Правильное составление формул веществ хрома, селена, мышьяка, ванадия, серы, азота, углерода, сурьмы

Задание 47.
Какой из элементов четвертого периода — ванадий или мышьяк — обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов?

Решение:

₊₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²;         ₊₃₃Аs 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³. 

Ванадий d-элемент VВ- группы, а мышьяк – р-элемент VА- группы. На внешнем энергетическом уровне у атома ванадия два электрона, а у атома мышьяка – пять. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Эти атомы обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трёх электронов, обладают определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретают определённую отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, ванадий, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для мышьяка, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у ванадия сильнее выражены, чем у мышьяка. 

Мышьяк с водородом образует газообразный гидрид AsH₃ – арсин, где мышьяк проявляет отрицательную степень окисления -3, так как атом мышьяка способен присоединять три электрона до полного заполнения внешнего энергетического уровня:

Задание 48. 
Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).
Решение:
Марганец в своих соединениях проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7.
Формулы оксидов, отвечающих этим степеням окисления: 

MnO – оксид марганца (II); 
Mn₂O₃ — оксид марганца(III); 
MnO₂ — оксид марганца(IV); 
MnO₃ — ; оксид марганца(VI); 
Mn₂O₇ — оксид марганца(VII). 

Формулы гидроксидов марганца: 

Mn(OH)₂ – гидроксид марганца(II);
Mn(OH)₃ – гидроксид марганца(III);
Mn(OH)₄ – гидроксид марганца(IV);
H2MnO₄ – марганцовистая кислота;
HMnO₄ – марганцовая кислота.

Mn(OH)₄ – гидроксид марганца(IV) – амфотерное основание, которое реагирует как с кислотами, так и со щелочами:

Mn(OH)₄ + 4HCl = MnCl₄ + 4H₂O;
Mn(OH)₄ + 4NaOH = Na4MnO₄ + 4H₂O

Задание 49. 
У какого элемента четвертого периода — хрома или селена — сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.
Решение:
Электронные формулы хрома и селена:

+24Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹;         +34Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴. 

Хром d-элемент VIВ- группы, а селен – р-элемент VIА – группы. На внешнем энергетическом уровне у атома хрома один электрон, а у атома селена – шесть. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять их. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трёх электронов, обладают определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретают определённую отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, хром, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для селена, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у хрома сильнее выражены, чем у селена. К тому же селен, присоединив два электрона к наружному р-подуровню, проявляет отрицательную степень окисления и образует с водородом газообразное соединение H₂Se, которое называют селеноводород.

Задание 50. 
Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?
Решение:
Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²p⁶). Элементы хлор, сера, азот и углерод находятся соответственно в VIIА-, VIА-, VА-, IVА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²p⁵, s²p⁴, s²p³, s2p². Следовательно, низшая степень окисления хлора, серы, азота и углерода равны соответственно -1, -2, -3 и -4.

Формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления:

AlCl₃ – хлорид алюминия;
Al₂S₃ – сульфид алюминия;
AlN – нитрид алюминия;
Al₄C₃ – карбид алюминия.

Задание 51. 
У какого из р-элементов пятой группы периодической системы — фосфора или сурьмы — сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.
Решение:
Фосфор и сурьма находятся в VА- группе и имеют следующие электронные формулы:

+15Р 1s²2s²2p⁶3s²3p³;  +51Sb 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p³ 

На внешнем энергетическом уровне оба элемента содержат по пять валентных электронов, из которых два s-и три р-электрона. 
Так как фосфор – элемент третьего периода, а сурьма – пятого, то из этого следует, что радиус атома фосфора значительно меньше, чем у атома сурьмы. В группах с увеличением порядкового номера элементов закономерно увеличиваются радиусы их атомов, что приводит к уменьшению связи внешних электронов; поэтому атом фосфора обладает определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретает отрицательную степень окисления и имеет больше шансов образовывать отрицательные ионы. Таким образом, фосфор, как все неметаллы, обладает только очень слабыми восстановительными свойствами и более сильными окислительными функциями. Сурьма, имея большие размеры атома, будет легче отдавать электроны внешнего энергетического уровня, чем принимать и поэтому будет проявлять восстановительные функции, т. е. обладать характерными металлическими свойствами.

