Номер В, страница 109 - гдз по химии 8 класс учебник Усманова, Сакарьянова

В

1. Как изменяются радиусы щелочных металлов в направлении Li-Cs? Объясните причину.

2. Как определяют соединения щелочных металлов?

3. Относительная молекулярная масса основания $M_r(\text{M(ЭOH)}) = 24$. Определите элемент и охарактеризуйте его по месту в периодической системе.

1. Атом серы $S$ имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^63s^23p^4$. Его валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне. Валентность атома определяется числом неспаренных электронов, которые он может предоставить для образования химических связей. У серы есть свободная $3d$-орбиталь, поэтому атом может переходить в возбужденные состояния, увеличивая число неспаренных электронов.

Основное состояние:

Электронно-графическая формула валентного слоя $3s^23p^4$: на $3s$-орбитали находится электронная пара, а на $3p$-орбиталях — одна пара и два неспаренных электрона. В этом состоянии у атома серы 2 неспаренных электрона, поэтому он проявляет валентность II. Пример соединения: сероводород $H_2S$.

Первое возбужденное состояние:

При получении энергии один электрон из спаренных на $3p$-орбитали переходит на свободную $3d$-орбиталь. Электронная конфигурация валентного слоя становится $3s^23p^33d^1$. В этом состоянии у атома серы становится 4 неспаренных электрона (один на $3s$-паре не трогается, три на $3p$ и один на $3d$), что позволяет ему проявлять валентность IV. Пример соединения: диоксид серы $SO_2$.

Второе возбужденное состояние:

При поглощении дополнительной энергии электронная пара с $3s$-орбитали также распаривается, и один $3s$-электрон переходит на $3d$-орбиталь. Электронная конфигурация валентного слоя становится $3s^13p^33d^2$. В этом состоянии у атома серы 6 неспаренных электронов, и он проявляет свою высшую валентность VI. Пример соединения: оксид серы(VI) $SO_3$.

Ответ: Для атома серы характерны валентности II, IV и VI.

2. Валентность элемента определяется числом химических связей, которые образует его атом с другими атомами в соединении. Атом углерода $C$ имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^2$. В основном состоянии у него 2 неспаренных электрона, что соответствует валентности II.

Однако для образования соединений $CH_4$ и $CO_2$ атом углерода переходит в возбужденное состояние. Один электрон с $2s$-подуровня "перескакивает" на свободную $p$-орбиталь того же энергетического уровня. Электронная конфигурация валентного слоя становится $2s^12p^3$, и у атома появляются 4 неспаренных электрона.

В молекуле метана ($CH_4$) атом углерода образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода. Каждая связь образуется за счет одной общей электронной пары. Таким образом, углерод образует 4 связи, и его валентность равна IV.

В молекуле углекислого газа ($CO_2$) атом углерода связан с двумя атомами кислорода. С каждым атомом кислорода углерод образует двойную связь ($O=C=O$). Каждая двойная связь состоит из двух общих электронных пар. Суммарно атом углерода участвует в образовании четырех связей (две двойные), предоставляя для этого все четыре своих валентных электрона. Следовательно, его валентность также равна IV.

Ответ: Валентности углерода в $CO_2$ и $CH_4$ одинаковы и равны IV, так как в обоих случаях атом углерода, находясь в возбужденном состоянии, образует четыре ковалентные связи для достижения стабильной электронной конфигурации, используя все четыре своих валентных электрона.

3. Рассматриваемые элементы — углерод ($C$), азот ($N$), кислород ($O$) и фтор ($F$) — находятся во втором периоде периодической системы. Валентность элемента в летучих водородных соединениях, как правило, определяется числом неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне, которые могут образовывать ковалентные связи с атомами водорода.

Рассмотрим электронное строение валентного слоя этих элементов:

• Углерод ($C$), группа 14. Электронная конфигурация валентного слоя в возбужденном состоянии $2s^12p^3$. Имеет 4 неспаренных электрона. Для образования стабильного соединения с водородом ($CH_4$) атом углерода образует 4 ковалентные связи. Валентность равна IV.

• Азот ($N$), группа 15. Электронная конфигурация валентного слоя $2s^22p^3$. Имеет 3 неспаренных $p$-электрона. Образует 3 ковалентные связи в соединении с водородом ($NH_3$). Валентность равна III. Переход в возбужденное состояние для азота невозможен, так как на втором уровне нет $d$-подуровня.

• Кислород ($O$), группа 16. Электронная конфигурация валентного слоя $2s^22p^4$. Имеет 2 неспаренных $p$-электрона. Образует 2 ковалентные связи в соединении с водородом ($H_2O$). Валентность равна II.

• Фтор ($F$), группа 17. Электронная конфигурация валентного слоя $2s^22p^5$. Имеет 1 неспаренный $p$-электрон. Образует 1 ковалентную связь в соединении с водородом ($HF$). Валентность равна I.

Таким образом, при движении по периоду слева направо от углерода к фтору увеличивается общее число валентных электронов, но число неспаренных электронов, доступных для образования связей с водородом, последовательно уменьшается. Это и приводит к снижению валентности в ряду их водородных соединений: $CH_4$ (IV) → $NH_3$ (III) → $H_2O$ (II) → $HF$ (I).

Ответ: Значение валентности в ряду водородных соединений $CH_4$, $NH_3$, $H_2O$, $HF$ снижается с IV до I, потому что при движении по периоду от углерода к фтору уменьшается число неспаренных электронов, способных образовывать связи с атомами водорода (у углерода в возбужденном состоянии их 4, у азота - 3, у кислорода - 2, у фтора - 1).