоты по маленькому кусочку цинка. Опишите свои наблюдения. Если проходит реакция, то составьте ее уравнение. Наблюдаются ли различия в свойствах сероводорода и хлороводорода? Каковы их причины?
Опыт 2. Положите в пробирки с растворами сероводорода и соляной кислоты по нескольку крупинок соды Na₂CO₃ или подействуйте несколькими каплями раствора соды. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции.
Опыт 3. Испытайте растворы сероводорода и соляной кислоты индикаторами (раствор лакмуса, лакмусовая бумажка, растворы фенолфталеина или метилоранжа). Сформулируйте выводы о кислотных свойствах сероводорода и хлороводорода (какая кислота сильнее?).
Была ли среди изученных реакций окислительно-восстановительная реакция?
Опыт 4. Сравните окислительно-восстановительную способность сероводорода и хлорид-иона в их водных растворах. Не смогли бы вы объяснить, почему было сказано «сероводород», а не «сульфид-ион», как «хлорид-ион»?
Для опыта вам понадобится раствор сернистой кислоты Н₂SО₃ (можно получить пропусканием сернистого газа SО₂ через воду) или подкисленный раствор сульфита натрия Na₂SО₃.
В одном объеме воды растворяется около 36 объемов сернистого газа при температуре 20 °С, что соответствует примерно 6%-му содержанию в растворе SО₂. Раствор сернистой кислоты сохраняется недолго из-за летучести SО₂ и окисления его кислородом воздуха.
К 1–2 мл сернистой кислоты или сульфита натрия прилейте столько же сероводородной кислоты. Что наблюдаете? Попытайтесь написать уравнение реакции, если она протекает. Это задание довольно сложное, потому что вам нужно предсказать продукты реакции. Вам следует сообразить, какое вещество может образоваться из H₂S и Н₂SО₃ (или SО₂). Каковы валентности серы в этих соединениях? Как они могут измениться в окислительно-восстановительной реакции? Какое устойчивое вещество может образоваться из сероводорода и сернистой кислоты?
Теперь испытайте действие 0,1 М раствора соляной кислоты на раствор сероводорода. Что вы наблюдаете? Сформулируйте выводы по результатам наблюдений этих двух реакций.
Опыт 5. Изучите действие раствора пероксида водорода на растворы хлороводорода и сероводорода.
Задание имеет исследовательский характер. Вам придется многие вопросы обдумать самостоятельно. Вы можете получить неожиданные результаты.
К 1–2 мл растворов сероводорода и хлороводорода прилейте примерно столько же раствора пероксида водорода (примерно 3%-й раствор). Если реакция не проходит, воспользуйтесь более концентрированным раствором пероксида водорода.

Имеющийся в лаборатории концентрированный раствор пероксида водорода содержит его около 30% (пергидроль). Разбавлением готовят растворы требуемой концентрации (чаще всего 3%-е). При хранении растворы пероксида медленно выделяют кислород (склянку с раствором пероксида водорода нельзя плотно закрывать пробкой, тем более притертой стеклянной!). Чем меньше концентрация раствора пероксида водорода, тем он устойчивее. Для замедления разложения пероксида водорода в раствор добавляют фосфорную, салициловую кислоты и другие вещества.

Помните, пероксид водорода Н₂О₂ может проявлять окислительные и восстановительные свойства:

Н₂О₂ + 2Н⁺ + 2е = 2Н₂О,
Н₂О₂ + 2ОН^– – 2е = О₂ + 2Н₂О.

Опыт 6. Вы можете испытать растворы сероводорода и соляной кислоты, действуя подкисленными растворами перманганата калия или дихромата калия. Подумайте, как можно объяснить происходящие явления.
Опыт 7. Все вышеописанные опыты можно повторить с растворами хлорида натрия NaCl и сульфида натрия Na₂S. В этом случае реакция будет проходить с сульфид-ионами S^2–, т. к. сульфид натрия в водном растворе ведет себя как сильный электролит в отличие от сероводорода – слабого электролита.
При проведении опытов и объяснении их результатов вам следует постоянно помнить, что (мы об этом говорили) атомы серы и хлора различаются всего на один электрон!

2. Сравнение свойств магния и алюминия.

