Валентні можливості атомів

Для відповіді по п.4 завдання I частини необхідно з рекомендованого вам «Опорного конспекту лекцій з хімії» (або з інших підручників з хімії для вищої школи) вивчити розділ «Енергетичне стан електрона в атомі» (стор. 48-50). Особливе значення тут буде грати схема відносного розташування орбіталей для багатоелектронних атомів (рис. 6 (б), стор. 48).

Для початку необхідно:

- написати електронну формулу атома хлору: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5;

- виділити зовнішні електрони: 3s 2 3p 5;

- побудувати для них графічну електронну формулу (2-й варіант):

Для подальшого відповіді необхідно знати основні уявлення по хімічного зв'язку ( «Опорний конспект з хімії». Стор. 59-63), в тому числі:

- основне і збуджений стан електронів в атомі (стор. 49);

- обмінний механізм утворення ковалентного хімічного зв'язку (стор. 62);

- донорно-акцепторні механізм утворення ковалентного хімічного зв'язку (стор. 62).

Примітка. При розгляді валентних можливостей атомів слід враховувати зазначені можливості по утворенню насамперед ковалентного типу зв'язку (неполярной і полярної). До того ж слід розуміти, що валентні можливості і конкретна валентність (ковалентность) - різні поняття. Валентні можливості - це теоретична «максимальна» валентність, яка, як правило, завжди менше валентності конкретних атомів елементів в реально існуючих з'єднаннях. При цьому, чисельна величина валентних можливостей, як і чисельна величина валентності, знака не має. При визначенні валентних можливостей необхідно знайти максимально можливі значення валентних можливостей того чи іншого атома, а також їх кількість за обмінним і донорно-акцепторного механізмам освіти ковалетной хімічного зв'язку. Визначення валентних можливостей коректно проводити для атомів неметалів або полуметаллов, які можуть утворювати хімічні сполуки з ковалентним типом (характером) хімічного зв'язку.

Для визначення валентних можливостей атома хлору в нормальному стані необхідно:

- порахувати кількість вільних зовнішніх електронів і кількість електронних пар або кількість вільних атомних осередків на останньому задіяному енергетичному підрівні. (Задіяним подуровнем вважається такою, на якому в нормальному (не збудженому) стані є хоча б один електрон). У нашому випадку кількість неспарених електронів у атома хлору в нормальному стані дорівнює 1.

- порахувати кількість електронних пар на зовнішніх подуровнях. У нашому випадку їх 3 - одна на підрівні 3s і дві на підрівні 3p. Таким чином, валентні можливості (В.в.) атома хлору в нормальному стані рівні 4: В.в. (Cl) = 1обм + 3 д д.а .. в тому числі одна з обмінним механізмом (обм), три - по донорно-акцепторного (д.а.), де атом хлору виступає в якості донора (д.), Т . Е. атома, який надає при утворенні ковалентного хімічного зв'язку електронну пару. Формальна схема реалізації таких можливостей представлена ​​нижче:

Для визначення валентних можливостей атома хлору в збудженому стані необхідно:

- побудувати для атома хлору графічну електронну формулу (2-й варіант) з урахуванням найближчого незаповненого енергетичного підрівня. У нашому випадку - це 3d-підрівень (рис. 6, стор. 48. «Опорний конспект лекцій з хімії»).

Графічна електронна формула буде виглядати наступним чином:

Відзначимо, що при порушенні електронів, тобто перекладі їх на більш високий енергетичний підрівень того ж енергетичного рівня, що визначається значенням головного квантового числа n (в нашому випадку n = 3), енергетичні витрати (Єв) не настільки значні і можуть бути компенсовані при утворенні хімічного зв'язку (Ехс). При переході електрона з енергетичного підрівня однією електронного шару на енергетичний підрівень іншого електронного шару, енергетичні витрати (Е 1 в) виявляються більше, ніж виграш енергії при утворенні хімічного зв'язку, тобто така валентна можливість не може бути навіть формально реалізована ні в яких хімічних сполуках. Тому такі валентні можливості не враховуються. Вищесказане пояснюють схеми, наведені нижче.

Утворення хімічного зв'язку енергетично невигідно.

Утворення хімічного зв'язку енергетично можливо.

