1. Химия – это наука, изучающая вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и строения вещества. Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Химия изучает явления, которые происходят на микроскопическом уровне, т.е. на атомно-молекулярном. Химия состоит из таких разделов, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия.
Основные понятия в химии:
Атом
– это наименьшая частица элемента в химических соединениях; химически неделимая частица, из которых состоят молекулы. Атом состоит из ядер и электронов. Ядра из протонов и нейтронов. Протон – частица с зарядом +1 (их число обозначается Z). Нейтрон – частица, имеющая нулевой заряд (их число обозначается N). Общее название этих частиц – нуклоны. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом A: A=Z+N.
Молекула
– это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами (определение 1860 года). Современное определение: молекула – это наименьшая электронейтральная замкнутая совокупность атомов, образующих определенную структуру с помощью химических связей. Молекулы бывают одноатомными (Н), двухатомные (О2), многоатомные (H2SO4).
Вещество
– это любая совокупность атомов и молекул. Вещества бывают простые и сложные. Простые вещества образованы атомами одного элемента. Сложные вещества, или химические соединения состоят из атомов разных элементов, связанных между собой постоянными соотношениями.
Количество вещества
– это число структурных элементов в системе.
Моль
– это количество вещества системы, которое содержит столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012кг изотопа углерода С12.
Значение химии:
1.создание материалов с заданными свойствами;
2.обработка новых материалов;
3.разработка новых технологий;
4.защита металлов и металлических конструкций от коррозии.
2. Основные законы химии:
1.закон сохранения массы и энергии (Ломоносов): в изолированной системе сумма массы и энергии постоянна. Е=mc2.
2.закон постоянства состава вещества: независимо от нахождения в природе или способа получения любое химическое соединение имеет постоянный качественный и количественный состав.
3.закон эквивалента (Рихтер): все вещества реагирующие строго в эквивалентном соотношении. Эквивалент – это реальные частицы вещества, которые могут присоединять, замещать, освобождать или быть каким либо другим.
4.закон кратных отношений (Дж.Дальтон, 1803): если два элемента могут образовывать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа .
5.закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
3. Атом
– это сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Сложное строение атома было установлено в результате следующих опытов:
1. открытие радиоактивности и установление природы α-, β- и γ-частиц, испускаемых атомами;
2.открытие электрона (Дж.Томсон, 1897);
3.опыты по рассеянию α-частиц на атомах (Э.Резерфорд, 1911).
На основе этих опытов была сформулирована простейшая модель атома – планетарная модель Резерфорда. Ее основные положения:
1. в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре.
3. вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.
Модель Томсона:
Модель Морозова:
Модель Резерфорда:
4. Кванты и модель Бора. В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дискретными порциями, названы им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (колебания) v: где h - постоянная Планка (6, 626*10"-34 Дж-с.); v = с /Лямбда, с — скорость света; X — длина волны. В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает 5 Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был 5,29-10"13 м, радиус других орбит был равен: г = n2(5,29-10'13).Энергия электрона (эВ) зависела от значения главного квантового числа n: En=-13,6 (1/n2).Отрицательный знак энергии означает устойчивость системы, которая тем более устойчива, чем ниже (чем более отрицательна) ее энергия. Атом водорода обладает минимальной энергией, когда электрон находится на
первой орбите (n=1). Такое состояние называется основным. При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится возбужденным. Такое состояние атома неустойчиво. При переходе с верхней орбиты на нижнюю атом излучает квант света, что экспериментально обнаруживается в виде серий атомного спектра Значения n и m в уравнении соответствуют значениям главных квантовых чисел, с которых электрон переходит (т) и на которые электрон переходит (n). Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой. Теория Бора получила экспериментальное подтверждение, но она не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии. Теория Бора оказалась непригодной для многоэлектронных атомов. Возникланеобходимость в новой модели атома, Двойственная природа электрона. В 1905 г. А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. В 1924 г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом. Позднее это было подтверждено на опытах по дифракции на кристаллах. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны Я электрона или любой другой частицы с массой т и скоростью V, λ= h/(mv).Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам, но как следует из уравнения, для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена. Так, для тела с массой 1000 кг, двигающегося со скоростью 108 км/ч (30 м/с) λ= 2,21-10"38 м.В 1927 г. В. Гейзенберг (Германия) постулировал принцип неопределенности, согласно которому положение и импульс движения субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В каждый момент времени можно определить только лишь одно из этих свойств. Э. Шредингер (Австрия) в 1926 г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме. Работы Планка, Эйнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, а также Шредингера, предложившего волновое уравнение, заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц. основанной на открытиях в микромире.
5. Квантовые числа. Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое. Главное квантовое число nопределяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, 4, 5,... и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше n, тем выше энергия. Оболочки (уровни) имеют буквенные обозначения: К (n = 1), L (n = 2), М (n= 3), N(n = 4), Q (n =5), переходы электронов с одной оболочки (уровня) на другую сопровождаются выделением квантов энергии, которые могут проявиться в виде линий спектров Орбитальное квантовое число lопределяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до (n-1). Подоболочки также обозначаются буквами: Подоболочка (подуровень) s p d f. Орбитальное квантовое число, l(0 1 2 3) Электроны с орбитальным квантовым числом 0, называются s-электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют сферическую форму. Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются р-электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют форму, напоминающую гантель. Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называют d-электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали. Наконец, электроны с орбитальным квантовым числом 3 получили название f-электронов. Форма их орбиталей еще сложнее, чем форма d-орбиталей. В одной и той же оболочке (уровне) энергия подоболочек (подуровней) возрастает в ряду: В первой оболочке (n = 1) может быть одна (s-), во второй (n = 2) — две (s-, р-), в третьей (n = 3) — три (s-, p-, d-),в четвертой (n= 4) — четыре (s-, p-, d-, f-) - подоболочки. Магнитное квантовое число m характеризует ориентацию орбитали в пространстве. В отсутствие внешнего магнитного поля все орбитали одного подуровня (подоболочки) имеют одинаковое значение энергии. Под воздействием внешнего магнитного поля происходит расщепление энергии подоболочек. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от –lдо +l, включая ноль. Например, для l = 3, магнитные квантовые числа имеют значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, т. е. в данной подоболочке (f-подоболочке) существует семь орбиталей. Соответственно в подоболочке s (l = 0) имеется одна орбиталь (m= 0), в подоболочке p (l = 1) — три орбитали (m = -1,0, +1), в подоболочке d (l = 2) пять орбиталей (m = -2, -1, 0, +1, +2). Магнитное спиновое число ms - проекция спина на ось z
.
Она может иметь лишь два значения: ms = + ½ , ms = - ½. Поскольку спин электрона S – величина постоянная, его обычно не включают с набор квантовых чисел, характеризующих движение электрона в атоме, и говорят о четырех квантовых числах.
