Решение типовых задач

1. Как изменятся магнитные свойства и энергия связей двухатомных молекул NO, CO, Li₂, B₂, C₂, N₂, O₂, F₂ при их ионизации?

Решение.

При ионизации молекул образуются молекулярные ионы: NO⁺, CO⁺, Li₂, B₂⁺, C₂⁺, N₂⁺, O₂⁺, F₂⁺. Отрыв одного электрона от диамагнитных молекул CO, Li₂, B₂, N₂, F₂, содержащих четное общее количество электронов, приводит к образованию парамагнитных ионов. Молекулярные ионы CO⁺, Li₂, B₂⁺, N₂⁺, F₂⁺ содержат по одному неспаренному электрону и являются ион-радикалами.

Отрыв одного электрона от парамагнитных молекул С₂ и О₂, содержащих по два неспаренных электрона приводит к уменьшению суммарного спина электронов, но ионы как и молекулы остаются парамагнитными.

Отрыв одного электрона от парамагнитной молекулы NО, содержащей один неспаренный электрон на π-разрыхляющей орбитали, приводит к образованию диамагнитного катиона NO ⁺.

Энергия связи молекул CO, Li₂, B₂, C₂, N₂ больше по сравнению с энергией связи соответствующих ионов CO⁺, Li₂, B₂⁺, C₂⁺, N₂⁺, так как при ионизации удаляется электрон со связывающей молекулярной орбитали.

Энергия (прочность) связи молекул NO, O₂, F₂ меньше, чем энергия связи соответствующих ионов NO⁺, O₂⁺, F₂⁺, так как в процессе ионизации электрон удаляется с разрыхляющей молекулярной орбитали.

2. Определить потенциал ионизации молекулы кислорода, если известно, что энергия связи молекулы кислорода (Е_св(О₂)) равна 494 кДж/моль, энергия связи молекулярного иона О₂⁺ равна 642 кДж/моль, потенциал ионизации атома кислорода (Е_и(О)) равен 13,62 эВ.

Решение.

а) Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить для диссоциации молекулы и молекулярного иона на атомы и ионизированные атомы, т.е. это тепловые эффекты процессов:

О₂ = 2О Е_св(О₂) = 494 кДж/моль (1)

О₂⁺ = О + О⁺ Е_св(О₂⁺) = 642 кДж/моль (2)

Потенциал ионизации – это энергия, которую необхоимо затратить для отрыва от атома или молекулы электрона, т.е это тепловые эффекты процессов:

О – е^- = О⁺ Е_и(О) = 13,62 эВ = 1314,06 кДж/моль (1эВ = 96,48 кДж/моль) (3)

О₂ – е^- = О₂⁺ Е_и (О₂) –? (4)

Для расчета энергии ионизации с использованием исходных данных осуществим процесс превращения О₂ = О₂⁺ + е^- в три стадии. Первая стадия – диссоциация одного моля молекул кислорода на два моля атомов (1). Для этого потребуется 494 кДж энергии. Далее осуществим ионизацию одного моля атомов кислорода (3). Для этого потребуется 1314,06 кДж энергии. В сумме с первой стадией потребуется 1808.06 кДж энергии (1314,06 + 494). Далее соединим атом и ион кислорода, т.е. осуществим процесс обратный процессу (2) диссоциации молекулярного иона О₂⁺. Так как при диссоциации молекулярного иона энергию необходимо затратить, то при его образовании такое же количество энергии выделится. Поэтому от количества затраченной энергии в первых двух стадиях необходимо вычесть энергию выделившуюся в конечной стадии и получим суммарную энергию, которую необходимо затратить на ионизацию молекулы кислорода:

Е_и (О₂) = Е_св(О₂) + Е_и(О) - Е_св(О₂⁺) = 1314,06 – 642 = 1166,06 кДж/моль.

б) Термохимические уравнения можно складывать и вычитать как алгебраические (об этом будет сказано в разделе химической термодинамики). Сложим левые и правые части уравнений (1) и (3) и вычтем левую и правую часть уравнения (2):

О₂ + О – е^- - О₂⁺ = 2О + О⁺ - О – О⁺

Сокращаем О и О⁺ в обеих частях суммарного уравнения и получаем:

О₂ – О₂⁺ - е^- = 0 или О₂ – е^- = О₂⁺, что соответствует процессу ионизации молекул кислорода. При этом величины тепловых эффектов всех трех стадий складываются и вычитаются аналогичным образом, т.е. ΔЕ_1.2.3 = Е_и (О₂) = Е_св(О₂) + Е_и(О) - Е_св(О₂⁺) = 1166,06 кДж/моль.

Ответ: Е_и (О₂) = 1166,06 кДж/моль.

3. Сколько энергии выделится или поглотится при превращении 76 г молекул F₂ в анионы F^-, если известно, что энергия связи в молекуле фтора равна 158,78 кДж/моль, а сродство к электрону атома фтора – (-3,401) эВ (на один атом)?

Решение.

а) Уравнения диссоциации молекулы фтора на атомы и присоединения атомом электрона:

F₂ = 2F Е_св(F₂) = +158,78 кДж/моль (1)

F + e^- = F^- Е_ср(F) = - 3,401 эВ = -328,13 кДж/моль (2)

Для превращения 38 г молекул фтора необходимо затратить энергии 158,78 кДж/моль (эндотермический процесс), а для диссоциации 76 г – в два раза больше, а именно: 317,56 кДж. При присоединении электронов к 19 г (один моль) атомов фтора выделяется 328,13 кДж/моль энергии (экзотермический процесс), а к 76 г – в четыре раза больше, а именно: 1312,52 кДж. Выделится во второй стадии превращения энергии больше, чем поглотится в первой. Суммарный энергетический эффект превращения равен разности этих величин:

ΔЕ = 2Е_св(F₂) - 4Е_ср(F) = 317,56 – 1312,52 = - 994,96 кДж.

б) Сложим уравнение (1) и умноженное на два уравнение (2):

F₂ +2F + 2e^-= 2F +2 F^- или после сокращения слагаемых 2F в обеих частях уравнения F₂ + 2e^- = 2F^-

Аналогично складываем и тепловые эффекты: ΔЕ = Е_св(F₂) + 2Е_ср(F) = 158,78 кДж/моль + (-656,26) кДж/моль = - 497,48 кДж/моль

При превращении одного моля (38 г) молекул фтора в анионы фтора выделится 497,48 кДж тепла, а двух молей (76 г) – 994,96 кДж.

Ответ: выделится 994,96 кДж энергии.

Дата добавления: 2015-08-10