Страница 152 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что такое ионы? Как они образуются?

Ион — это атом или молекула, которая имеет электрический заряд. Этот заряд возникает из-за того, что количество протонов (положительно заряженных частиц в ядре) не равно количеству электронов (отрицательно заряженных частиц на электронных оболочках).

Ионы образуются в процессе, называемом ионизацией, когда нейтральный атом или молекула теряет или приобретает один или несколько электронов.

Существует два типа ионов в зависимости от знака их заряда:

1. Катионы — это положительно заряженные ионы. Они образуются, когда атом или молекула теряет один или несколько электронов. В результате количество протонов превышает количество электронов, и частица приобретает положительный заряд.
Пример: Атом натрия ($Na$), имеющий 11 протонов и 11 электронов, отдает один электрон ($e^-$) и превращается в катион натрия ($Na^+$) с 11 протонами и 10 электронами.
$Na - e^- \rightarrow Na^+$

2. Анионы — это отрицательно заряженные ионы. Они образуются, когда атом или молекула приобретает один или несколько электронов. В результате количество электронов превышает количество протонов, и частица приобретает отрицательный заряд.
Пример: Атом хлора ($Cl$), имеющий 17 протонов и 17 электронов, принимает один электрон ($e^-$) и превращается в анион хлора (хлорид-ион, $Cl^-$) с 17 протонами и 18 электронами.
$Cl + e^- \rightarrow Cl^-$

Процесс ионизации может быть вызван различными физическими воздействиями (высокая температура, электрический разряд, излучение) или происходить в ходе химических реакций, например, при образовании ионной связи между атомами или при растворении ионных соединений (например, солей) в полярных растворителях, таких как вода.

Ответ: Ионы — это электрически заряженные атомы или молекулы. Они образуются, когда нейтральные атомы или молекулы теряют электроны (становясь положительно заряженными катионами) или приобретают электроны (становясь отрицательно заряженными анионами).

2. Найдите сходство и различия между:

а) атомом кальция и ионом кальция;

б) атомом кислорода и ионом кислорода.

а) атомом кальция и ионом кальция

Сходства:
И атом кальция (Ca), и ион кальция ($Ca^{2+}$) относятся к одному и тому же химическому элементу — кальцию. У них одинаковое строение атомного ядра: они содержат одинаковое число протонов (20) и, для конкретного изотопа, одинаковое число нейтронов. Следовательно, у них одинаковый заряд ядра, равный +20.

Различия:
Количество электронов и заряд: Атом кальция является электронейтральной частицей, так как число протонов в ядре (20) равно числу электронов на орбиталях (20). Его общий заряд равен 0. Ион кальция $Ca^{2+}$ образуется, когда атом отдает 2 электрона со своей внешней электронной оболочки. В результате ион имеет 18 электронов и приобретает положительный заряд +2.
Электронная конфигурация: Атом кальция имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. У него 4 электронных уровня, внешний уровень не завершен. Ион кальция $Ca^{2+}$ имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^63s^23p^6$. У него 3 электронных уровня, и внешний (третий) уровень является завершенным (содержит 8 электронов), что делает ион стабильным.
Радиус: Радиус иона кальция ($Ca^{2+}$) значительно меньше радиуса атома кальция (Ca). Это связано с тем, что, во-первых, ион теряет целый внешний электронный уровень (четвертый), и, во-вторых, оставшиеся 18 электронов сильнее притягиваются к тому же ядру с зарядом +20.
Химические свойства: Атом кальция — химически активный щелочноземельный металл, легко вступающий в реакции, в ходе которых он отдает свои 2 валентных электрона. Ион кальция $Ca^{2+}$ химически стабилен, так как имеет завершенную внешнюю электронную оболочку, и не склонен к дальнейшим химическим превращениям.

Ответ: Сходство атома и иона кальция заключается в одинаковом составе ядра (20 протонов), что определяет их принадлежность к одному элементу. Различия заключаются в количестве электронов (20 у атома, 18 у иона), общем заряде (0 у атома, +2 у иона), радиусе (ион меньше атома), электронной конфигурации и химической активности (атом активен, ион стабилен).

б) атомом кислорода и ионом кислорода

Сходства:
И атом кислорода (O), и ион кислорода ($O^{2-}$) относятся к одному и тому же химическому элементу — кислороду. У них одинаковое строение атомного ядра: они содержат 8 протонов и, для конкретного изотопа, одинаковое число нейтронов. Заряд ядра у них также одинаков и равен +8.