6. Электронная конфигурация атома – распределение электронов в атоме по орбиталям. Оно определяется тремя принципами:
1.Правило В. Клечковского. Увеличение энергии и соответственно заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n+1, а при равной сумме в порядке возрастания числа n. (1s| 2s 2p| 3s 3p| 4s 3d 4p| 5s 4d 5p| 6s 4f 5d 6p |7s 5f 6d 7p)
2.Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором квантовых чисел.
3.Принцип минимальной энергии. Электроны в основном состоянии заполняют орбитали в порядке повышения уровня энергии орбиталей. Основное состояние – это наиболее устойчивое состояние атома, в котором электроны занимают орбитали с наименьшей энергией.
4.Правило Гунда. Заполнение орбитали одной подоболочки в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами.
7. Нормальное и возбужденное состояние атома.
……….
8. Периодическая система Д. И. Менделеева, ее структура. Периодический закон: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элемента. Периодическая система элементов – графическое изображение Периодического закона.
Номер элемента обозначает количество протонов в ядре и количество электронов в поле ядра.
Элементы в системе Менделеева расположены в порядке возрастания их атомного номера и в соответствии с распределением электронов вокруг ядра. В таблице 7 периодов, 10 рядов, 8 групп, пока известно 109 элементов. В горизонтальных рядах – периодах – элементы располагаются, начиная от типичных металлов, через элементы, обладающие свойством амфотерности (двойственности), к неметаллам. Заканчиваются все периоды инертными газами. Первый период содержит 2 элемента, второй и третий – по 8, четвертый и пятый – по 18, шестой – 32 и седьмой (незавершенный) – 26 элементов. В малых периодах с увеличением порядкового номера усиливаются неметаллические свойства элементов.
По вертикали – элементы располагаются по группам (группой называют совокупность элементов с одинаковым значением максимальной валентности, равным номеру группы). Их всего 8. Сверху вниз возрастают металлические свойства элементов. Группы делятся на главные и побочные, которые отличаются количеством электронов на внешнем энергетическом уровне. Все элементы побочных подгрупп (переходные элементы) – металлы.
Химические элементы, расположенные после урана (порядковый номер 92), называют трансурановыми. Это элементы 93 – 109. они получены искусственно. Их ядра крайне нестабильны. Элементам 106 – 109 названия пока не присвоены.
9. s-, p-, d-, f-элементы, их расположение в периодической системе.
Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование K-оболочки атома, обозначим ее [Не]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба элемента имеют формирующие s-электроны и соответственно называются s-элементами У элементов второго периода формируется L-оболочка, заполняются s- и p-подоболочки. Формирующими электронами у первых двух элементов являются s-электроны, поэтому Li и Be относятся к s-элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается p-электроном. У элемента Ne полностью заполнена 2р-подоболочка, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne].Третий период начинается с натрия, электронная конфигурация которого 1s22s22p63s1 и заканчивается аргоном с электронной конфигурацией 1s22s22p63s23p6[Аr]. Хотя в третьем уровне (оболочка М) имеется подоболочка 3d которая остается незаполненной, в четвертом периоде начинает формироваться следующая оболочка N (n=4) и период начинается с s-элемента калия, [Аr]4s1. Это обусловлено тем, что энергия подуровня 4s несколько ниже, чем энергия подуровня 3d (см. рис. 1.5). В соответствие с правилом Клечковского n+1 у 4s(4) ниже, чем n+1 у 3d(5). После заполнения 4s-подоболочки заполняется 3d-подоболочка. Элементы от Sc [Ar] 3d1 4s2 до Zn [Ar] 3d |04s2, имеющие формирующие d-электроны, относятся к d-элементам. Как видно из табл. 1.3, у хрома на 4s-подоболочке остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона с s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией конфигурации 3d54s] по сравнению с конфигурацией 3d44s2. «Провал» электронов наблюдается и у других атомов, например у атомов Си, Nb, Mo, Pt, Pd Четвертый период завершается формированием подоболочки 4р у криптона [Аг] 3d104s24p6 или [Кг]. Всего в четвертом периоде 18 элементов. Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с s-элемента рубидия [Кг] 5s1 и заканчивается p-элементом ксеноном [Кr] 4d105s25p6 или [Хе] и включает в себя десять 4d-элементов от иттрия до кадмия. Всего в пятом периоде 18 элементов. В шестом периоде, как и в пятом, после заполнения s-подоболочки начинается формирование d-подоболочки предвнешнего уровня у лантана. Однако, у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4f-подоболочки по сравнению с 5d-подоболочкой. Поэтому после лантана следует 14 лантаноидов с формирующими f-электронами, т.е.f-элементов от церия Се [Хе] 4f25d°6s2 до лютеция Lu [Хе] 4f145dl6s2. Затем продолжается заполнение оставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6p-подоболочке. Период завершает радон [Хе] 4f145d°6s26p6 или [Rn]. Таким образом период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть p-элементов, десять d-элементов и четырнадцать элементов. Седьмой период начинается и продолжается аналогично шестому периоду, однако формирование его не завершено. Он также имеет вставную декаду из d-элементов и четырнадцать 5/элементов (актиноидов)
10. Сродство к электрону(Eср) – энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому: X + e→ X– . Eср выражается в кДж/моль или в эВ. Наибольшее сродство к электрону имеют галогены, кислород, сера, наименьшие (иногда отрицательное) – у металлов. Сродством к электрону называется энергетический эффект F
процесса присоединения электрона к атому.
Э0 +
e
= Э
-
±
F
.
В периодах сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают, в группах, как правило, уменьшаются.
11. Энергия ионизации.
Энергией ионизации
называется количество энергии I
, необходимое для отрыва электрона от атома или иона:
Э
0 + I
= Э
+ +e.
По периоду энергия ионизации немонотонно возрастает. Резкие максимумы соответствуют атомам благородных газов, которые обладают наиболее устойчивой электронной конфигурацией s
2p
6. В пределах одной группы с увеличением порядкового номера энергия ионизации обычно убывает, что связано с увеличением расстояния внешнего электронного уровня от ядра. Энергия ионизации является мерой восстановительной способности атома.
12.Электроотрицательность (ЭО). Способность атомов в соединениях притягивать к себе электроны. Возрастает по периоду, убывает по группам у элементов I, II, V, VI и VII главных подгрупп, III, IV и V – побочных подгрупп, имеет сложную зависимость у элементов III главной подгруппы (минимум у Al), возрастает с увеличением номера периода у элементов VII – VIII побочных подгрупп. Наименьшие значения s-элементы I подгруппы, наибольшие значения – p-элементы VI и VII групп.
Понятие электроотрицательности (ЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно Малликену, электроотрицательность атома может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону: ЭО = 1/2 (I
+ F
). В периодах наблюдается общая тенденция роста величины электроотрицательности, а в группах - ее падения.
13.Радиус атома орбитальный
- теоретически рассчитанное положение главного максимума плотности внешних электронных облаков. Практически приходится пользоваться эффективным. Эффективный радиус
- 1/2 расстояния между ядрами атомов химически связанных элементов. В периодах атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра, в общем, уменьшаются, так как при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а следовательно, притяжение им электронов. В пределах каждой подгруппы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, так как возрастает число электронных уровней.
