книги / Общая и неорганическая химия

ЗАДАНИЕ 2

2.1.Изобразите пространственную структуру молекул А (табл. 2). Определите, полярна ли связь в молекулах и полярны ли молекулы в целом.

2.2.Рассмотрите возможность существования молекул и ионов

Бс помощью метода молекулярных орбиталей. Для молекул и ионов

Бнарисуйте энергетическую схему строения, определите порядок связи, предскажите их магнитные свойства и сравните прочность молекулы и иона. Укажите, какая форма записи отражает строение молекулы.

Пример 2.1. Изобразите пространственную структуру молекулы BF3. Определите, полярна ли связь в молекулу и молекула в целом.

Решение. Составим структуру электронной оболочки В, цен-

трального атома молекулы: B 1s22s2p1

K = 1

Валентность бора в BF3 равна 3, следовательно, атом бора переходит в возбужденное состояние В*:

K = 3

В образовании связей участвуют орбитали одного s- и двух p- электронов атома бора, что приводит к образованию трех гибридных орбиталей, расположенных под углом 120°. Тип гибридизации sp2.

Структура электронной оболочки атома фтора:

12

F 1s22s2p5

K = 1

В образовании связей участвуют орбитали р-электронов атомов фтора.

Молекула имеет форму плоского равностороннего треугольника с атомом В в центре. Угол между осями гибридных орбиталей составляет 120°. Разность электроотрицательностей атомов В и F больше нуля, следовательно, связи в молекуле BF 3 ковалентные полярные (рис. 1).

Рис. 1. Геометрия молекулы BF3

Смещение электронной плотности происходит к атому F (на рис. 1 изображено стрелкой). Молекула в целом не полярна, так как имеет симметрическую форму (векторная сумма дипольных моментов связей равна нулю).

Пример 2.2. Расположите электроны на молекулярных орбиталях в молекуле F2.

Решение. В методе МО молекула рассматривается как единая система, содержащая ядра и электроны. При образовании молекулы

13

возникают молекулярные орбитали двух видов – связывающие и разрыхляющие. Если при образовании молекулы из атомов переход электрона на молекулярную орбиталь сопровождается уменьшением энергии, то такая молекулярная орбиталь будет связывающей, если увеличением энергии, то – разрыхляющей.

Электроны в молекулах располагаются на - и -молекулярых орбиталях; -орбиталь может быть скомбинирована из s-атомных орбиталей, причем образуются молекулярные орбитали двух типов: связывающие св и разрыхляющие разр:

σ1sсв и σ1sразр ( σсв2s и σразр2s ).

-молекулярные орбитали могут быть образованы и перекрыванием 2рх-атомных орбиталей. При перекрывании 2ру- и 2рz- атомных орбиталей образуются у- и z-молекулярные орбитали.

Молекулярные орбитали в порядке возрастания энергии располагаются следующим образом (в данном случае приводится порядок заполнения МО в случае большого энергетического различия 2s- и 2р-орбиталей):

Порядок размещения электронов по молекулярным орбиталям тот же, что и в случае атомных орбиталей: прежде всего электронами заполняются орбитали с низкой энергией; заполнение орбиталей подчиняется принципу Паули (на каждой орбитали может быть не более двух электронов с противоположными спинами) и правилу Хунда.

Молекула фтора состоит из двух атомов, в ней 18 электронов. Реакцию образования молекулы F2 из атомов и распределение электронов соединяющихся атомов на молекулярных орбиталях в системе обозначений метода молекулярных орбиталей можно записать следующим образом (цифра за скобкой показывает число электронов на орбитали):

2F[1s22s22p5]

14

F2 ( 1sсв)2 ( 1sразр)2 ( св2s )2 (σсв2px )2 ( св2py )2 ( св2pz )2 ( разр2py )2 ( разр2pz )2 ( разр2px )2.

Для молекулы F2 и молекул, образованных атомами элементов второго периода периодической системы, электроны первого электронного слоя атомов (K-слоя) не принимают участия в образовании химической связи. Поэтому часто в электронных формулах молекул показывают распределение на молекулярных орбиталях только валентных электронов. При этом квантовый слойобозначается буквойK:

Cхему образования молекулярных орбиталей в молекуле F2 можно представить диаграммой (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования молекулярных орбиталей в молекуле F2

15

ТЕМА 3. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Скорость химических реакций. Факторы, влияющие на скорость реакций. Закон действия масс. Константа скорости. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса. Понятие об активном комплексе. Энтальпия и энтропия активации.