Таким чином, в нашому випадку розподіл електронів для атома хлору в збудженому стані буде виглядати наступним чином:

Виходячи з даної графічної формули, валентні можливості атома хлору в збудженому стані (Cl *) рівні 9: В.в. (Cl *) = 7обм + 2 а д.а .. в тому числі сім за обмінним механізмом (обм), дві - по донорно-акцепторного як акцептора (а), тобто атома надає вільні атомні осередки на задіяному енергетичному рівні. Формальна схема гіпотетичної реалізації таких можливостей представлена ​​нижче:

Ще раз підкреслимо, що такі максимальні валентні можливості, як правило, не можуть бути реалізовані в реальних хімічних сполуках, зокрема через геометричних розмірів атомів.

2.2. II частина контрольного завдання

Нехай ваше завдання по II частини сформульовано таким чином. «Написати (послідовно) хімічні процеси, що відбуваються при контакті алюмінію з розчином сульфіду літію. Обгрунтувати можливість їх протікання ».

а) Спочатку розглянемо метал. У нашому випадку це алюміній. Який це метал за активністю? Зі шкільного курсу ви знаєте, що Al, також як лужні і лужноземельні метали, відносяться до активних металів. А це значить, що він на повітрі обов'язково буде реагувати з киснем повітря, тобто буде покритий оксидною плівкою Al2 O3. Таким чином, при розгляді процесів, що відбуваються в нашій системі, необхідно враховувати наявність не тільки самого металу, але і його оксидної плівки. Отже, перш ніж розглядати реакції за участю алюмінію, необхідно розглянути реакції за участю його оксиду. Для цього слід визначити його властивості. З «Опорного конспекту лекцій з хімії». стр. 23, ви дізнаєтеся, що оксид алюмінію має амфотерні властивості.

В результаті з даного завдання у нас є така інформація:

- активний метал Al;

- на цьому металі є оксидна плівка Al2 O3;

- оксид алюмінію має амфотерні властивості, тобто здатний реагувати або з сильними підставами (лугами), або з сильними кислотами.

б) Далі розглянемо розчин солі. У нашому випадку це сульфід літію і вода: Li2 S + H2 О. Що це за сіль? Дана сіль, утворена сильною основою (LiOH) і слабкою кислотою (H2 S). А такі солі у воді піддаються гідролізу ( «Опорний конспект лекцій з хімії», стор. 131-134):

У разі таких солей, також як і в випадку солей, утворених слабкою основою і сильною кислотою. гідроліз практичні йде тільки по першій ступені. Крім того, не будемо забувати, що гідроліз у багатьох випадках, і в нашому теж, є оборотним процесом. Про це свідчать протилежно спрямовані стрілки. Давайте запишемо процес гідролізу в іонному вигляді. На відміну від запису реакції в молекулярній формі (див. Раніше), такий запис реакції дає нам можливість більш наочно визначити характер середовища, що утворюється в результаті гідролізу (іноді говорять «визначити реакцію середовища»). У нашому випадку запис реакції в іонному вигляді (іонної формі) запишеться так:

Li + + S 2 + H2 O Li + + HS - + Li + + OH -. рН> 7

в скороченому іонному вигляді:

Примітка. Для правильного запису реакції в іонному вигляді слід згадати, що малодиссоциирующие з'єднання (в нашому випадку H2 O), а також слабкі кислоти, слабкі підстави і їх залишки (в нашому випадку HS -) на іони НЕ розкладаються.

Із запису реакції в іонному вигляді наочно видно, що в результаті гідролізу солі Li2 S в продуктах реакції спостерігається поява гідроксид-іонів OH -. тобто середовище стає лужний. Використовуючи водневий показник можна записати, що в нашому випадку pH> 7.

в) Далі нам слід розглянути: як буде вести себе оксидований з поверхні алюміній, коли він буде перебувати в контакті з частково гідролізованим сульфідом літію в лужному середовищі.

Знаючи, що амфотерні оксиди взаємодіють з сильними підставами (а LiOH - одне з них) утворюючи сіль і воду, запишемо:

Таким чином, оксидна плівка може розчинитися.

З чим тепер може взаємодіяти Al? Кислоти немає, в порівнянні з Li він менш активний (див. Ряд активності, «Опорний конспект лекцій з хімії». Стор. 140), тобто не може витіснити літій з його солей. Залишається вода. Зі шкільного курсу хімії ми знаємо, що активні метали здатні витісняти водень із води:

Давайте доведемо, що в нашому випадку, тобто в умовах лужного середовища. така окислювально-відновна реакція дійсно буде відбуватися. (Про окисно-відновних реакціях см. «Опорний конспект лекцій з хімії». Стор. 135-141). Для цього запишемо для цієї реакції процеси окислення і відновлення:

2H + + 2 # 275; = H2. процес відновлення.