14. Химическая связь - электростатическое взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. Образование химической связи происходит за счет неспаренных электронов каждого атома. Неспаренные электроны связываются в общую пару – поделенная пара. При сближении атомов валентные электроны одного атома начинают притягиваться к ядрам другого атома и, наоборот, валентные электроны второго атома притягиваются к ядрам первого. Главный результат образования химической связи – уменьшение общей энергии системы ядер и электронов, а достигается этот результат путем совместного использования электронов разными ядрами. Электронная плотность между атомами, образующими химическую связь, увеличивается. При образовании химической связи атом стремится завершить внешний уровень и приобрести электронную конфигурацию инертного газа, отдавая или принимая электроны. В зависимости от того, как происходит обмен электронами, различают следующие виды химической связи: ковалентную (полярную и неполярную), ионную, водородную, металлическую (связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью.
Этот тип связи характерен для простых веществ- металлов).
основные черты химической связи:
1. снижение общей энергии системы по сравнению с суммарной энергией изолированных частиц, из которых это система состоит.
2.перераспределение электронной плотности в области химической связи.
15. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые резко отличаются друг от друга по электроотрицательности.
Например, типичные металлы литий(Li), натрий(Na), калий(K), кальций (Ca), стронций(Sr), барий(Ba) образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами.
Кроме галогенидов щелочных металлов, ионная связь также образуется в таких соединениях, как щелочи и соли. Например, в гидроксиде натрия(NaOH) и сульфате натрия(Na2SO4) ионные связи существуют только между атомами натрия и кислорода (остальные связи – ковалентные полярные).
Не обладает направленностью и насыщенностью.
16. Ковалентная связь - связь, осуществляемая за счет образования общих электронных пар, принадлежащих обоим атомам. Общая пара электронов может быть получена двумя способами: 1) каждый из атомов отдает в общее пользование по одному электрону (обменный механизм); 2) один атом отдает в общее пользование два электрона, а другой ни одного (донорно-акцепторный механизм).
Направленность
– обуславливает пространственную структуру молекул, т.е. их геометрию (форму).
Насыщаемость
– способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Вследствие насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав: H2, CH4, H2S, HCl.
Полярность связи
характеризует степень смещения общей электронной пары к одному из атомов. Ковалентную связь, образованную одинаковыми атомами называют неполярной, а связь образованную разными атомами – полярной.
Валентный угол (угол между связями)
– угол между линиями, соединяющими химически связанные атомы. Валентные углы в разных молекулах могут изменяться от 600 до 1800.
Кратность (порядок) связи
– число электронных пар, участвующих в образовании связи. Для обычных ковалентных связей это число может быть равно 1,2 или 3.
17. Обменный механизм образования ковалентной связи. При сближении атомов, содержащих Неспаренные электроны, электронные оболочки атомов перекрываются между собой. При этом возникает общая пара электронов, одновременно принадлежащая обоим атомам. Каждый атом предоставляет в эту пару по одному неспаренному электрону. Пример:
H. +.H → H:H или Н-Н. общую пару электронов иногда обозначают черточкой, которая и символизирует химическую связь. В образующейся молекуле Н2 каждому атому водорода принадлежат два электрона, т.е. эти атомы имеют такую же электронную конфигурацию, как и атом инертного газа гелия.
18. Валентность. Метод валентных связей.
Валентность атома
– число химических связей, образованных данным атомом в соединении. Под числом химических связей подразумевают число общих пар электронов. В структурной формуле соединения, где химические связи изображены черточками, число черточек, отходящих от данного атома, равно его валентности. Пример
. Атом кислорода в оксидах углерода СО и СО2 имеет валентность III и II, соответственно. Атом углерода в этих молекулах имеет валентность III и IV:
О≡С, О≡С≡О.
Понятие «валентность» применимо только к соединениям с ковалентными связями или к молекулам в газовой фазе. Валентность
– это способность атомов присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента.
Метод валентных связей.
А) химическая связь между двумя атомами возникает как результат перекрытия АО с образованием электронных пар.
Б) атомы, вступающие в химическую связь, обмениваются между собой электронами, которые образуют связывающие пары. Энергия обмена электронами между атомами (энергия притяжения атомов) вносит основной вклад в энергию химической связи. Дополнительный вклад в энергию связи дают кулоновские силы взаимодействия частиц.
В) в соответствии с принципом Паули химическая связь образуется лишь при взаимодействии электронов с разными спинами.
Г) характеристики химической связи (энергия, длина, полярность) определяются типом перекрывающихся АО.
Метод валентных связей
. Ковалентная связь направлена в сторону максимального перекрывания АО реагирующих атомов.
19. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Донор, акцептор. При образовании донорно-акцепторной ковалентной связи один атом (донор) предоставляет в общее пользование электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь (орбиталь – область пространства, где наиболее вероятно нахождение электрона). Пример. Образование иона аммония (точками обозначена неподеленная пара электронов атома азота, пустым квадратиком – свободная 1s-орбиталь иона водорода):
В ионе аммония каждый из четырех атомов водорода связан с атомом общей электронной парой; три пары из четырех образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному. Все связи H-N, образованные по двум различным механизмам, равноценны.
В качестве доноров обычно выступают атомы с большим количеством электронов, имеющие неподеленные пары электронов; например, азот, кислород, фтор.
20. Сигма-связь, пи-связь, дельта-связь, кратные связи.
δ-связь – ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей по линии, соединяющей ядра атомов.
π-связь – ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей вне линии, соединяющей ядра атомов.
дельта-связь – это
кратные связи – это
21. Пространственная конфигурация молекул. Линейная, угловая, плоская, тригональная, пирамидальная, тетраэдрическая.
Пространственная форма молекул – относительное расположение ядер атомов в пространстве.
Линейная:
число электронных пар химических связей – 2; угол между связями – 1800; пример молекулы – ВеН2.;
угловая:
число электронных пар химических связей – пример молекулы – Н2О;
плоская:
тригональная:
пирамидальная:
тетраэдрическая
: число электронных пар химических связей – 4; угол между связями – 109,50; пример молекулы – СН4.
22. Гибридизация атомных орбиталей. Типы гибридизации.
Гибридизация атомных орбиталей
– изменение формы некоторых атомных орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей. гибридизация осуществляется тогда, когда в образовании связей данного атома участвуют электроны разного типа.
