Химия металлов и их соединений.

1. Насколько справедливо утверждение, что металлы представлены элементами всех блоков, то есть s-, р-, d- и f-блоков? Можно ли выделить электронные кон­фигурации атомов, которые наиболее характерны для металлов?

2. Что представляют собой сплавы? Чем отличаются друг от друга сплавы внедре­ния и замещения? Можно ли прогнозировать образование тех или других спла­вов, исходя из свойств элементов, которые планируется использовать для их по­лучения?

3. Исходя из электронной конфигурации атомов металлов, объясните склонность их к образованию ионов типа Ме⁺ и Ме^2+. Как связаны максимальные значения степени окисления металлов с электронными конфигурациями их атомов? Какая корреляция существует между положением металлов в периодической таблице и их химическими свойствами? Почему некоторые «активные» металлы проявля­ют пассивность при действии на них химических реагентов?

4. В каких формах металлы представлены в природных условиях? Какие минералы называют рудой? Приведите примеры руд металлов, наиболее важных для хозяйственных целей.

5. Сделайте обзор основных методов получения металлов из природных соединений. Приведите примеры, иллюстрирующие применение каждого из перечисленных методов. Какие металлы получают методом электролиза? Почему некоторые металлы получают электролизом водных растворов их солей, а другие - электролизом расплавов? С какой целью проводят электрорафинирование металлов?

6. Все s-элементы - металлы. Как изменяется активность металлов этой группы в зависимости от их положения в периодической таблице? Какие из металлов IА и IIА групп получают методом электролиза? Почему ни один из щелочных металлов не получают методом восстановления в водном растворе с помощью другого более активного щелочного металла?

7. Какие соединения образуются при взаимодействии металлов IА и IIА групп с кислородом и водой? Что представляют собой пероксиды и супероксиды этих металлов? Какие из числа щелочных и щелочно -земельных металлов образуют растворимые основания, амфотерные основания? Как изменяется сила оснований в зависимости от положения образующих их s-элементов в периодической таблице? Как получают практически важные продукты - кальцинированную соду Na₂СО₃ и пищевую соду NаНСО₃?

8. Насколько справедливо утверждение, что металлы представлены элементами всех блоков, то есть s-, р-, d- и f-блоков? Можно ли выделить электронные кон­фигурации атомов, которые наиболее характерны для металлов?

9. Что представляют собой сплавы? Чем отличаются друг от друга сплавы внедре­ния и замещения? Можно ли прогнозировать образование тех или других спла­вов, исходя из свойств элементов, которые планируется использовать для их по­лучения?

10. Какую информацию о сплавах содержат фазовые диаграммы? К какому типу от­носится фазовая диаграмма Fe-С? Что выражают на фазовой диаграмме эвтекти­ческая точка и эвтектоидная точка? Какие фазы называют аустенитом, ферритом, перлитом, цементитом? Почему содержание углерода в сталях ограничивают 2%? Чем объясняется существенное различие свойств чугуна и стали?

11. Исходя из электронной конфигурации атомов металлов, объясните склонность их к образованию ионов типа Ме⁺ и Ме^2+. Как связаны максимальные значения степени окисления металлов с электронными конфигурациями их атомов? Какая корреляция существует между положением металлов в периодической таблице и их химическими свойствами? Почему некоторые «активные» металлы проявля­ют пассивность при действии на них химических реагентов?

12. В каких формах металлы представлены в природных условиях? Какие минералы называют рудой? Приведите примеры руд металлов, наиболее важных для хо­зяйственных целей.

13. Сделайте обзор основных методов получения металлов из природных соедине­ний. Приведите примеры, иллюстрирующие применение каждого из перечислен­ных методов. Какие металлы получают методом электролиза? Почему некоторые металлы получают электролизом водных растворов их солей, а другие - элек­ролизом расплавов? С какой целью проводят электрорафинирование металлов?

14. Все s-элементы - металлы. Как изменяется активность металлов этой группы в зависимости от их положения в периодической таблице? Какие из металлов IА и IIА групп получают методом электролиза? Почему ни один из щелочных метал­лов не получают методом восстановления в водном растворе с помощью другого более активного щелочного металла?

15. Какие соединения образуются при взаимодействии металлов IА и IIА групп с кислородом и водой? Что представляют собой пероксиды и супероксиды этих металлов? Какие из числа щелочных и щелочно-земельных металлов образуют растворимые основания, амфотерные основания? Как изменяется сила оснований в зависимости от положения образующих их s-элементов в периодической таб­лице? Как получают практически важные продукты - кальцинированную соду
Na₂CO₃ и пищевую соду МаНСО₃?

16. Какие соединения Мg и Са сообщают воде временную и постоянную жесткость? Какие существуют пути устранения временной и постоянной жесткости воды?