Потім, візьмемо чисельні дані за стандартними окислювально-відновним потенціалом (Е 0 або # 966; 0), що характеризують зазначені процеси. Ці дані є в багатьох підручниках або навчальних посібниках з хімії (див. Також «Опорний конспект лекцій з хімії». Стор. 159). Для алюмінію це потенціал Е про рівний -1,66 (В), для водню в лужному середовищі потенціал Е про рівний -0,83 (В). Дане значення Е про для водню отримуємо, використовуючи рівняння Нернста ( «Опорний конспект лекцій з хімії». Стор. 141). Оскільки LiOH - серйозна причина (луг), то значення рН буде не просто більше 7, а значно більше, оскільки в результаті гідролізу Li2 S середовище буде сильнощелочной, рН = 10 14. Візьмемо величину рН = 14, підставивши її в рівняння

Реакція здатна протікати мимовільно, якщо різниця потенціалів # 916; Е, що характеризують процес відновлення і окислення (ЕРС реакції), буде більше нуля. У нашому випадку:

DЕ = -0,83 - (-1,66) = 0,83 (В)

Висновок. алюміній в лужному середовищі здатний витіснити водень із води. В результаті даної окисно-відновної реакції, поряд з воднем, утворюється і гідроксид алюмінію Al (OH) 3. який, як і оксид алюмінію Al2 O3. має амфотерні властивості.

Надалі, гідроксид алюмінію буде взаємодіяти з лугом, яка є в нашій системі:

Примітка. Гідроксид алюмінію є проміжним з'єднанням. Його не слід вказувати в кінцевих продуктах.

Тепер нам залишається підвести підсумки і написати заключну реакцію. У лівій і правій частині залишимо тільки ті речовини, які брали участь в реакціях і утворилися в результаті розглянутих взаємодій:

Примітка. Воду записуємо тільки в лівій частині реакції (де її більше).

Таким чином в навколишнє середовище в якості кінцевих продуктів надійдуть: гидросульфид літію, метаалюмінат літію і водень. Не забудемо також, що навколишнє середовище в цьому місці буде лужної (в даному випадку гідроліз - оборотний процес, при витрачанні LiOH нові порції солі Li2 S будуть гідролізувати з утворенням того ж LiOH).

Висновок по II частини контрольного завдання

За вказаною алгоритму слід розглядати всі контрольні завдання II частини, які ви отримали. Слід, звичайно, розуміти, що в якихось завданнях в результаті гідролізу середовище може вийти кислої (pH<7), и тогда не только оксид, но и сам металл будет способен растворяться в кислоте. В необходимых случаях реальность такой возможности следует проверить, используя ЭДС реакции. Следует помнить, что если вам в подобном задании дан активный металл (Al, Zn и т.д.) и соль менее активного металла (Cu, Fe и т.д.), то после растворения оксидной пленки активный металл сначала вытеснит менее активный из его соли (см. ряд активности металлов: «Опорный конспект лекций по химии». стр. 140). Будет ли вытесненный неактивный металл далее с чем-то взаимодействовать – зависит от состава кислотной среды. Если среда – раствор азотной кислоты, то будет, если среда – растворы серной, соляной и других сильных кислот, то необходимо предварительно вычислить ЭДС окислительно-восстановительных реакций, как было показано ранее.

2.2.1. Основні положення по II частини контрольного завдання

1. оксидної плівки слід враховувати тільки на активних металах.

2. При взаємодії оксидів і гідроксидів активних металів з лугом можна давати найпростіші формули солей, хоча буде вітатися написання реально існуючих формул солей (в розглянутому прикладі LiAlO2 - найпростіша формула (безводна), реальна формула - LiAl (OH) 4).

3. Окисно-відновні реакції необхідно зрівняти (у розглянутій II частини контрольного завдання це реакція алюмінію з водою).

4. У відповідях повинні бути: реакції гідролізу, запис реакції гідролізу в молекулярному та іонному вигляді, ЕРС для окислювально-відновних реакцій, підсумкова реакція.