Наиболее распространены следующие типы гибридизации
:
a)sp3-гибридизация. Одна s-орбиталь и три p-орбитали превращаются в четыре одинаковые гибридные орбитали, оси которых расположены под углом 109,50 друг к другу. sp3-гибридизация имеет место в молекулах NH3, Н2О и во всех предельных углеводородах.
b)sp2-гибридизация. Одна s-орбиталь и две p-орбитали превращаются в три одинаковые гибридные орбитали, оси которых расположены под углом 1200 друг к другу. sp2-гибридизация имеет место в молекулах BF3, AlCl3, а также во всех этиленовых и ароматических углеводородах.
c)sp-гибридизация. Одна s-орбиталь и одна p-орбиталь превращаются в две одинаковые гибридные орбитали, оси которых расположены под углом 1800 друг к другу. sp-гибридизация имеет место в молекулах BeH2, BeF2, CO2, а также во всех ацетиленовых углеводородах.
23. Полярность молекул. Электрический момент диполя.
24. Водородная связь- вид химической связи типа А - Н...А'; образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью с электроотрицательным атомом А (N, O, S и др.), и неподеленной парой электронов другого атома А' (обычно O, N). Атомы А и А' могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства многих синтетических полиамидов, белков, нуклеиновых кислот и др. Водородная связь
- это своеобразная химическая связь. Она может быть межмолекулярной и внутримолекулярной. Межмолекулярная водородная связь возникает между молекулами, в состав которых входят водород и сильно электроотрицательный элемент - фтор, кислород, азот, реже хлор, сера. Поскольку в такой молекуле общая электронная пара сильно смещена от водорода к атому электроотрицательного элемента, а положительный заряд водорода сконцентрирован в малом объеме, то протон взаимодействует с неподеленной электронной парой другого атома или иона, обобществляя ее. В результате образуется вторая, более слабая связь, получившая название водородной. Обычно водородную связь обозначают точками и этим указывают, что она намного слабее ковалентной связи (примерно в 15-20 раз). Тем не менее, она ответственна за ассоциацию молекул. Например, образование димеров (в жидком состоянии они наиболее устойчивы) воды и уксусной кислоты можно представить схемами
:
H - O....H - O | | H H (H2O)2
O....H - O // CH3 - C C - CH3 // O - H....O (CH3COOH) 2 Как видно из этих примеров, посредством водородной связи объединены две молекулы воды, а в случае уксусной кислоты - две молекулы кислоты с образованием циклической структуры.
Рассмотрим образование водородной связи на примере воды. Здесь водород оказывается одновременно стянутым к кислороду второй молекулы:
водород второй молекулы стянут к кислороду третьей молекулы и т д.:
Водородную связь обозначают тремя точками.
Рассмотренный на примере воды вид водородной связи называется межмолекулярной водородной связью.
Образование водородных связей играет важную роль, как в химических, так и в биологических системах. Существование водородных связей в воде чрезвычайно важно для биологических процессов, так как свойства воды (температура кипения и кристаллизации) в значительной мере определяются наличием системы связей О–Н...О–Н. Благодаря водородным связям вода имеет температуру кипения гораздо выше, чем следовало бы ожидать по ее молекулярной массе, а температура плавления воды почти на 200° С превышает ожидаемую на основании ее молекулярной массы.
25. Комплексные соединения, комплексообразователи, лиганды, коордиционное число. Классификация.
Комплексные соединения
- сложные вещества, состоящие из центрального атома (комплексообразователя) и связанных с ним молекул или ионов (лигандов). Центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу комплекса, которую при записи заключают в квадратные скобки.
Число лигандов, окружающих центральный атом, называется коордиционным числом комплекса. Ионы, окружающие комплекс, образуют внешнюю сферу комплекса. Связи во внутренней сфере образованы по донорно-акцепторному механизму (центральный атом – акцептор, лиганды – доноры электронов), связь между внутренней и внешней сферами комплекса – ионная. Заряд комплекса численно равен суммарному заряду внешней сферы и противоположен ему по знаку.
Различают катионные, анионные и нейтральные комплексы. Комплекс с положительным зарядом называют катионным, например [Cu(NH3)4]2+, с отрицательным зарядом – анионным, например [Cd(CN)4]2-, с нулевым зарядом – нейтральным, например Fe(CO)5.
Заряд комплексообразователя равен и противоположен по знаку алгебраической сумме зарядов всех остальных ионов.
Комплексные, или координационные, соединения относятся к многочисленному классу соединений, в состав которых могут входить как неорганические, так и органические соединения в виде нейтральных или заряженных частиц. По своей многочисленности они занимают второе место после органических соединений. CuSO4+2NaOH= Cu(OH)2+Na2SO4
| Cu(OH)2 + 4NO3= | Cu(OH)2* 4NH3 |
| (голубой осадок) | (раствор василькового цвета) |
Такие соединения называются соединениями высшего порядка, или комплексными. Современная координационная химия связана с именем швейцарского химика А. Вернера
, сформулировавшего основные положения координационной теории (1893 г.).По этой теории центром комплексного соединения является ион метала, как правило, d - элемента, реже p - элемента. Центральный ион (атом) комплексного соединения называется комплексообразователем. Координационными
называют соединения, содержащие в одном из агрегатных состояний группу ионов или нейтральных молекул (лигандов), в определенном порядке размещенных (координированных) вокруг атома (иона) - комплексообразователя).Лигандами могут быть нейтральные молекулы (NH3, H2O, CO), кроме того, лигандами являются различные анионы, различные кислотные остатки (OH-, Ce-, NO2-).Число, стоящее за круглыми скобками, называется координационным числом.
Координационное число показывает, какое количество лигандов координирует вокруг себя данный комплексообразователь. Таким образом, комплексообразователь имеет две характеристики:
заряд,координационное число.
| Комплексообразователь | Заряд | Координационное число |
| H | 1 | 2 |
| Cu | 2 | 4 |
| Bi | 3 | 4 |
Комплексообразователь с лигандами образуют (внутреннюю сферу комплексного соединения). Заряд комплексного иона представляет собой алгебраическую сумму зарядов комплексообразователя и лигандов.
Классификация комплексных соединений Комплексные соединения подразделяются на электролиты и неэлектолиты. Комплексные неэлектролиты:
| [Fe(SCN)3]0 - | тритиоциано железа (3); |
| [Cr(H2O)3Cl3]0 - | триакватрихлоро хрома( 3). |
Последнее соединение называется неоднородным комплексным соединением, так как комплексообразователь координирует вокруг себя различные лиганды.
| Комплексообразоват
ель |
Заряд | Координационное число |
| Сr | 3 | 6 |
Комплексные электролиты подразделяются на кислоты
, гидроксиды
и соли
. H[AuCl3] - трихлорозолотая кислота. H2[PtCl6] - гексахлороплатиновая кислота.
[Cu(NH3)4](OH)2- гидроксид тетрааммин меди (2).
[Ni(NH3)6]SO4- сульфат гексааммин никеля (2).
Комплексные соединения классифицируются по виду лигандов.
Если лигандами служат молекулы аммиака, комплексные соединения называются аминокомплексами
. Если лигандами служат молекулы H2O, то комплексные соединения называются аквакомплексами
. Если лиганды - ОН, то комплексные соединения называются гидрокомплексами
. Если лигандами служат любые кислотные остатки, то комплексные соединения называются ацидокомплексами
.
