Лабораторні роботи з хімії

Лабораторна работа №1

Будова атомів і періодичний закон

1.Мета роботи.

Засвоєння квантової теорії будови атомів і її основних закономірностей у зміні властивостей елементів періодичної системи по групам і періодам.

2.Реактиви і обладнання.

1.Цинк. 2.Залізні ошурки. 3.Свинець. 4.Олово. 5.Магнієві ошурки або стрічка. 6.Розчини: купрум(ІІ) сульфату, натрій сульфіту, аргентум нітрату, алюміній нітрату, магній хлориду, натрій силікату.

Оксиди: натрію, магнію, алюмінію, силіцію(ІV), фосфору(V). 8.Дистильована вода. 9.Лакмус. 10.Фенолфталеїн.11.Хлоридна кислота. 12.Натриій гідроксид. 13.Йодна вода.

3.Вказівки на теоретичний матеріал.

Література 9.1, стор. 73 – 99.

4.Теоретичні положення.

   Атом має складну будову: навколо позитивно зарядженого ядра рухаються електрони по енергетичним рівням, підрівням, орбіталям. Заряд ядра атома чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі і відповідає загальній кількості електронів в нейтральному атомі. Електрон одночасно є і частинкою і хвилею. Рухаючись навколо ядра електрон утворює електронну хмару. Максимальна електронна густина відповідає найбільшій ймовірності перебування електрона.

   Згідно з квантово-механічною теорією стан електрона в атомі характеризується значеннями чотирьох квантових чисел (кв.ч.).

   п – головне кв.ч. характеризує загальну енергію електрона на певному рівні;

n = 1,2,3,4...до ∞. Стан електрона, який характеризується певним значенням головного кв.ч., називається енергетичним рівнем. Максимальна кількість енергетичних рівнів в атомі в основному стані відповідає номеру періода, в якому розміщений елемент. N=2n²

N – максимальна кількість електронів на енергетичному рівні;

   l – орбітальне кв.ч. характеризує форму руху електрона, енергію електрона на підрівні

l = від 0 до n – 1 (цілі числа). l = 0 s-підрівень, l = 1 p-підрівень, l = 2 d-підрівень, l = 3

f-підрівень. Можлива кількість підрівнів на енергетичному рівні дорівнює номеру цього рівня, наприклад: n=4; l=0; l=1; l=2; l=3;        4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴.

   m₁ – магнітне кв.ч. характеризує просторове розміщення електронних орбіта лей відносно направленості магнітного поля. m₁ = -1, 0, 1 (цілі числа). Наприклад: l=3 m₁= - 3,- 2,- 1, 0, 1, 2, 3 (7 просторових орієнтацій).

   m_s – спін характеризує електрон як матеріальну частинку, обертання навколо своєї осі  m_s =+1/2, - 1/2.

   Електрони заповнюють енергетичні рівні, підрівні, орбіталі в певній послідовності, в порядку збільшення енергії (правило Клечковського В.М.) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s² 5f¹⁴ 6d...

   Атомне ядро складається із стаціонарних частинок протонів (р) і нейтронів (п), які називаються нуклонами. Протони і нейтрони утримуються в ядрі ядерними силами, що значно перевищують кулонівське відштовхування однойменно заряджених протонів Z і нейтронів N, A= Z + N. В ядрі зосереджена основна маса атома (99,9%). Природа елемента визначається числом протонів у ядрі. Ядра всіх атомів одного елемента мають однакове число Z, але можуть мати різні значення N, різну масу – це ізотопи. За певних умов можливо змінити склад ядра, такі реакції називаються ядерними. Ядерні реакції протікають під дією нейтронів, протонів, фотонів, α-квантів, γ-частинок тощо.

5.Порядок виконання роботи.

   Дослід 1. Утворення одноатомних іонів металів.

   У процесі взаємодії атомів металів з окисником кількість електронів в електронному шарі їх атомів зменшується. Утворюються заряджені позитивно частинки – йони.