Различия:
Количество электронов и заряд: Атом кислорода электронейтрален, он содержит 8 протонов и 8 электронов, его заряд равен 0. Ион кислорода $O^{2-}$ (оксид-ион) образуется, когда атом кислорода принимает 2 электрона на свою внешнюю электронную оболочку. В результате ион имеет 10 электронов и приобретает отрицательный заряд -2.
Электронная конфигурация: Атом кислорода имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^4$. Его внешний электронный уровень не завершен (содержит 6 электронов). Ион кислорода $O^{2-}$ имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^6$. Его внешний электронный уровень является завершенным (содержит 8 электронов), что придает ему стабильность.
Радиус: Радиус иона кислорода ($O^{2-}$) больше радиуса атома кислорода (O). Присоединение двух дополнительных электронов усиливает взаимное отталкивание электронов на внешней оболочке, в то время как притягивающая сила ядра остается прежней (+8). Это приводит к увеличению размера электронной оболочки.
Химические свойства: Атом кислорода — химически очень активный неметалл, сильный окислитель, который стремится принять 2 электрона для завершения своего внешнего уровня. Ион кислорода $O^{2-}$ химически стабилен благодаря завершенной внешней электронной оболочке и существует в составе ионных соединений (оксидов).

Ответ: Сходство атома и иона кислорода заключается в одинаковом составе ядра (8 протонов). Различия заключаются в количестве электронов (8 у атома, 10 у иона), общем заряде (0 у атома, -2 у иона), радиусе (ион больше атома), электронной конфигурации и химической активности (атом активен, ион стабилен).

3. Составьте схему образования ионной связи между литием и элементами-неметаллами:

а) фтором;

б) кислородом.

Ионная связь возникает между атомами типичного металла и типичного неметалла в результате передачи валентных электронов от атома металла к атому неметалла. При этом атом металла, теряя электроны, превращается в положительно заряженный ион (катион), а атом неметалла, принимая электроны, становится отрицательно заряженным ионом (анионом). Возникшие разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу силами электростатического притяжения, образуя ионное соединение.

Решение

1. Рассмотрим электронное строение атомов лития (Li) и фтора (F).

Литий (Li) — это щелочной металл, находящийся в 1-й группе, 2-м периоде. Его порядковый номер 3. Электронная конфигурация атома лития: $Li: +3) \ 2e^- \ 1e^-$ или $1s^22s^1$. На внешнем электронном уровне у лития находится один валентный электрон. Для достижения стабильной электронной конфигурации (как у инертного газа гелия) атому лития энергетически выгодно отдать один электрон, превратившись в катион $Li^+$.

Процесс отдачи электрона атомом лития: $Li^0 - 1e^- \rightarrow Li^+$

Фтор (F) — это галоген, неметалл, находящийся в 17-й группе, 2-м периоде. Его порядковый номер 9. Электронная конфигурация атома фтора: $F: +9) \ 2e^- \ 7e^-$ или $1s^22s^22p^5$. На внешнем электронном уровне у фтора находится семь валентных электронов. Для завершения внешнего уровня до стабильного октета (8 электронов), как у инертного газа неона, атому фтора необходимо принять один электрон, превратившись в анион $F^-$.

Процесс принятия электрона атомом фтора: $F^0 + 1e^- \rightarrow F^-$

2. Схема образования ионной связи.

Атом лития передает свой единственный валентный электрон атому фтора. В результате образуются катион лития $Li^+$ и фторид-анион $F^-$. Эти ионы притягиваются друг к другу, образуя ионное соединение — фторид лития (LiF).

С помощью электронных точек (структур Льюиса) схему можно изобразить следующим образом:

$Li \cdot \quad + \quad \cdot\ddot{F}: \quad \rightarrow \quad [Li]^+[:\ddot{F}:]^-$

Ответ: Схема образования ионной связи во фториде лития: атом лития отдает один электрон ($Li^0 - 1e^- \rightarrow Li^+$), а атом фтора принимает один электрон ($F^0 + 1e^- \rightarrow F^-$). Образовавшиеся ионы $Li^+$ и $F^-$ формируют соединение LiF за счет электростатического притяжения.

Решение

1. Рассмотрим электронное строение атомов лития (Li) и кислорода (O).