Диссоциация комплексных соединений и ионовМежду ионом внешней и внутренней сфер возникает ионная связь, поэтому комплексные соединения диссоциируют на ионы необратимо:K3[Fe(CN)6]=3K++[Fe(CN)6]3-.Между комплексообразователем и лигандами возникает донорно-акцепторная связь (комплексообразователь - акцептор, лиганды - доноры), поэтому комплексный ион диссоциирует как слабый электролит:[Fe(CN)6]3- ↔Fe3+ +6CN-Диссоциация комплексных ионов имеет количественную характеристику - константу нестойкости
(Кн):
В зависимости от константы нестойкости комплексные ионы подразделяются на нестойкие, устойчивые, очень устойчивые.
| Кнест | 10-1÷10-3 | 10--4÷10-20 | <10-20 |
Устойчивость ком. ионов |
Нестойкие | Устойчивые | Очень устойчивые |
| Способ разрушения | Разбавлением раствора | Химическим воздействием на лиганды | Практически неразрушимы |
Чтобы разрушить комплексный ион, необходимо сместить его равновесие в прямом направлении. Так как при разбавлении растворов диссоциация усиливается, для разрушения неустойчивых комплексных ионов достаточно разбавить раствор водой. Устойчивые комплексные ионы разрушают химическим воздействием, либо на комплексообразователь, либо на лиганды. Это означает, что или комплексообразователь, или лиганды надо удалить из раствора в виде более труднорастворимого соединения, чем разрушаемый комплексный ион. Например, надо разрушить устойчивый ион[Ag(NH3)2]+, имеющий Кн = 10-8. Если на раствор, содержащий данный ион, воздействовать раствором иодида калия, то ионы серебра будут удалены из раствора в виде AgI, имеющего произведение растворимости, равное 10-17. Если воздействовать азотной кислотой, то лиганды, молекулы NH3, будут связаны в комплексный ион [H(NH3)]+, константа нестойкости которого равна 10-14. В обоих случаях понизится концентрация продуктов реакции:[Ag(NH3)2]+ ↔Ag+ +2NH3 и по принципу Ле-Шателье равновесие реакции сместится в прямом направлении, в сторону разрушения комплексного иона. Процессы комплексообразователя широко используются в аналитической химии. При выборе условий наиболее эффективного разделения ионов исходят из соотношения констант нестойкости образуемых ими комплексных соединений.
26. Основные понятия термодинамики: система, работа, энергия, теплота.
Системой
называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды.
Системы бывают открытыми (возможен обмен массы и энергии), закрытыми (обмен энергией), изолированными (никакой обмен не возможен).
Работа
– это количественная мера направленного движения частиц, мера энергии передаваемой от одной системы к другой под действием воздействующих сил.
Энергия
– общее количественная мера движения взаимодействия всех видов материи.
Теплота
– количественная мера хаотического движения частиц данной системы или тела.
27. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия, энтальпия. Тепловой эффект химической реакции.
Первый закон термодинамики
. В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии, выражаемый равенством q = ∆U + A, которое означает, что теплота q, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии ∆U и на совершение системой работы А над внешней средой. Это уравнение математическое выражение первого закона термодинамики. Из первого закона термодинамики следует, что приращение внутренней энергии системы ∆U в любом процессе равно количеству вещества сообщенной системе теплоты q за вычетом количества совершенной системой работы A.
Внутренняя энергия
– полная энергия системы за вычетом ее движения как целого и энергии взаимодействия с окружающим миром. Во внутреннюю энергию входят кинетическая энергия движения ядер, электронов, молекул и потенциальная энергия взаимодействия этих частиц. В.Э. – это все виды энергии системы.
Энтальпия
H = U + pV – термодинамическая функция, которая учитывает возможность совершения системой механической работы (pV).
Если реакция происходит при постоянном давлении, то тепловой эффект связан с изменением энтальпии системы:
Q = - ∆H = H1 – H2, где Н1 – общая энтальпия исходных веществ, а Н2 – энтальпия продуктов реакции.
Так как многие химические реакции происходят при постоянном давлении, то под тепловым эффектом обычно понимают изменение энтальпии в химической реакции, ∆H.
Тепловой эффект химической реакции. Изменение энергии системы при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом химической реакции.
При постоянном давлении – это DH – энтальпия реакции. В стандартных условиях DH0.
28. Экзо-, эндотермические реакции.
Экзотермическими реакциями
называют такие реакции, при которых происходит выделение теплоты. DH < 0.
Эндотермическими реакциями
называют такие реакции, при которых происходит поглощение теплоты. DH >0.
29. Закон Гесса. Приведите примеры расчетов теплового эффекта химической реакции. Следствия из закона Гесса.
Закон Гесса:
тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении или постоянном объеме, не зависит от пути реакции, а определяется только состоянием реагентов и продуктов реакции.
Пример.
С(ТВ) + ½ О2(г) = СО(г), DH1= -110 кДж,
СО(г) + ½ О2(г) = СО2(г), DH2= -283 кДж,
С(ТВ) + О2(г) = СО2(г), DH3 = DH1 + DH2 = -393 кДж.
Для расчета тепловых эффектов химических реакций используют следствия из основного закона термохимии – закона Гесса.
Следствие 1
. Тепловой эффект химической реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов). Для реакции вида aA + bB = cC + dD тепловой эффект равен
DH = с *DHобр(С) + d *DHобр(D) - a *DHобр(A) – b *DHобр(B).
Теплота образования DHобр – это тепловой эффект образования одного моля соединения из простых веществ при заданных условиях.
Следствие 2.
Тепловой эффект химической реакции
aA + bB = cC + dD равен разности теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции (с учетом стехиометрических коэффициентов): DH = a *DHобр(A) + b *DHобр(B) – с *DHобр(С) – d *DHобр(D).
Теплота сгорания – это теплота реакции полного окисления одного моля вещества. Это следствие обычно используют для расчетов органических реакций.
Следствие 3.
изменение энтальпии в химической реакции равно разности энергий разрываемых и образующихся химических связей.
Энергия связи А-В – это энергия, необходимая для разрыва связи и разведения образующихся частиц на бесконечное расстояние: АВ(г)→А(г)+В(г).
Энергия связи всегда положительна.
30. Энтропия. Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса, определение направления протекания процесса и состояния равновесия.
Энтропия (
S
)
– мера неупорядоченности состояния системы. W – число микросостояний системы, термодинамическая вероятность. S=RlnW. В отличие от других термодинамических функций, можно определить не только изменение, но и абсолютное значение. При абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю. Энтропия растёт по мере повышения температуры.
Второй закон термодинамики:
самопроизвольно протекают только те реакции, которые сопровождаются увеличением энтропии.
Второй закон термодинамики имеет несколько формулировок. Для систем, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом (изолированные системы), второй закон термодинамики имеет следующую формулировку: в изолированных системах самопроизвольно идут только такие процессы, которые сопровождаются возрастанием энтропии:. dS> 0.