17. В чем причина неустойчивости «простых» ионов А1³⁺ в водных растворах? Ка­кие формы ионов алюминия (III) преобладают в водных растворах в кислых и щелочных средах? Почему нельзя выделить из водных растворов соединения Аl₂ S₃, А1₂ (СO₃)₃?

18.В соответствии со значением электродного потенциала φ°Al₃+/Al = -1,662 В алю­миний должен обладать высокой восстановительной способностью. Но алю­миний и его сплавы устойчивы в окислительных средах. Чем объясняется ус­тойчивость алюминия по отношению к окислителям? Какие свойства алюми­ния определили возможность широкого использования алюминиевой фольги для приготовления, упаковки и хранения пищевых продуктов?

19. Какие электродные конфигурации атомов свойственны d-металлам (переходным металлам)? Как, исходя из электронных конфигураций атомов, можно объяс­нить образование переходными металлами ионов типа Ме⁺, Ме²⁺ и Ме ³⁺? Как можно оценить значения возможных максимальных степеней окисления d-металлов, исходя из их положения в периодической таблице? Какие законо­мерности изменения свойств металлов проявляются в зависимости от их поло­жения в периодах и в группах периодической таблицы? Чем можно объяснить особую близость пар элементов второго и третьего переходных рядов одних и тех же групп?

20. Какими свойствами обладают металлы Cr, Мо и W, какие реагенты и при каких условиях действуют на эти металлы? Составьте уравнения реакций взаимодей­ствия Cr с разбавленной и концентрированной Н₂SО₄, Мо — с концентрирован­ной НNО₃, W - со смесью HNO₃ и НF.

21. Какие степени окисления характерны для Сг, Мо и W в их химических соедине­ниях? Рассмотрите основные закономерности изменения окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств хрома на примере соединений СrО-Сr₂О₃-СrО₃ и Сr(ОН)₂-Сr(ОН)₃-Н₂СrО₄, сделанные выводы подтвердите уравнениями химических реакций. Какое различие по составу и структуре про­является между хроматами и дихроматами? Какие сложные формы ионов могут образовывать молибден (VI) и вольфрам (VI) в водных средах?

22. Какие степени окисления в химических соединениях проявляют Мn, Тс и Rе? Укажите наиболее устойчивые состояния этих элементов и те условия, при ко­торых они реализуются. В природных условиях наиболее устойчивым соедине­нием марганца является МnО₂. Предложите химические реакции, с помощью которых можно получить из МnО₂ следующие соединения: Мn(ОН)₂, МnО(ОН), К₂МnО₄ и КМnО₄.

23. Сопоставьте электронные конфигурации атомов Fе, Со и Ni и степени окисле­ния, свойственные этим элементам, обратив внимание на максимальные значе­ния возможных степеней окисления и значения наиболее устойчивых степеней окисления. В каких ионных состояниях существуют железо, кобальт и никель в водных растворах? Какие комплексные соединения могут образовывать данные элементы? Дайте характеристику кислотно-основных свойств гидроксидов же­леза (II) и (III). Что представляют собой ферриты? Чем обусловлено широкое практическое использование железа и сплавов на его основе?

5.6.2. Вопросы для подготовки к экзамену

1. Основные стехиометрические законы химии. Расчеты по химическим формулам. Расчеты по химическим уравнениям. Практический выход продукта реакции.

2. Модель атома с позиций квантовой механики. Квантовые числа и атомные орбитали.

3. Электронные конфигурации атомов. Принципы заполнения орбиталей электронами.

4. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Причина периодичности.

5. Периодически изменяющиеся свойства изолированных атомов, простых и сложных веществ.

6. Химическая связь, её природа и количественные характеристики: длина, энергия, валентный угол.

7. Ковалентная связь и методы её описания. Метод валентных связей. Механизмы образования и разрыва ковалентной связи.

8. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность, поляризуемость. Полярность связи и молекулы.

9. Гибридизация атомных орбиталей и пространственное строение атомов и ионов.

10. Метод молекулярных орбиталей. Описание молекул по методу МО.

11.Ионная связь. Особенности структуры и свойств ионных соединений. Энергия кристаллической решетки. Координационные числа ионов и типы кристаллических структур.

12. Металлическая связь. Зонная теория металлической связи.

13. Химическая связь в твердых телах. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

14. Межмолекулярное взаимодействие (ориентационное, индукционное, дисперсионное). Энергия межмолекулярного взаимодействия.

15. Водородная связь. Влияние водородной связи на физические свойства веществ с молекулярной структурой.

16. Кристаллическое состояние вещества. Атомные, ионные, металлические, молекулярные кристаллы и их свойства.

17. Применение законов термодинамики к химическим процессам.