Атом лития (Li), как было установлено ранее, имеет один валентный электрон и стремится его отдать, образуя катион $Li^+$. $Li^0 - 1e^- \rightarrow Li^+$

Кислород (O) — это неметалл, находящийся в 16-й группе, 2-м периоде. Его порядковый номер 8. Электронная конфигурация атома кислорода: $O: +8) \ 2e^- \ 6e^-$ или $1s^22s^22p^4$. На внешнем электронном уровне у кислорода находится шесть валентных электронов. Для завершения внешнего уровня до октета атому кислорода необходимо принять два электрона, в результате чего он превратится в оксид-анион $O^{2-}$.

Процесс принятия электронов атомом кислорода: $O^0 + 2e^- \rightarrow O^{2-}$

2. Схема образования ионной связи.

Одному атому кислорода для завершения внешней оболочки требуется два электрона, в то время как один атом лития может отдать только один электрон. Следовательно, для образования связи с одним атомом кислорода необходимо два атома лития. Каждый из двух атомов лития отдает по одному валентному электрону атому кислорода. В результате образуются два катиона лития $Li^+$ и один анион $O^{2-}$. Ионы притягиваются друг к другу, образуя ионное соединение — оксид лития ($Li_2O$).

С помощью электронных точек схему можно изобразить так:

$Li \cdot \quad + \quad \cdot\ddot{O}\cdot \quad + \quad \cdot Li \quad \rightarrow \quad [Li]^+[:\ddot{O}:]^{2-}[Li]^+$

Процессы отдачи и принятия электронов для образования соединения $Li_2O$:

$2Li^0 - 2e^- \rightarrow 2Li^+$

$O^0 + 2e^- \rightarrow O^{2-}$

Ответ: Для образования ионной связи с одним атомом кислорода требуются два атома лития. Каждый атом лития отдает по одному электрону ($2Li^0 - 2e^- \rightarrow 2Li^+$), а атом кислорода принимает два электрона ($O^0 + 2e^- \rightarrow O^{2-}$). В результате электростатического притяжения ионов $2Li^+$ и $O^{2-}$ образуется соединение $Li_2O$.

4. Составьте схему образования ионной связи между фтором и элементами-металлами:

а) калием;

б) кальцием.

а) калием

Ионная связь возникает между атомами элементов с большой разницей в электроотрицательности, как правило, между типичным металлом и типичным неметаллом. Калий (K) — это щелочной металл, расположенный в 1-й группе, 4-м периоде. Фтор (F) — самый электроотрицательный элемент, галоген, расположенный в 17-й группе, 2-м периоде.

1. Атом калия имеет порядковый номер 19. Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$. На внешнем энергетическом уровне у калия находится один валентный электрон. Чтобы достичь стабильного состояния (завершить внешний электронный слой), атому калия энергетически выгоднее отдать этот электрон, чем принять семь недостающих. Теряя один электрон, атом калия превращается в положительно заряженный ион — катион $K^+$.

Схема процесса потери электрона:

$K^0 - 1e^- \rightarrow K^+$

2. Атом фтора имеет порядковый номер 9. Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^5$. На внешнем энергетическом уровне у фтора находится семь валентных электронов. Для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки (октета) атому фтора необходимо принять один электрон. Принимая электрон, атом фтора превращается в отрицательно заряженный ион — анион $F^-$.

Схема процесса присоединения электрона:

$F^0 + 1e^- \rightarrow F^-$

3. В процессе взаимодействия атом калия передает свой валентный электрон атому фтора. В результате образуются разноименно заряженные ионы $K^+$ и $F^-$, которые притягиваются друг к другу за счет электростатических сил. Эта сила притяжения и есть ионная связь. Образуется соединение — фторид калия (KF).

Общая схема образования связи с использованием электронных точек (структуры Льюиса):

$K \cdot \quad + \quad \cdot \ddot{F}: \quad \rightarrow \quad K^{+} \quad [: \ddot{F} :]^{-}$

Ответ: Схема образования ионной связи между калием и фтором заключается в переходе одного валентного электрона от атома калия к атому фтора. В результате образуется катион калия $K^+$ и анион фтора $F^-$, которые, притягиваясь, формируют ионное соединение KF. Процессы для атомов: $K^0 - 1e^- \rightarrow K^+$; $F^0 + 1e^- \rightarrow F^-$.