Второй закон термодинамики имеет статистический характер, т.е. справедлив лишь для систем, состоящих из очень большого числа частиц.
Системы, в которых протекают химические реакции, не бывают изолированными, так как они сопровождаются изменением внутренней энергии системы (тепловым эффектом реакции), т.е. система обменивается энергией с окружающей средой. Химические реакции могут протекать самопроизвольно и без возрастания энтропии, но при этом увеличивается энтропия окружающей среды. Например, химические реакции в организме любого существа сопровождаются уменьшением энтропии (происходит упорядочение системы). Однако организм получает энергию из окружающей среды (пища, воздух). Получение пищевых продуктов сопровождается возрастанием энтропии окружающей среды, т.е. жизнь каждого существа связана с возрастанием энтропии.
Однако, если в системе протекает химическая реакция, то система обменивается энергией с окружающей средой, т.е. не является изолированной. Химические реакции обычно сопровождаются изменением Как энтропии, так и энтальпии.
Энергия Гиббса
(G) – термодинамическая функция состояния системы (кДж/моль).
DG = DH – T*DS
DG = DGкон - DGнач
DG = - R*T *lnKравн ; (Т= DH/DS) –равновесная температура.
DG = -z*F*DE
Если DG<0, то реакция может протекать самопроизвольно.
31. Третий закон термодинамики (постулат Планка).
В отличие от других термодинамических функций, можно определить не только изменение, но и абсолютное значение энтропии. Это вытекает из высказанного в 1911г. М. Планком постулата, согласно которому "при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю". Этот постулат получил название третьего закона термодинамики. По мере повышения температуры растет скорость различных видов движений частиц, т.е. число микросостояний и соответственно термодинамическая вероятность и энтропия вещества.
32. Химическое равновесие
– это равновесий скоростей прямой и обратной реакций.
Химическое равновесие имеет динамический характер. Скорость реакции (число частиц, образующихся в единицу времени и единице объема) в прямом направлении равна скорости реакции в обратном направлении. В условиях химического равновесия концентрации (или парциальные давления в случае газов) исходных веществ и продуктов реакции не изменяются во времени и называются равновесными концентрациями (или парциальными давлениями) веществ. В дальнейшем равновесные концентрации будем обозначать символом вещества в квадратных скобках. Например, равновесные концентрации водорода и аммиака будут обозначаться [Н2] и [NH3].Равновесное парциальное давление будем обозначать индексом р.
Итак, термодинамическим условием химического равновесия является равенство энергии Гиббса химической реакции нулю, т.е. dG = 0 Константа химического равновесия. dG° = -
RT
ln([L]l
[M]m / [
D
]
d
[В]b),[L], [M], [D], [В]равновесные концентрации соответствующих веществ; l, т,
d
и b показатели степени, равные стехиометрическим коэффициентам. Эти уравнения являются вариантами математического выражения закона действующих масс, открытого норвежскими учеными К.Гульдбергом и П.Вааге (1867). Закон действующих масс может быть сформулирован в следующем виде: отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, при Т
= constявляется величиной постоянной.
Например, для реакции синтеза аммиака: закон действующих масс имеет вид: Kc= [NH3]2/[N2][H2]3
33. Влияние температуры на равновесие.
……………………………………………………………………..
34. Принцип Ле-Шателье. Обратимые и необратимые реакции.
Принцип Ле-Шателье:
если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в таком направлении, которое ослабляет внешнее воздействие.
CH4+2H2O→CO2+4H2
1.увеличивается концентрация исходных веществ – равновесие смещается вправо; увеличивается концентрация продуктов реакции – равновесие смещается влево.
2. ↑ давление, то равновесие смещается в сторону где меньше число молей газа; ↑ давление исходных веществ – вправо; ↑ давление продуктов реакции – влево.
3. ↑ температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции.
4.↑ объем исходных веществ (концентрация уменьшается) – влево; ↑ объем продуктов реакции (концентрация уменьшается) – вправо.
5. в гетерогенных реакциях – концентрация твердых веществ не учитывается.
35. Гомогенные и гетерогенные реакции.
…………………………………………………………………….
36. Скорость химической реакции. Порядок реакции, молекулярность.
Скорость реакции – это число частиц образованных за единицу времени в единице объема.
Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Гомогенная реакция протекает в одной фазе. Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз. [моль*м-3/с] не учитывая газы.
Vср = -Dc/Dt
Vмг = ±dc/dt
Vпр=Kпр*[A]a[B]b
Vобр=Kобр*[С]с[В]d
Молекулярность и порядок реакции.
Все реакции можно подразделить на простые и сложные. Простые реакции протекают в одну стадию и называется одностадийными. Сложные реакции идут либо последовательно (многостадийные реакции), либо параллельно, либо последовательно-параллельно. В свою очередь, в каждой стадии реакции может участвовать одна молекула (мономолекулярные реакции), две молекулы (бимолекулярные) и три молекулы (тримолекулярные). Число молекул реагента, принимающих участие в простейшей (элементарной) стадии, называется её молекулярностью
.
Порядок реакции
- это сумма порядков реакции по реагентам.
Порядок реакции определяется суммой величин показателей степени при значениях концентраций исходных веществ в кинетическом уравнении:
а) V
1 = K
1[H2O2] ; б) V
2 = K
2[O2].
Поэтому обе реакции первого порядка.
Молекулярность реакции определяется числом молекул, одновременным взаимодействием которых осуществляется акт химического взаимодействия. Реакция а) одномолекулярная, б) двухмолекулярная.
Выражение для определения скорости реакции первого порядка
.
Скорость реакции второго порядка для двух реагентов В и D подчиняется кинетическому уравнению
V
= K·C
B·C
D,
где С
В – концентрация реагента В, а С
D – концентрация реагента D.
Наиболее часто встречаются реакции первого и второго порядка. Реакции третьего порядка крайне редки. Реакции более высокого порядка, чем третий, неизвестны, так как в большинстве случаев реакции многостадийны.
37. Правило Вант-Гоффа. V2 = V1×gDT/ 10
Повышение температуры ускоряет большинство реакций. Согласно правилу Вант-Гоффа при увеличении температуры на 10 К скорость многих реакций увеличивается в 2-4 раза V2 = V1×gDT/ 10
Где V2 и V1 – скорость реакции при температурах Т2 и Т1 , γ – коэффициент, значение которого для эндотермической реакции выше, чем для экзотермической реакции. Для многих реакций γ лежит в пределах 2- 4.
38. Уравнение Аррениуса. Энергия активации.
Уравнение Аррениуса
. K = K0e(-Ea/RT), K – константа скорости реакции, K0 – предэкспотенциальный множитель, e – это e. Ea – энергия активации.
Если при изменении температуры, концентрация реагентов остаётся постоянной то:
V = V0exp[-Ea/(RT)]
Ea/(2,3RT)=Dlgk/D(1/T)
Энергия активации
. Энергия необходимая для перехода вещества в состояние активированного комплекса.