Водородное соединение сурьмы (SbH₃ — стибин) обладает более сильными восстанови-тельными свойствами, чем водородное соединение фосфора (РН₃ — фосфин). Это объясняется тем, что в группах с ростом порядкового номера элемента закономерно возрастают радиусы атомов элементов и, соответственно ионные радиусы. Ион Sb^3- имеет больший диаметр, чем ион Р^3-, поэтому иону сурьмы значительно легче отдать электроны (из-за большего радиуса иона требуется меньше энергии на отрыв электрона).

Задание 52. 
Исходя из положения металла в периодической системе, дайте  мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ва(ОН)₂ или Мg(OH)₂; Ca(OH)₂ или Fе(ОН)₂; Сd(ОН)₂ или Sr(OH)₂.
Решение:
Гидроксиды можно изобразить общей формулой ЭОН, где Э – металл. Гидроксиды могут диссоциировать по схеме:

Диссоциация зависит от прочности и полярности связей Э — О и О — Н и может протекать по двум направлениям:

Прочность связей определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами ионов. Если прочность связей Э — О и О — Н близки или равны , то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по основному (I), и по кислотному типу (II). В этом случае речь идёт об амфотерных электролитах (амфолитах):

где Э – элемент (металл или неметалл); n+ — положительная степень окисления элемента.

а) Ва(ОН)₂ будет более сильным основанием, чем Mg(OH)₂, так как эти элементы стоят во IIА- группе главной подгруппе, а в группе у элементов с увеличением порядкового номера увеличиваются размеры атомов (ионов), что уменьшает прочность связей Ва²⁺  с ОН^—, чем у Mg²⁺ с ОН^—.

б) Ca и Fe – элементы большого ряда четвёртого периода периодической системы химических элементов, поэтому с ростом порядкового номера элемента будет наблюдаться рост эффективного заряда, что приводит к уменьшению размеров атома (радиус атома железа будет намного меньше, чем радиус атома кальция). Из-за чего связь между Са²⁺ и ОН^— будет значительно меньше, чем между Fe²⁺ с ОН^—, значит, Са(ОН)² будет проявлять сильнее основные свойства, чем Fe(ОН)₂.

в) Стронций – типичный р-элемент IIА- группы, а кадмий – d-элемент IIВ- группы и у их атомов на внешнем энергетическом уровне содержатся по два электрона, поэтому они в своих соединения будут проявлять степень окисления +2. У кадмия порядковый номер (48) значительно больше, чем у стронция (38), поэтому радиус иона кадмия (Cd²⁺) имеет большее численное значение, чем у иона стронция (Sr²⁺), значит, связь между ионами Cd²⁺  и ОН^— будет прочнее, чем связь между Sr²⁺ и ОН^—, Sr(OH)₂ будет проявлять меньше основных свойств чем Cd(ОН)₂.

Задание 53. 
Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: СuОН Или Сu(OH)₂; Fе(ОН)₂ или Fе(ОН)₃; Sn(ОН)₂ или Sn(ОН)₄? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).
Решение:
Если данный элемент проявляет переменную степень окисления (валентность) и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства послед-них меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э — О и О — Н может протекать по двум направлениям:

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами ионов. Диссоциация по кислотному типу (II) протекает, если
Е_О—Н < < Е_Э—О (высокая степень окисления), а по основному типу (I), если Е_О—Н >> Е_Э—О (низкая степень окисления). 

Если прочности связей Э — О и О — Н близки или равны, то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по основному (I), и по кислотному типу (II). В этом случае речь идёт об амфотерных электролитах (амфолитах):

где Э – элемент (металл или неметалл); n⁺ — положительная степень окисления элемента. Таким образом, исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, можно уверенно считать, что, если элемент образует два гидроксида, то более сильным основанием будет тот гидроксид, в котором степень окисления элемента имеет меньшее численное значение.  

Отсюда вытекает, что гидроксид меди (I) CuOH более сильное основание, чем гидроксид меди (II) Cu(OH)₂; а Fe(OH)₂ более сильное основание, чем Fe(OH)₃; Sn(OH)₂ более сильное основание, чем Sn(OH)₄.