б) кальцием

Кальций (Ca) — это щелочноземельный металл, расположенный во 2-й группе, 4-м периоде. Фтор (F) — неметалл из 17-й группы.

1. Атом кальция имеет порядковый номер 20. Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$. На внешнем энергетическом уровне у кальция находятся два валентных электрона. Для достижения стабильной электронной конфигурации инертного газа (аргона), атому кальция необходимо отдать эти два электрона. При этом он превращается в двухзарядный катион $Ca^{2+}$.

Схема процесса потери электронов:

$Ca^0 - 2e^- \rightarrow Ca^{2+}$

2. Атом фтора, как было показано ранее, для завершения своего внешнего электронного слоя может принять только один электрон, образуя анион $F^-$.

3. Поскольку атом кальция отдает два электрона, а один атом фтора может принять только один, то для образования нейтрального соединения один атом кальция должен провзаимодействовать с двумя атомами фтора. Атом кальция передает по одному электрону каждому из двух атомов фтора.

В результате образуется один катион кальция $Ca^{2+}$ и два аниона фтора $F^-$. Между этими разноименно заряженными ионами возникает электростатическое притяжение, которое приводит к образованию ионного соединения — фторида кальция ($CaF_2$).

Общая схема образования связи с использованием электронных точек:

$\cdot Ca \cdot \quad + \quad 2 \cdot \ddot{F}: \quad \rightarrow \quad Ca^{2+} \quad 2[: \ddot{F} :]^{-}$

Или в развернутом виде:

$: \ddot{F} \cdot \quad + \quad \cdot Ca \cdot \quad + \quad \cdot \ddot{F}: \quad \rightarrow \quad [: \ddot{F} :]^{-} \quad Ca^{2+} \quad [: \ddot{F} :]^{-}$

Ответ: Схема образования ионной связи между кальцием и фтором заключается в переходе двух валентных электронов от одного атома кальция к двум атомам фтора (по одному электрону на каждый атом фтора). В результате образуется один катион кальция $Ca^{2+}$ и два аниона фтора $F^-$. Электростатическое притяжение между ионами формирует соединение фторид кальция, $CaF_2$. Процессы для атомов: $Ca^0 - 2e^- \rightarrow Ca^{2+}$; $2F^0 + 2e^- \rightarrow 2F^-$.

5. Найдите отношение числа положительных ионов к числу отрицательных в соединениях:

а) хлорид натрия $NaCl$;

б) хлорид кальция $CaCl_2$;

в) фторид алюминия $AlF_3$.

Для определения отношения числа положительных ионов к числу отрицательных в ионных соединениях, необходимо рассмотреть процесс их диссоциации (распада на ионы). Уравнение диссоциации показывает, сколько катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов) образуется из одной формульной единицы вещества.

а) хлорид натрия NaCl

Хлорид натрия ($NaCl$) — это ионное соединение, состоящее из ионов металла натрия и неметалла хлора. При диссоциации одна формульная единица $NaCl$ распадается на один положительный ион натрия ($Na^+$) и один отрицательный хлорид-ион ($Cl^-$).

Уравнение диссоциации выглядит следующим образом: $NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-$

Из уравнения видно, что из одной формульной единицы образуется 1 положительный ион ($Na^+$) и 1 отрицательный ион ($Cl^-$).

Следовательно, отношение числа положительных ионов к числу отрицательных составляет $1:1$.

Ответ: 1:1.

б) хлорид кальция CaCl₂

Хлорид кальция ($CaCl_2$) — ионное соединение, состоящее из ионов металла кальция и неметалла хлора. При диссоциации одна формульная единица $CaCl_2$ распадается на один положительный ион кальция ($Ca^{2+}$) и два отрицательных хлорид-иона ($Cl^-$).

Уравнение диссоциации: $CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$

Из уравнения видно, что из одной формульной единицы образуется 1 положительный ион ($Ca^{2+}$) и 2 отрицательных иона ($Cl^-$).

Следовательно, отношение числа положительных ионов к числу отрицательных составляет $1:2$.

Ответ: 1:2.

в) фторид алюминия AlF₃

Фторид алюминия ($AlF_3$) — ионное соединение, состоящее из ионов металла алюминия и неметалла фтора. При диссоциации одна формульная единица $AlF_3$ распадается на один положительный ион алюминия ($Al^{3+}$) и три отрицательных фторид-иона ($F^-$).