18.Основные экспериментальные и расчетные методы определения термодинамических характеристик химических систем и отдельных веществ.

19. Первый закон термодинамики. Теплоты процессов при постоянном объёме и при постоянном давлении.

20. Закон Гесса и его следствия. Оценка теплоты химической реакции по энергиям связей.

21. Стандартные состояния и стандартные теплоты образования веществ.

22. Теплоты сгорания. Топливо как источник энергии.

23. Зависимость теплового эффекта от температуры.

24. Второй закон термодинамики. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы.

25. Роль энтальпийного, энтропийного факторов и температуры в оценке возможности и полноты протекания химической реакции.

26. Термодинамика химического равновесия. Расчеты выхода продуктов химических реакций различных типов.

27. Фазовые равновесия. Применение правила фаз Гиббса к диаграммам состояния однокомпонентных и двухкомпонентных систем. Термический анализ.

28. Основные понятия и законы химической кинетики.

29. Кинетический закон действующих масс и области его применения.

30. Использование законов химической кинетики в современных технологиях.

31. Зависимость скорости химической реакции от природы и концентрации реагентов, температуры. Температурный коэффициент скорости.

32. Теория активированного комплекса. Энергия активации, методы определения. Уравнение Аррениуса.

33. Механизм химической реакции. Цепные химические реакции. Основные стадии протекания цепных реакций.

34. Колебательные химические реакции.

35. Катализаторы и ингибиторы. Роль катализа в химии. Механизмы каталитических процессов. Каталитические процессы в химической, нефтехимической, газовой промышленности.

36. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Сдвиг химического равновесия. Принцип Ле - Шателье.

37. Растворы и реакции в водных растворах.

38. Растворение как физико-химический процесс. Изменение энтальпии и энтропии при растворении веществ. Сольватация.

39. Классификация растворов. Способы выражения состава растворов.

40. Давление насыщенного пара жидких растворов. Закон Рауля.

41. Коллигативные свойства растворов. Криоскопия и эбулиоскопия. Осмос.

42. Электролитическая диссоциация. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации.

43. Особые свойства воды как растворителя. Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель.

44. Равновесия в растворах слабых электролитов. Константа диссоциации. Закон разбавления.

45. Труднорастворимые электролиты. Произведение растворимости. Условия осаждения труднорастворимых веществ и их растворения.

46. Протолитические равновесия. Гидролиз солей.

47. Электрохимические свойства растворов. Окислительно-восстановительные реакции.

48. Электродные потенциалы. Формула Нернста. Гальванический элемент.

49. Элетролиз растворов и расплавов солей. Законы Фарадея.

50. Коррозия металлов. Химическая и электрохимическая коррозия. Методы защиты металлов от коррозии.

51. Комплексные соединения. Получение. Номенклатура. Изомерия.

52. Химическая связь в комплексных соединениях. Метод ВС, ТКП.

53. Комплексообразование в растворах. Константа нестойкости и константа устойчивости.

54. Химия р-элементов.

55. Общая характеристика элементов VII-A группы.

56. Галогены и их соединения.

57. Вода. Структура и свойства воды. Аномальные свойства воды.

58. Общая характеристика элементов VI-A группы

59. Сера и ее соединения.

60. Кислород, сера, селен и их соединения.

61. Общая характеристика элементов V-А группы.

62. Азот и его соединения.

63. Фосфор и его соединения.

64. Общая характеристика элементов IV-A группы.

65. Силикаты и алюмосиликаты. Общая характеристика. Стекло, керамика, ситаллы, цемент.

66. Металлы: общая характеристика, сплавы, методы получения.

67. Химия s-металлов. Биологическая роль, токсикология.

68. Общие закономерности химии d-элементов.

69. Химия d-элементов I-II групп периодической системы Д.И. Менделеева.

70. Цинк, кадмий, ртуть и их соединения.

71. Железо, кобальт, никель и их соединения.

72. Хром, молибден, вольфрам и их соединения.

73. Марганец, технеций, рений и их соединения.

5.6.3. Примеры вариантов контрольных работ

Тема: Строение вещества. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Химическая связь

Вариант 1.

1. Укажите набор квантовых чисел для энергетических состояний

1s²; 5p²; 4f²

2. По указанным конфигурациям валентных электронов

5s²5p⁵; 4s² 3d²

определите:

а) место элемента в Периодической системе (период, группу, подгруппу);

б) распределение электронов для данного элемента по слоям;

в) высшую степень окисления.

3. Напишите полную электронную формулу атома Bi, иона Bi³⁺, атома брома, иона Вг^-.

Вариант 2.

1. Укажите максимальное количество электронов в атоме, содержащем три энергетических уровня.

2. По указанным конфигурациям валентных электронов

3s²3p³; 6s²5d¹⁰

определите:

а) место элемента в Периодической таблице (период, группу, подгруппу);

б) распределение электронов для данного элемента по слоям;

в) возможные степени окисления.

