Цинк и его свойства (стр. 1 из 4)

Химический элемент № 30

4.Электронное строение атома.

4.2. Дайте объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента в системеД.И. Менделеева (порядковый номер, номер периода, номер группы, принадлежность к группе «А» или «Б»). Определите возможность «Эффекта провала электрона».

Решение.

Порядковый номер химического элемента в периодический системе – 30. молярная масса элемента равна 65.39 г/моль.

. Это значит, что в нейтральном атоме цинка содержится 30 электронов, заряд ядра атома цинка также равен 30. Цинк расположен в четвертом периоде системы. Это значит, что в атоме цинка есть четыре электронных слоя, на которых расположены электроны. Цинк расположен во второй группе периодической системы. В атоме цинка полностью заполняется 3d-подуровень на котором теперь находится 10 электронов. Цинк принадлежит к побочной подгруппе, или группе «Б».

Провал или проскок электрона для цинка невозможен, поскольку у него полностью заполнен 3d-подуровень. Провал электрона характерен для меди, серебра, у них количество d-электронов также равно 10, но s-электрон только один. Это можно объяснить повышенной энергетической стойкостью электронных структур, отвечающих полностью заполненным энергетическим подуровням. Переход электрона в атоме меди с 4s на 3d-подуровень приводит к образованию полностью заполненного 3d-подуровня и это энергетически выгодно. У цинка 3d – под уровень заполнен и электрону некуда переходить.

4.3. Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома химического элемента, определитепринадлежность химического элемента к типу s-, p-, d-, f-элементов.

Решение.

Покажем расположение валентных электронов в атоме цинка. Как видно из электронной формулы цинк относится к d-элементам, поскольку у него заполняется 3d-подуровень.

На приведенном рисунке эллипсом выделено расположение валентных электронов.

4.4. Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов.

Решение.

У атома цинка будет два валентных электрона. Запишем наборы квантовых чисел для этих электронов. Главное квантовое число равно 4 и химический элемент находится в 4 периоде периодической системы химических элементов. Поскольку в цинка валентные электроны расположены только на s-подуровне то его орбитальное квантовое число имеет значение равное 0. Поскольку этих электронов будет 2 то они имеют противоположные спины m_s = ±1/2. Поскольку m_l= 0 то у элемента не будет других подуровней кроме s-подуровня.

Наборы квантовых чисел будут иметь вид:

n = 5; l = 0; m_l= 0; m_s = +1/2.

n = 5; l = 0; m_l= 0; m_s = -1/2.

4.5. Определите принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам, спрогнозируйтевеличины степени окисления.

Решение.

Поскольку цинк расположен во второй группе периодической системы, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. для металлов более приемлема отдача электронов. Поэтому цинк может отдавать два электрона с

- подуровня. Поэтому цинк будет проявлять степень окисления +2. В связи с экранированием 3d – подуровня и его заполненостью, электроны с него не будут брать участие в химических процессах и поэтому цинк будет проявлять только степень окисления равную +2.

4.6. Распределите валентные электроны атома химического элемента по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда.

Решение.

В соответствии с принципом наименьшей энергии два валентных электрона атома цинка расположатся на 4s-подуровне, поскольку он располагает меньшей энергией чем любой другой подуровень. Правило Хунда гласит, что устойчивому состоянию атома отвечает такое расположение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Поэтому мы моглы бы считать. Что в одной ячейке будут электроны с одинаково направлеными спинами. Но это противоречит принципу Паули. И поэтому расположение электронов для цинка будет таково как на приведенном нами рисунке:

4.7. Прогнозируйте тип гибридизация валентных атомных орбиталей при образовании бинарных соединений (фторидов, хлоридов и др.).

Решение.

Рассмотрим получение

:

Каждый атом фтора, входящий в состав данной молекулы, обладает одним неспаренным электроном, который и берет участие в создании ковалентной связи. Атом цинка в не возбужденном состоянии неспаренных электронов не имеет вообще:

Поэтому для участия в химическом соединении атом цинка должен перейти в возбужденное состояние:

.

Образовавшийся возбужденный атом цинка владеет двумя не спаренными электронами, электронное облако одного электрона соответствует состоянию 4s, а другого состоянию 4p. При затрате некоторой энергии вместо исходных орбита лей могут образовываться две равноценные гибридные орбитали (sp – орбитали). У атома цинка в бинарных соединениях будет наблюдаться sp –гибридизация. Гибридные sp –орбитали будут вытянуты в противоположных направлениях, как это показано на рисунке.

Рис. 1. Строение молекулы ZnF₂.

5. Соединение данного химического элемента с неметаллами.

5.2. С галогенами.

Решение.

Газообразные фтор, бром, хлор, иод не реагируют с цинком на холоду. Но в присутствии паров воды реакция может проходить с воспламенение металла и выделением большого количества теплоты (для фтора 172 ккал, для хлора 95,6 ккал на моль цинка)

В реакции с галогенами получаем галоген производные цинка: фториды, хлориды, броматы.

5.4. С азотом.

Решение.

С азотом, даже в парах цинк не реагирует, но довольно легко реагирует при температуре красного каления с аммиаком с выделением нитрида цинка

.

5.5. С углеродом.

Решение.

Цинк непосредственно не реагирует с углеродом и карбид цинка мы можем получить только через промежуточные реакции. Карбид цинка мы можем получить при нагревании цинка в токе ацетилена при температурах около 200 – 300 С.

Карбид цинка

довольно нестойкое соединение, которое легко разлагается водой и кислотами.

6.1. Запишите ряд оксидов данного химического элемента (прогноз по электронной формуле иковалентности).

Решение.

Для цинка характерна степень окисления +2. поэтому цинк имеет только один оксид: ZnO. Другие оксиды цинка неизвестны. Возможно существование пер оксида цинка ZnO₂. ковалентность цинка в пер оксиде равна двум, строение его молекулы приведено на рисунке.

Ковалентность цинка в оксиде ZnOравна двум.

Запишем электронную формулу для ZnO:

6.2. Прогнозируйте характер оксидов (основной, кислотный, амфотерный) по величине Э.О. и правилухимических свойств ряда оксидов.

Решение.

Во второй побочной подгруппе периодической системе кроме цинка находится также и кадмий и ртуть. Все эти металлы имеют основные оксиды, кадмий проявляет также и амфотерные свойства. Поэтому можно прогнозировать, чтооксид цинка будет проявлять также амфотерные свойства.

Рассмотрим электроотрицательности оксида цинка:

Разница электронегативностей для ZnO равна 3,5 – 1,8 = 1,7. Для основных оксидов Na₂O, CaO, BaO эта разница составляет около 2,5, а для кислотных оксидов SO₂, SO₃, P₂O₅ около 1÷1,3. как видно оксид цинка лежит посредине этих значений, как металл он будет обладать амфотерными свойствами.

6.3. Запишите соответствующие гидроксиды (основания и кислоты). Определите принадлежность к сильнымили слабым электролитам.

Решение.

Для цинка характерен только один гидроксид.

Поскольку цинк двухвалентен, то формула гидроксида цинка имеет вид:

. Гидроксид цинка выделяется из растворов солей цинка при действии щелочей в виде белого аморфного осадка. При стоянии он постепенно приобретает кристаллическую структуру. Скорость кристаллизации зависит от раствора соли из которой она кристаллизируется. Так из растворов хлоридов гидроксид цинка кристаллизируется значительно быстрее чем из растворов нитратов.