39. Растворы, идеальные, реальные, истинные, коллоидные.
Идеальным раствором
называют раствор, в котором не происходит химической реакции между компонентами, а силы межмолекулярного взаимодействия между компонентами одинаковы.
……………………………………………………………………
40. Определение концентрации растворов.
Концентрация. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы.
Молярная концентрация вещества
. В, cв - отношение кол-ва вещества(в молях) содержащегося в системе к объему этой системы. Единица измерения моль/м3 или моль/л.
Молярная доля вещества.
В, xв – отношение кол-ва вещества данного компонента (в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества(в молях)Измеряется в %.
Объемная доля вещества
. В, jв – отношение объема компонента, содержащегося в системе, к объёму системы.
Массовая доля вещества.
В, wв - отношение массы данного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой системы.
Предельно допустимая концентрация(ПДК).
41. Активность. Ионная сила раствора.
Активность.a=gс g - коэффициент активности.
………………………………………………….
42. Закон Рауля, следствия из закона Рауля.
Закон Рауля. Температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя.
DTкип=KэCm
Температура кристализации раствора ниже температуры кристализации чистого растворителя.
DTзам=KкCm
43. Осмос – переход растворителя через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор. Этот процесс модно остановить, если к раствору приложить некоторое давление, которое называют осмотическим. Осмотическое давление П разбавленных растворов описывается уравнением Вант-Гоффа:
П = CRT, где С- молярная концентрация раствора, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура.
Измеряя осмотическое давление, можно определить молярную массу растворенного вещества. Этот метод обычно используют для белков.
44. Растворимость, произведение растворимости, условие выпадения осадка.
Раствор – однородная система переменного состава, содержащая два или большее число веществ. Вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, - растворенным веществом.
Растворимость веществ зависит от природы и агрегатного состояния растворителя и растворенного вещества, а также от температуры и давления.
раствор в котором устанавливается равновесие между растворением и образованием (осаждением) вещества называется насыщенным, а концентрация такого раствора – растворимостью Ср.
произведение растворимости – константа диссоциации малорастворимых веществ в насыщенном растворе. Для вещества, диссоциирующего по уравнению АmBn(ТВ)↔mAn+ + nBm-, произведение растворимости имеет вид ПР(АmBn) = [An+]m * [Bm-]n .
Если произведение концентраций ионов в растворе превышает ПР, то из раствора выпадает осадок. Если это произведение меньше ПР, то осадок не выпадает.
45. Диссоциация. Степень диссоциации. Константа диссоциации. Сильные, слабые электролиты.
Электролитическая диссоциация –
распад некоторых веществ на ионы в растворе под действием молекул растворителя или в расплаве. Вещества, распадающиеся на ионы, называют электролитами. Электролиты – вещества с ионной или сильно ковалентной связью: кислоты, основания, соли. остальные вещества – неэлектролиты; к ним относятся вещества с неполярной или слабо полярной ковалентной связью; например, многие органические соединения.
Теория Электролитической диссоциации:
1. при растворении в воде электролиты распадаются на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). ионы в растворе взаимодействуют с молекулами воды (гидратация). Процесс диссоциации является обратимым.
2.под действием постоянного электрического тока катионы движутся по катоду, анионы – к аноду.
3.степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, концентрации электролита и температуры.
Степень диссоциации (а) – отношение числа молекул, распавшихся на ионы (N’) к общему числу растворенных молекул (N): а = N’/ N;
Сильный электролит – вещество, степень диссоциации которого больше 30%.. к сильным электролитам относят все соли , сильные кислоты, сильные основания.
Слабый электролит – вещество, степень диссоциации которого меньше 3%. к слабым электролитам относят слабые кислоты, слабые основания.
степень диссоциации зависит от концентрации вещества в растворе, поэтому некоторые слабые электролиты при разбавлении могут стать сильными.
константа диссоциации – константа равновесия электролитической диссоциации. она равна отношению произведений концентраций ионов, образующихся при диссоциации, к концентрации исходных частиц.
46. Ионное произведение воды, водородный показатель, кислотно-основные индикаторы.
Тщательно очищенная от посторонних примесей вода обладает определённой, хотя и незначительной, электрической проводимостью, заметно возрастающей с повышением температуры. Наличие электрической проводимости может быть объяснено только тем, что молекулы воды, частично распадаются на ионы, т.е. H2O является слабым электролитом. Процесс диссоциации воды может быть записан
H2O + H2O ↔ H3O+ + OH¯. Этот процесс называется самоионизацией. Реакцию воды часто записывают в более простом виде:H2O ↔ H+ + OH¯. Константа диссоциации воды может быть вычислена по уравнению
Кд = (aHaOH)/aH2O (1). Учитывая, что при комнатной температуре на ионы распадается лишь одна из примерно 108 молекул воды, активности ионов в уравнении могут быть заменены их концентрациями , а концентрацию нераспавшихся молекул воды можно считать равной общей концентрации молекул воды. Концентрацию молекул можно рассчитать, разделив массу 1 л воды на массу её моля: 1000/18 = 55,5 моль/л. Считая эту величину постоянной, можно уравнение (1) записать в виде: [H+] [OH¯] = Кд 55,5 = Кв, где Кв – ионное произведение воды. При расчётах связанных с водными растворами электролитов, используют не концентрации, активности ионов: aH·aOH = Кв.
Водородным показателем, или pH, называется взятый с обратным знаком десятичный логарифм активности ионов водорода в растворе: pH = - lgaH. Водородный показатель определяет характер реакции раствора. При pH<7 реакция раствора кислая, при pH>7 – щелочная, при pH=7 – реакция нейтральная. Водородный показатель имеет важное значение для понимания большинства процессов, протекающих в жидкой фазе, так как ионы H+ и OH¯ непосредственно участвуют во многих из этих процессов. Кроме того, эти ионы являются гомогенными катализаторами многих реакций. Величина pH может служить критерием силы кислоты или основания. Водородный показатель играет важную роль в жизнедеятельности организма, так в норме pH сыворотки крови равен 7,40 ± 0,05, слёз – 7,4 ± 0,1. отклонение pH от нормальных значений приводит к расстройству деятельности организма. Существенно влияние на урожайность оказывает pH почвы, на экологию водоёма – pH воды.
47. Теории кислот и оснований: электролитическая, протонная, электронная.
………………………………..
48. Гидролиз солей. Рассмотреть на примерах. Степень гидролиза. Константа гидролиза.
Гидролизом солей
называют реакции обмена между водой и растворенными в ней солями. В результате протекания процесса гидролиза соли растворе появляется некоторое избыточное количество ионов H+ и OH¯, сообщающее раствору кислотные или щелочные свойства. Таким образом, процесс гидролиза соли во многом обратен процессу нейтрализации, т.е. процессу взаимодействия кислот с основаниями. Гидролизу не подвергаются соли, образованные сильными кислотами и основаниями, например KCl.