Каталитические процессы. Гомогенный и гетерогенный катализ. Химическое равновесие. Необратимые и обратимые процессы.

Гомогенные и гетерогенные равновесия. Константы равновесия в гомогенных и гетерогенных системах. Принцип Ле-Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации на химическое равновесие.

ЗАДАНИЕ 3

3.1. Определите, как изменится скорость прямой реакции (табл. 3) если:

а) концентрацию каждого из исходных веществ увеличить в 2 раза;

б) объем газовой смеси увеличить в 3 раза.

3.2.Рассчитайте константу равновесия KС и первоначальные концентрации исходных веществ, учитывая заданные значения равновесных концентраций.

3.3.Укажите согласно принципу Ле-Шателье, как следует изменить температуру, давление и концентрации веществ, участвующих в реакции, чтобы сместить равновесие в сторону образования продуктов. Ответ поясните.

Пример 3.1. Определите, как изменится скорость реакции

2SO2 + O2 = 2SO3,

если:

а) концентрации исходных веществ увеличить в 2 раза; б) объем газовой смеси увеличить в 3 раза.

Решение. Напишем уравнение для скорости реакции (обозначим υ1) согласно закону действующих масс:

17

υ1 = k[SO2]2·[O2].

После увеличения концентраций SO2 и O2 в 2 раза уравнение для скорости (υ2) примет вид

υ2 = k(2[SO2])2·2[O2] = 8k[SO2]2·[O2].

Скорость реакции увеличится в 8 раз:

υ2 8.

υ1

После увеличения объема газовой смеси в 3 раза концентрации веществ соответственно уменьшатся в 3 раза и выражение для скорости (υ3) примет вид:

Скорость реакции уменьшается в 27 раз:

υ3 1 . υ1 27

Пример 3.2. Равновесие гомогенной системы 2SO2 + O2 = 2SO3 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ

(моль/дм3): [SO2] = 0,2; [O2] = 0,1; [SO3] = 0,5. Рассчитайте константу равновесия и исходные концентрации SO2 и O2.

Решение. Напишем выражение для константы равновесия и определим ее величину:

Исходные концентрации SO2 и O2 находим на основе уравнения реакции.

На образование 2 моль SO3 расходуется 2 моль SO2, следовательно, на образование 0,5 моль SO3 потребовалось 0,5 моль SO2.

18

Учитывая равновесную концентрацию SO2, находим его исходную концентрацию:

[SO2]исх = 0,2 + 0,5 = 0,7 моль/дм3.

На образование 2 моль SO3 необходимо израсходовать 1 моль O2, а для получения 0,5 моль SO3 потребуется 0,5/2 = 0,25 моль. Исходная концентрация O2 равна:

[O2]исх = 0,1 + 0,25 = 0,35 моль/дм3.

ТЕМА 4. РАСТВОРЫ

Раствор, растворитель, растворенное вещество; классификация растворов. Общие свойства растворов. Процессы, сопровождающие образование растворов. Сольватация. Растворимость. Закономерности растворимости газов в жидкостях, смесях двух жидкостей, твердых веществ в жидкостях. Влияние на растворимость природы веществ, температуры, давления. Закон Генри.

Различные виды выражения концентрации растворов и их взаимные пересчеты.

Разбавленные растворы неэлектролитов. Осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Давление насыщенного пара над раствором; закон Рауля. Температура кипения и кристаллизации. Криоскопия и эбулиоскопия. Идеальные и неидеальные растворы. Понятие об активности.

Растворы электролитов. Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации ( ). Константа диссоциации (Kд). Закон разбавления. Факторы, влияющие на степень диссоциации, константу диссоциации.

Использование законов Рауля и Вант-Гоффа для растворов электролитов. Изотонический коэффициент (i). Связь изотонического коэффициента со степенью диссоциации.

Ионное произведение воды. Водородный показатель рН, способы определения рН.

Произведение растворимости (ПР). Влияние одноименных ионов на растворимость труднорастворимых электролитов. Ионооб-

19

менные реакции. Условия смещения равновесия ионообменных реакций.

Гидролиз солей. Степень гидролиза (β). Константа гидролиза (Kг). Факторы, влияющие на полноту протекания реакции гидролиза. Различные случаи гидролиза солей.

ЗАДАНИЕ 4.1

4.1. Вычислите молярную, моляльную, эквивалентную молярную (нормальную) концентрации и титр раствора (табл. 4).

20