3. Напишите полную электронную формулу атомов Ва, Ge, Ni, Ce. Укажите, к какому электронному семейству относится каждый элемент.

Тема: Химическая термодинамика и химическое равновесие. Химическая кинетика

Вариант 1.

1. Определите возможность протекания процесса при стандартных условиях и при 1000 К (см. прил. литература 7):

Fe₂О_3(к) + ЗСО_(г) = 2Fe_(к) + ЗСО_2(г).

2. Скорость некоторой реакции при 0°С примем за единицу. Вычислите скорость той же реакции при 100°С, если температурный коэффициент у = 3.

3. Укажите, как повлияет на равновесие в системе:

СО_(г) + Н₂О_(г) СО_2(г) + Н_2(г) ΔН = +42 кДж.

а) увеличение температуры, б) уменьшение давления.

Составьте выражение константы равновесия для данного обратимого процесса.

Вариант 2

1. Определите возможность протекания процесса при стандартных ус­ловиях и при 1000 К (см. прил. литература 7):

2NiO_(K) + С_(граф) = 2Ni(к) + СО_2(г).

2. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,3. Укажите, как изменяется скорость этой реакции при повышении температуры на 20 ˚С.

3. Составьте выражение константы равновесия для реакций:

a) ZnO_(к) + СО_(г) Zn _(к) + СО_2(г); ΔН >0,

б) 2СО_(г) + 2Н_2(г) СН_4(г) + СО2_(г); ΔН< 0.

Укажите, как повлияет на равновесие в этих системах: а) уменьшение температуры, б) увеличение давления.

Тема: Растворы. Реакции в водных растворах

Вариант 1.

1. Напишите уравнения электролитической диссоциации растворов

H₃PО₄; Sr(OH)₂; Ba(CH₃COO)₂; FeOHCl₂.

2. Напишите молекулярное и ионно-молекулярное уравнения реакций:

Na₂S + HC1 =

Ba(HSО₄)₂ + Ba(OH)₂ =

3. Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют данные ионно-молекулярные уравнения:

2Н⁺ + СО₃^2- Н₂О + СО₂;

Mg(OH)₂ + 2NH₄ ⁺ Mg²⁺ + 2NH₄OH

4. Вычислите рН 0,001 М раствора HBrO (α = 0,1).

Вариант 2.

1. Напишите уравнения электролитической диссоциации растворов

H₃AsО₄; NH₄OH; NaHS; Al(OH)₂NО₃.

2. Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения

Са(НСО₃)₂ + HC1 =

ВаСО₃ + HNО₃ =

3. Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют данные ионно-молекулярные уравнения

2 ОH^- + H₂S S^2- + 2H₂О;

H₂SiО₃ + 2ОН^- SiО₃^2- + 2 H₂О.

4. Вычислите концентрацию ионов водород (моль/л) в растворе, рОН которого равен 3.

Тема: Окислительно-восстановительные реакции. Электрохимия

Вариант 1.

I. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций методами полуреакций и электронного баланса. Рассчитайте ЭДС при стандартных условиях для реакции (1) и сделайте вывод о возможности ее протекания. Укажите типы окислительно-восстановительных реакций.

1. NaI + MnО₂ + H₂SО₄ I₂ + MnSO₄ + Na₂SО₄ + H₂О

2. Pb(NО₃)₂ PbO + NО₂ + О₂...

3. Fe(OH)₂ + KMnО₄ + H₂О Fe(OH)₃ + MnО₂ + KOH...

4. Cl₂ + KOH КСlO₃ + KC1 + H₂О...

II. Напишите в молекулярной и ионной форме уравнения реакций гидролиза соли (укажите рН среды): a) K₂S; б) А1С1₃

Вариант 2.

I. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций методами полуреакций и электронного баланса. Рассчитайте ЭДС при стандартных условиях для реакции (1) и сделайте вывод о возможности ее протекания. Укажите типы окислительно-восстановительных реакций.

1. Na₂S + KMnО₄ + НС1 S +...

2. РН₃ + КСlO + КОН К₃РO₄ + ...

3.Cu(NO₃)₂ CuO +...

4. Н₂O₂ Н₂O + O₂.

II. Определите, чему равен заряд комплексного иона и степень окисления комплексообразователя в следующих соединениях: a) K₂[HgI₄], б) [Co(NH₃)₄]SO₄,

в) [Cr(H₂O)sCN]Cl₂. Назовите соединения.

III. Напишите в молекулярной и ионной форме уравнения реакций гидролиза соли (укажите рН среды): a) (NH₄)₂ S; б) FeCl₃

Примеры тестовых заданий

Тема: Химическая кинетика