Гидролиз солей – обратимая или необратимая реакция солей с водой.
1. если соль образована сильным основанием и слабой кислотой НА, то в водном растворе она диссоциирует с образованием ионов кислотного остатка А-,, которые стремятся забрать протоны у воды: А- +H2O ↔ НА + ОН-.
Константа гидролиза выражается через ионное произведение воды и константу диссоциации кислоты: концентрации продукты реакции делятся на исходное вещество.
49. ОВР. Окислитель, восстановитель, степень окисления. Уравнивание ОВР методом полуреакций. определение направления протекания реакций.
ОВР – химическая реакция, протекающая с изменением степеней окисления элементов. ОВР состоит из двух полуреакций: окисления и восстановления.
Окисление – процесс отдачи электронов атомов или ионом.
восстановление – процесс присоединения электронов атомов или ионом.
Окислитель – атом или ион, принимающий электроны.
сильные окислители: F2, O2, O3, H2O2, Cl2 и т.д.
Восстановитель – атом или ион, отдающий электроны. Сильные восстановители: щелочные и щелочноземельные металлы и т.д.
степень окисления – условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предложении, что все связи имеют ионный характер. Это означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе одну электронную пару, приобретает заряд -1. Неполярная связь между одинаковыми атомами не дает вклада в степень окисления.
Определение направления реакций.
Её можно определить по второму закону термодинамики. Если энергия Гиббса окислительно-восстановительной реакции ниже нуля (ΔG<0), то реакция может протекать в прямом направлении. Ели указанная энергия выше нуля (ΔG>0), то прямая реакция в данных условиях невозможна, а возможна лишь обратная реакция. Энергию Гиббса можно рассчитать, зная энергии Гиббса реакций образования продуктов и исходных веществ, которые для стандартных состояний приводятся в справочниках. Например, рассмотрим реакцию взаимодействия магния с водой. Энергия Гиббса реакции Mg0 + H2+1O-2 (ж) = Mg+2O-2 + H20 при стандартных условиях и 298 К равна -94,5 кДж/моль. Отсюда следует, сто окисление магния водой в этих условиях возможно, а обратная реакция окисления водорода оксидом магния невозможна.
………………………………………………………………
50. Гальванический элемент Даниэля-Якоби. Анод, катод, токообразующая реакция, схема элемента.
Гальванический элемент Даниэля – Якоби
состоит из медной пластины, погружённой в раствор CuSO4, и цинковой пластины, погружённой в раствор ZnSO4. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn ↔ Zn2+ + 2e¯. В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Cu ↔ Cu2+ + 2e¯ поэтому возникает электродный потенциал меди. Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником электроны будут переходить от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдёт дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдёт разряд ионов меди. При работе гальванического элемента Даниэля – Якоби протекают след. процессы: 1. реакция окисления цинка Zn – 2e → Zn2+. Процессы окисления в химии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами
; 2. реакция восстановления ионов меди Cu2+ + 2e → Cu. Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами
; 3. движение электронов во внешней цепи; 4. движение ионов в растворе: анионов (SO42-) к аноду, катионов (Cu2+, Zn2+) к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем
Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+. Вследствие этой хим. реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток, поэтому суммарная хим. реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей
.
51. ЭДС гальванического элемента.
E = φк – φа;
W = nFE;
W = -∆G;
E = - ∆G / nF = RT/nFlnKравновесия, где F – число Фарадея = 96500Кл
52. Водородный электрод, схема элемента. Уравнение Нернста. Расчет ЭДС.
Водородный электрод
состоит из платинированной пластины, контактирующей с газообразным водородом, находящимся под давлением 100 кПа , и раствором, в котором активность ионов H+ равна единице. Водородный электрод относится к газовым электродам, т.е. электродам, в которых по крайней мере одни из реагентов является газообразным. Так как для протекания электродной реакции необходим подвод и отвод электродов, то газовые электроды содержат проводники 1-го рода, которые непосредственно в реакции не участвуют (их ионы не переходят в раствор) и в ходе реакции не меняются. В качестве проводника 1-го рода для стандартного водородного электрода служит платина. При контакте платины с молекулярным водородом происходит адсорбция водорода на платине. Адсорбированный водород, взаимодействуя с молекулами воды, переходит в раствор в виде ионов, оставляя в платине электроны. При этом платина заряжается отрицательно, а раствор – положительно. Возникает скачок потенциала между платиной и раствором. Наряду с переходом ионов в раствор идёт обратный процесс восстановления ионов H+ с образованием молекул водорода. Равновесие на водородном электроде можно представить в виде 2H+ + 2e ↔ H2. Абсолютное значение потенциала водородного электрода неизвестно, но условно считают за нуль потенциал стандартного водородного электрода, т.е. потенциал при 100 кПа и aH = 1 моль/л.
53. Электролиз.
Электролизом
называют процессы, происходящие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Ячейка для электролиза, называемая электролизёром, состоит из 2-х электродов и электролита. Электрод, на котором идёт реакция восстановления (катод), у электролизёра подключён к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключён к положительному полюсу источника тока. Электролиз связан с наложением определённого электрического поля, под действием которого в электролите могут возникать некоторые характерные процессы. Электрокинетические процессы происходят в тех случаях, когда одна фаза диспергированна в другой; к их числу относится электрофорез – движение взвешенных твёрдых частиц внутри жидкости. При наложении электрического поля наблюдается явление электроосмоса – движение жидкости относительно твердого тела.
54. Законы Фарадея. Выходы по току.
В 1883 г. английский учёный М. Фарадей открыл законы, определяющие зависимость между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, испытавшего химические превращения на электроде. С учётом современной терминологии законы Фарадея можно записать в следующем виде: 1) количество вещества, испытавшего электрохимические превращения на электроде, прямо пропорционально количеству прошедшего электричества; 2) массы прореагировавших на электродах веществ при постоянном количестве электричества относятся друг к другу как молярные массы их эквивалентов. При превращении одного моля эквивалентов вещества на электроде через него проходит 96500 Кл (А·с). Эта величина называется постоянная Фарадея F. Для того чтобы учитывать эффективность использования пропущенного через электролизёр количества электричества на образования того или иного продукта вводится понятие выхода по току. Выход по току – отношение количества теоретически необходимого для получения того или иного количества электричества (по закону Фарадея) к практически затраченному количеству электричества. С целью уменьшения затрат электроэнергии на побочные электрохимические реакции и повышения по току стремятся проводить электролиз в таких условиях, при которых затруднено разложение растворителя, т.е. велика поляризация при окислении или восстановлении растворителя (например перенапряжение кислорода или водорода). Это достигается повышением плотности тока, изменением температуры электролита, подбором материала электролита и т. д.
55. Реальные электрохимические процессы. Поляризация. Перенапряжение.
Электрохимические процессы -
это процессы взаимного перехода химической энергии в электрическую.
Поляризация
– это изменение потенциала электрода при прохождении тока.
Перенапряжение
– это повышение потенциала в разрядке ионов.