   У п’ять пробірок налити по 10 крапель розчину купрум(ІІ) сульфату. До першої пробірки внести залізні ошурки, до другої – гранулу цинку, до третьої – свинцю, до четвертої – олова, до п’ятої магнієвої стружки. Через 10 хвилин оглянути поверхню металів і відзначити зміни забарвлення розчину купрум(ІІ) сульфату.

   Скласти рівняння реакцій і електронні формули атомів і  їх одноатомних іонів. Зазначити розподіл електронів за квантовими комірками.

   Які значення квантових чисел /n,l,m,s/ відповідають атомній орбіталі формуючого електрону в атомах цих металів?

   Дослід 2. Утворення одноатомних іонів неметалів.

   Атоми неметалів утворюють негативно заряджені частинки – йони, тому що кількість електронів в зовнішньому електронному шарі під час хімічних реакцій збільшується.

   В пробірку з розчином сульфіту натрію додати такий самий об’єм йодної води. Спостерігати знебарвлення йодної води. За допомогою аргентум нітрату виявити присутність іонів йоду. Скласти рівняння реакцій і описати свої спостереження. Зазначити розподіл електронів за квантовими комірками і скласти електронні формули атома і йона йоду. Які значення квантових чисел /n,l,m,s/ відповідають атомній орбіталі формуючого електрону в атомі йоду?

   Дослід 3. Властивості оксидів елементів ІІІ періоду.

   Внести в окремі пробірки по 1 мікрошпателю оксидів натрію, магнію, силіцію(ІV), фосфору(V), додати дистильованої води /1 мл/ і 5 крапель лакмусу. Описати свої спостереження і скласти рівняння реакцій, що відбуваються. Зробити висновок щодо зміни властивостей оксидів елементів в залежності від положення у періоді.

   Дослід 4. Властивості гідроксидів елементів ІІІ періоду.

   За допомогою наявних реактивів одержати гідроксиди натрію, магнію, силіцію(ІV), фосфору(V), індикаторами встановити рН і вивчити характер гідроксидів. Для цього кожен гідроксид розділити на 2 частини і до одної додати надлишок розчину натрій гідроксиду. Додаючи кислоту або луг, вміст пробірок збовтувати.

   Зробити висновок про зміни характеру гідроксидів у залежності від положення елементів у періоді.

6.Питання для самоперевірки.

6.1. Атому якого хімічного елемента відповідає електронна формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ ?

6.2. Скласти електронну формулу і скорочену електронну формулу: а) атома германія, б) йона Sп⁺², в) атома танталу, г) йона Іп²⁺.

6.3. Які орбіталі атома заповнюються раніше: 4S чи 3d ? 5S чи 4d ? Чому?

6.4. Знайти у періодичній системі Д.І.Менделєєва елементи – електронні аналоги Нітрогену. Записати скорочені формули цих елементів. Чому дорівнює їх ступінь окислення у сполуках?

6.5. Як змінюється характер оксидів елементів ІІІ періоду? Відповідь обґрунтувати.

6.6. Маємо шість ізотопів кальцію з масовими числами 40, 42, 43, 46 і 48. Визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі цих ізотопів.

7. Зміст звіту.

7.1. Тема та мета роботи.

7.2. Відповіді на питання для самоперевірки.

7.3. Аналіз дослідів.

7.4. Висновки.

8. Домашнє завдання.

8.1. Підготувати бланк звіту.

8.2. Вивчити періодичний закон і квантову теорію будови атома.

9. Література.

9.1. Н.Л.Глинка. Общая химия.Учебное пособие для вузов. Л., Химия, 1978.

9.2. В.С.Телегус. Основи загальної хімії. Львів, Світ, 2000.

9.3. Н.Л.Глинка. Задачи и упражнения по общей химии. Учебное пособие для вузов. Л.,Химия, 1985.