Номер 1, страница 227 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

а) Ca⁰ и Ca²⁺

Сравнение атома кальция ($Ca^0$) и иона кальция ($Ca^{2+}$) проводится по двум основным параметрам: строению и свойствам.

Строение:

1. Состав частиц. Атом кальция $Ca^0$ является электронейтральной частицей. Его ядро содержит 20 протонов, а электронная оболочка — 20 электронов. Ион кальция $Ca^{2+}$ является катионом с зарядом +2. Он образуется из атома кальция, когда тот отдает 2 электрона. Поэтому ядро иона $Ca^{2+}$ также содержит 20 протонов, но его электронная оболочка насчитывает только 18 электронов.

2. Электронная конфигурация. Электронная конфигурация атома кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. У него 4 электронных уровня, а на внешнем (валентном) уровне находятся 2 электрона. Электронная конфигурация иона кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^6$. Он имеет завершенный третий электронный уровень (8 электронов), который стал для него внешним. Эта конфигурация идентична электронной конфигурации инертного газа аргона (Ar), что обеспечивает иону высокую стабильность.

3. Радиус. Атомный радиус $Ca^0$ значительно больше ионного радиуса $Ca^{2+}$. Это объясняется двумя причинами: во-первых, у иона $Ca^{2+}$ отсутствует четвертый электронный слой; во-вторых, у иона оставшиеся 18 электронов сильнее притягиваются к ядру с тем же зарядом +20.

Свойства:

1. Химическая активность. Атом кальция $Ca^0$ (как простое вещество металл кальций) является химически очень активным. Он легко отдает свои 2 валентных электрона, выступая в реакциях сильным восстановителем (например, бурно реагирует с водой: $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow$). Ион $Ca^{2+}$ химически пассивен в окислительно-восстановительном смысле, так как имеет устойчивую электронную оболочку. Он уже отдал электроны и является окисленной формой кальция. В растворах он может участвовать в реакциях ионного обмена, например, образуя осадки: $Ca^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow CaSO_4 \downarrow$.

2. Агрегатное состояние и форма существования. $Ca^0$ образует простое вещество — твердый серебристо-белый металл. $Ca^{2+}$ не существует как самостоятельное вещество, а является частью ионных кристаллических решеток (в солях, оксидах, гидроксидах) или существует в виде ионов в растворах и расплавах.

Ответ: Атом $Ca^0$ и ион $Ca^{2+}$ имеют одинаковый заряд ядра, но разное число электронов (20 и 18), разные электронные конфигурации и радиусы (атомный > ионного). Вследствие этого они обладают кардинально разными химическими свойствами: $Ca^0$ — химически активный металл, сильный восстановитель, а $Ca^{2+}$ — стабильный ион, входящий в состав соединений и являющийся окисленной формой кальция.

б) Cu²⁺(гидр) и Cu²⁺(негидр)

Сравнение гидратированного ($Cu^{2+}_{(\text{гидр})}$) и негидратированного ($Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$) ионов меди(II) затрагивает их строение и обусловленные им свойства, в первую очередь оптические.

Строение:

1. Негидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$ — это «голый» катион меди с зарядом +2, лишенный связанного с ним водного окружения. В таком виде он существует, например, в кристаллических решетках безводных солей, таких как сульфат меди(II) $CuSO_4$.

2. Гидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{гидр})}$ — это ион меди(II), находящийся в водном растворе. Молекулы воды, будучи диполями, окружают ион $Cu^{2+}$ и связываются с ним донорно-акцепторными связями, образуя устойчивую частицу — аквакомплекс. Чаще всего образуется аквакомплекс состава $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, имеющий октаэдрическое строение. В этом комплексе ион $Cu^{2+}$ является центральным ионом, а молекулы воды — лигандами.

Свойства:

Основное различие в свойствах заключается в цвете. 1. Негидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$ в составе многих безводных солей не придает им окраски. Например, безводный $CuSO_4$ — это белый порошок. Это связано с тем, что электронные переходы d-уровня, ответственные за цвет, в отсутствие лигандов (молекул воды) поглощают свет вне видимой области спектра.

2. Гидратированный ион $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ придает растворам солей меди(II), а также их кристаллогидратам (например, медному купоросу $CuSO_4 \cdot 5H_2O$) характерный ярко-голубой цвет. Наличие лигандов (молекул $H_2O$) вызывает расщепление d-орбиталей иона меди, в результате чего комплекс начинает поглощать свет в оранжево-красной части видимого спектра, а отраженный свет воспринимается нами как голубой. Кроме того, безводные соли меди(II) очень гигроскопичны, так как ион $Cu^{2+}$ активно стремится перейти в более стабильное гидратированное состояние.

Ответ: Негидратированный ион $Cu^{2+}$ — это катион без лигандов, входящий в состав безводных солей (часто бесцветных). Гидратированный ион $Cu^{2+}$ — это аквакомплекс (например, $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$), существующий в водных растворах. Различие в строении (наличие или отсутствие гидратной оболочки) кардинально влияет на свойства, в первую очередь на цвет: гидратированный ион придает соединениям и растворам голубую окраску.

в) H₂⁰ и H⁺

Сравнение молекулы водорода ($H_2^0$) и иона водорода ($H^+$) показывает фундаментальные различия между молекулой простого вещества и ионом, определяющим кислотные свойства.

Строение:

1. Молекула водорода $H_2^0$ — это электронейтральная двухатомная молекула. Два атома водорода в ней соединены прочной одинарной ковалентной неполярной связью (H–H), образованной общей электронной парой.

2. Ион водорода $H^+$ — это атом водорода, который лишился своего единственного электрона. Таким образом, он представляет собой элементарную частицу — протон, то есть «голое» атомное ядро без электронной оболочки. Из-за крайне малого размера и концентрированного положительного заряда ион $H^+$ не может существовать в свободном виде в конденсированных средах (например, в воде). Он мгновенно взаимодействует с молекулами растворителя, образуя в воде ион гидроксония $H_3O^+$ по донорно-акцепторному механизму ($H^+ + :OH_2 \rightarrow [H_3O]^+$).

Свойства:

1. Молекула водорода $H_2^0$ — это простое вещество, газ без цвета и запаха. Из-за высокой энергии связи H–H (436 кДж/моль) молекула водорода довольно инертна при обычных условиях. Однако при нагревании или в присутствии катализаторов водород проявляет сильные восстановительные свойства, реагируя с оксидами металлов, неметаллами ($CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$). В реакциях с активными металлами водород может выступать как окислитель, образуя гидриды ($2Na + H_2 \rightarrow 2NaH$).

2. Ион водорода $H^+$ (в виде $H_3O^+$) не является веществом, а является частицей, которая определяет кислотные свойства водных растворов (высокая концентрация $H^+$ соответствует низкому значению pH). Он является сильным окислителем, так как стремится принять электрон для восстановления до атомарного или молекулярного водорода. Участвует в ключевых химических процессах: реакциях нейтрализации ($H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$), реакциях с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода ($Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2 \uparrow$), а также с основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот.

Ответ: $H_2^0$ — это стабильная электронейтральная двухатомная молекула (газ), проявляющая преимущественно восстановительные свойства. $H^+$ — это протон, не имеющий электронов, который не существует в свободном виде в растворах (образует ион $H_3O^+$) и является сильным окислителем, определяющим кислотную среду.