Нарисуйте диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням атомов магния и алюминия. Предскажите валентные состояния этих элементов и попытайтесь предсказать их свойства. Какой из этих элементов в виде простого вещества обладает более выраженными свойствами элемента, относящегося к классу металлов?
Опыт 1. Маленькие кусочки магния и алюминия поместите в растворы соляной (хлороводородной) кислоты и щелочи (гидроксид натрия), взяв по 1–2 мл 1 М или 0,1 М растворов. Предложите уравнения реакций. Если вам будет сложно объяснить результаты реакций, проделайте следующий опыт и прочитайте к нему пояснения.
Опыт 2. Налейте в две пробирки по 1–2 мл растворов хлоридов магния MgCl₂ и алюминия AlCl₃ или их сульфатов MgSO₄ и Al₂(SO₄)₃. Прилейте к растворам немного щелочи (гидроксид натрия NaОН) до образования осадков гидроксидов магния Mg(OH)₂ и алюминия Al(OH)₃. Напишите уравнения реакций.
Каждый из полученных осадков разделите на две части, подействуйте на них растворами серной или соляной кислоты (0,1 М) и щелочи (гидроксид натрия NаОН или гидроксид калия КОН). Опишите результаты опыта, составьте уравнения реакций. Четко сформулируйте выводы о свойствах элементов.
Уравнения реакций между гидроксидами магния Mg(OH)₂ и алюминия Al(OH)₃ и кислотой вы легко напишите. Уравнение реакции между гидроксидом алюминия и гидроксидом натрия может вызвать у вас трудности, поэтому обсудим этот вопрос. Формулу гидроксида алюминия Al(OH)₃ можно написать в виде формулы кислоты Н₃AlO₃. Эта кислота теряет одну молекулу воды и превращается в простейшую алюминиевую кислоту НАlO₂. Алюминиевая кислота – слабая кислота, поэтому уравнение реакции между гидроксидом алюминия и гидроксидом натрия можно написать как между кислотой и гидроксидом:

НАlO₂ + NаОН = NaAlO₂ + Н₂О.

Правильнее было бы написать это уравнение, не используя формулу гидроксида натрия, т. к. это сильный электролит, находящийся в водном растворе в виде ионов натрия Na⁺ и гидроксид-ионов ОН^–:

НАlO₂ + ОН^– = AlO^2– + Н₂О.

Заметим, что формула алюминат-иона – простейшая. Часто говорят, что в щелочном растворе алюминий находится в виде комплексных ионов [Аl(ОН)₄]^–. Вы можете попытаться написать уравнение реакции между гидроксидом алюминия и гидроксид-ионом с образованием иона [Аl(ОН)₄]^–.Свойство элемента, у которого гидроксид растворяется и в растворе кислоты, и в растворе щелочи, называется амфотерностью.
Какой из элементов – магний или алюминий – обладает амфотерными свойствами?

В следующих опытах вы сравниваете элементы, отличающиеся друг от друга уже не на один электрон, а на большее их число. Вы можете обнаружить, что такое различие не приводит к резкому отличию в их свойствах.

3. Сравнение свойств магния и цинка.

Опыты проведите так же, как вы проводили их с магнием и алюминием. Почему вам предложены именно эти два элемента? Какой из элементов – магний или цинк – обладает амфотерными свойствами?

4. Сравнение свойств меди и цинка.

Опыты проводите так же, как вы проводили их с магнием и алюминием.

5. Сравнение свойств алюминия и цинка.

Опыты проводите так же, как вы проводили их с магнием и алюминием. Очень интересно, какие выводы вы сформулируете по результатам этих опытов. Не забывайте про амфотерные свойства элементов.

6. Сравнение свойств алюминия и железа.

Трудное для выполнения и объяснения результатов задание! Тем не менее попытайтесь его выполнить. Это исследование проводите так же, как вы проводили опыты с магнием и алюминием.

7. Сравнение свойств железа и цинка.

Самое трудное для выполнения и объяснения результатов задание, однако попытайтесь его сделать. Исследование проводите так же, как вы проводили опыты с магнием и алюминием.

8. Описание свойств и применения элементов.

Вы провели исследования свойств следующих элементов: сера, хлор, магний, алюминий, цинк, медь, железо.
Теперь вам предстоит написать реферат или короткое сочинение в виде обзора по одному из этих элементов и его соединениям: рассмотреть свойства, роль в природе и жизнедеятельности человека.
Вы можете пользоваться другими учебниками по химии, энциклопедиями и энциклопедическими словарями. Особое внимание обратите на поиски сведений об использовании элемента и его соединений в гуманитарных науках.

О.С.ЗАЙЦЕВ