Номер 5, страница 22, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Сравните по строению и свойствам:

а) $Ca^0$ и $Ca^{2+}$

б) $H_2^0$ и $H^+$

в) $Fe^0$ и $Fe^{3+}$

а) Ca⁰ и Ca²⁺

Строение:

Атом кальция ($Ca^0$) — это нейтральная частица. Его порядковый номер 20, следовательно, заряд ядра равен $+20$, а на электронных оболочках находится 20 электронов. Электронная конфигурация атома кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. Атом имеет 4 электронных уровня, на внешнем $4s$-подуровне находятся 2 валентных электрона.

Ион кальция ($Ca^{2+}$) — это катион, который образуется при потере атомом кальция двух валентных электронов. Заряд ядра остается $+20$, но число электронов уменьшается до 18. Электронная конфигурация иона кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^6$. Она идентична конфигурации благородного газа аргона ($Ar$), что делает ион очень стабильным. У иона $Ca^{2+}$ всего 3 электронных уровня, а внешний (третий) уровень является завершенным (содержит 8 электронов). Радиус иона $Ca^{2+}$ значительно меньше радиуса атома $Ca^0$, так как уменьшилось число электронных слоев и оставшиеся 18 электронов сильнее притягиваются к ядру с зарядом $+20$.

Свойства:

Атом кальция ($Ca^0$) является простым веществом — металлом кальцием. Это активный щелочноземельный металл, проявляющий сильные восстановительные свойства. Он легко вступает в химические реакции, отдавая свои два валентных электрона и превращаясь в ион $Ca^{2+}$. Например, бурно реагирует с водой: $Ca + 2H_2o \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$.

Ион кальция ($Ca^{2+}$) — это частица, которая не существует изолированно, а входит в состав ионных соединений (оксидов, солей, гидроксидов) или находится в растворах. Благодаря своей стабильной электронной конфигурации, ион кальция химически инертен и в обычных условиях не проявляет ни окислительных, ни восстановительных свойств.

Ответ: Атом $Ca^0$ и ион $Ca^{2+}$ имеют одинаковый заряд ядра, но разное число электронов (20 и 18) и разное строение электронных оболочек. Атом является химически активным металлом-восстановителем, в то время как ион химически стабилен и не проявляет окислительно-восстановительной активности.

б) H₂⁰ и H⁺

Строение:

Молекула водорода ($H_2^0$) — это нейтральная частица, состоящая из двух атомов водорода, соединенных ковалентной неполярной связью. Каждый атом водорода предоставляет по одному электрону для образования общей электронной пары. Таким образом, у каждого атома в молекуле электронная оболочка становится завершенной, как у атома гелия ($He$), что обеспечивает стабильность молекулы.

Ион водорода ($H^+$) — это катион, образовавшийся в результате потери атомом водорода своего единственного электрона. Фактически, это ядро атома водорода — протон. У иона $H^+$ нет электронной оболочки. В растворах, особенно в водных, свободный протон не существует и немедленно связывается с молекулой воды, образуя ион гидроксония $H_3O^+$.

Свойства:

Молекула водорода ($H_2^0$) является простым веществом — водородом, который при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ. Водород может быть как восстановителем (в реакциях с оксидами металлов, неметаллами), так и окислителем (в реакциях с активными металлами). Например: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$.

Ион водорода ($H^+$) не является веществом, это частица, которая определяет кислотную среду растворов. Чем выше концентрация $H^+$ (в виде $H_3O^+$), тем выше кислотность. Ион $H^+$ является сильным окислителем, например, в составе кислот он окисляет металлы, стоящие в ряду активности до водорода: $2H^+ + Zn \rightarrow Zn^{2+} + H_2\uparrow$.

Ответ: $H_2^0$ — это стабильная двухатомная молекула, простое вещество, проявляющее и окислительные, и восстановительные свойства. $H^+$ — это субатомная частица (протон) без электронов, которая определяет кислотные свойства растворов и является сильным окислителем.

в) Fe⁰ и Fe³⁺

Строение:

Атом железа ($Fe^0$) — нейтральная частица с порядковым номером 26. Заряд ядра $+26$, число электронов — 26. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$. Железо — это d-элемент. Валентными являются электроны с внешнего $4s$- и предвнешнего $3d$-подуровней.

Ион железа(III) ($Fe^{3+}$) — это катион, образовавшийся при потере атомом железа трех электронов: двух с $4s$-подуровня и одного с $3d$-подуровня. Заряд ядра остается $+26$, а число электронов становится 23. Электронная конфигурация иона: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^5$. Конфигурация $3d^5$ (наполовину заполненный $\text{d}$-подуровень) является энергетически выгодной и придает иону $Fe^{3+}$ дополнительную устойчивость. Радиус иона $Fe^{3+}$ значительно меньше радиуса атома $Fe^0$.

Свойства:

Атом железа ($Fe^0$) является простым веществом — металлом железом. Это металл средней активности, проявляющий восстановительные свойства. В зависимости от силы окислителя, атом железа может отдавать 2 или 3 электрона, образуя ионы $Fe^{2+}$ или $Fe^{3+}$. Например: $Fe + S \xrightarrow{t} FeS$ (степень окисления +2), $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$ (степень окисления +3).

Ион железа(III) ($Fe^{3+}$) — это частица, входящая в состав соединений железа(III). В водных растворах придает им характерную желто-коричневую окраску. Ион $Fe^{3+}$ является окислителем, так как может принимать электроны, понижая свою степень окисления, чаще всего до +2. Например, в реакции с иодид-ионами: $2Fe^{3+} + 2I^- \rightarrow 2Fe^{2+} + I_2$.

Ответ: Атом $Fe^0$ и ион $Fe^{3+}$ имеют одинаковый заряд ядра, но разное число электронов (26 и 23) и разное строение валентных уровней. Атом железа является металлом-восстановителем, способным образовывать соединения в разных степенях окисления. Ион $Fe^{3+}$ является окислителем и имеет устойчивую электронную конфигурацию $3d^5$.