Уравнение диссоциации: $AlF_3 \rightarrow Al^{3+} + 3F^-$

Из уравнения видно, что из одной формульной единицы образуется 1 положительный ион ($Al^{3+}$) и 3 отрицательных иона ($F^-$).

Следовательно, отношение числа положительных ионов к числу отрицательных составляет $1:3$.

Ответ: 1:3.

6. Предложите свой вариант графического отображения образования химической связи в соединении, имеющем формулу $BaCl_2$.

Соединение хлорид бария ($BaCl_2$) образовано атомами металла (барий, $Ba$) и неметалла (хлор, $Cl$). Связь между типичным металлом и типичным неметаллом является ионной. Ионная связь образуется в результате передачи валентных электронов от атомов металла к атомам неметалла. Это приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных ионов (катионов и анионов), которые притягиваются друг к другу за счет электростатических сил.

Рассмотрим электронное строение взаимодействующих атомов:

• Атом бария ($Ba$) — элемент IIА группы, 6-го периода. Его порядковый номер 56. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня: $6s^2$. На внешнем уровне у бария находятся 2 валентных электрона. Для достижения стабильной электронной конфигурации (как у благородного газа ксенона) атому бария энергетически выгодно отдать эти два электрона, превратившись в катион $Ba^{2+}$.
• Атом хлора ($Cl$) — элемент VIIА группы, 3-го периода. Его порядковый номер 17. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня: $3s^23p^5$. На внешнем уровне у хлора 7 валентных электронов. Для завершения внешнего уровня до стабильного октета (как у благородного газа аргона) атому хлора необходимо принять один электрон, превратившись в анион $Cl^{-}$.

Так как один атом бария отдает два электрона, а одному атому хлора для завершения внешнего слоя требуется только один электрон, в реакции участвуют один атом бария и два атома хлора. Атом бария передает по одному электрону каждому из двух атомов хлора.

Этот процесс можно записать в виде электронных уравнений:

• Процесс окисления (отдача электронов) атома бария: $Ba^0 - 2e^- \rightarrow Ba^{2+}$
• Процесс восстановления (принятие электронов) атома хлора: $Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^{-}$ (происходит дважды)

Графически этот процесс можно представить с помощью электронно-точечных формул Льюиса, где точками обозначаются валентные электроны.

1. Изображаем валентные электроны исходных атомов:

• Атом бария: $\cdot Ba \cdot$
• Два атома хлора: $2 \cdot \underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{Cl}}:$

2. Показываем переход электронов и образование ионов:

$\underset{\text{атом бария}}{\cdot \text{Ba} \cdot} \quad + \quad \underset{\text{два атома хлора}}{2 \cdot \underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:} \quad \longrightarrow \quad \underset{\text{катион бария}}{[\text{Ba}]^{2+}} \quad + \quad \underset{\text{два хлорид-аниона}}{2[:\underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:]^-}$

В результате образуется катион бария $Ba^{2+}$ и два хлорид-аниона $Cl^{-}$. Между этими противоположно заряженными ионами возникает сильное электростатическое притяжение, которое и формирует ионную химическую связь в соединении $BaCl_2$.

Вариант графического отображения образования ионной химической связи в хлориде бария ($BaCl_2$) с использованием структур Льюиса:

$\underset{\text{атом}}{\text{атом хлора}} {\Large \cdot \underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:} \quad + \quad \underset{\text{атом бария}}{\cdot \text{Ba} \cdot} \quad + \quad \underset{\text{атом хлора}}{\Large \cdot \underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:} \quad \longrightarrow \quad \underset{\text{хлорид-анион}}{[:\underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:]^-\quad} \underset{\text{катион бария}}{[\text{Ba}]^{2+}} \underset{\text{хлорид-анион}}{\quad[:\underset{\Large \cdot \cdot}{\ddot{\text{Cl}}}:]^-}$

Данная схема иллюстрирует, как атом бария отдает два своих валентных электрона (по одному каждому из двух атомов хлора), превращаясь в двухзарядный катион $Ba^{2+}$. Каждый атом хлора, принимая электрон, завершает свой внешний энергетический уровень до восьми электронов и превращается в однозарядный анион $Cl^{-}$. Образовавшаяся химическая связь является результатом электростатического притяжения между ионами $Ba^{2+}$ и $Cl^{-}$.