WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Р.Б. НИКОЛАЕВА НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Часть I Теоретические основы химии Учебное пособие Издание третье Красноярск 2007 2 УДК 54:546(075.8) ББК 24.1я73 Н 63 Рецензенты: зав. кафедрой неорганической и аналитической химии КГАЦМиЗ, канд. техн. наук, доц. А.В. Нечепуренко; канд. хим. наук КГАЦМиЗ Л.А. Бендерская Николаева Раиса Борисовна Неорганическая химия. Часть 1. Теоретические основы химии: учебное пособие / Сибирский федеральный университет. – Красноярск: Сибирский федеральный университет (3-е изд.), 2007. – 119 с., ил.

Данная работа является первой из четырех частей учебно-методического пособия по неорганической химии для студентов первого курса специальности «Химия». В основу данной методической разработки положен принцип системного обучения профессора МГУ Зайцева О.С., в частности, поблочное изложение материала, при этом раздел «Строение атома и химическая связь» расположен после блоков «Термодинамика и кинетика» и «Растворы», что обусловлено календарным планом практических занятий студентов.

Материал структурирован таким образом, чтобы сформировать у студентов целостное представление о химии, как о логической и хорошо систематизированной науке. С этой целью даются объяснения физического смысла всех приводимых количественных характеристик. В частности, энтропии, изменения энергии Гиббса в ходе реакций при стандартных и нестандартных условиях. Движущая сила химических процессов интерпретирована с позиции второго закона термодинамики. Действие принципа Ле Шателье объяснено как с кинетических, так и с термодинамических представлений.

Обосновывается безразмерность констант равновесия и совпадение размерностей константы скорости и скорости реакции независимо от ее порядка. Показана связь констант равновесия и констант скоростей не только для одностадийной реакции, но и для многостадийного процесса.

Даются строгие понятия энергии активации в формуле Аррениуса (как величины, не зависящей от температуры при данном механизме реакции), валентности элемента и порядка связи (с точки зрения квантовой химии) и т.п. Приведена классификация видов связей, а также типов кристаллических решеток, которая позволяет хорошо объяснять физические и химические свойства большинства неорганических веществ.

После изложения каждой темы даны вопросы к семинарам, которые позволяют организовать проблемное обучение с целью развития творческих способностей студентов.

Подчеркнем, что данное пособие не заменяет учебники, а должно использоваться наряду с ними при подготовке студентов к практическим занятиям, коллоквиумам или экзамену. Может быть рекомендовано аспирантам и (как методическая разработка) преподавателям химии.

© Николаева Р.Б., ISBN 5-7638-0026-СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ - степень диссоциации НЭП – несвязывающая электронная пара об.у. – обычные условия г – степень гидролиза ОВП – окислительно-восстановительный R – газовая постоянная потенциал H-связь – водородная связь ОВР – окислительно-восстановительная L – лиганд реакция NA – число Авогадро Пr - произведение реакции а.е.м. – атомная единица массы Пп.о. - произведение полуреакции окислеа.к. – активированный комплекс б/в – безводный ния б/ц – бесцветный ПР – произведение растворимости БГ – благородный газ разл. – разлагается В – валентность РЗМ – редкоземельные металлы взрыв. - взрывает РЗЭ – редкоземельные элементы ДЭС – двойной электрический слой сплав. - сплавление жидк. – жидкость ст.ок. – степень окисления ИПВ – исходные простые вещества ст.у. – стандартные условия КС – комплексное соединение т.кип – температура кипения к.ч. – координационное число т.пл. – температура плавления т.разл. – температура разложения K – константа диссоциации d ТКП – теория кристаллического поля K – термодинамическая константа равноa ТЭД – теория электролитической диссовесия циации Kв - ионное произведение воды ХС – химические связи ц.а. – центральный атом Kг – константа гидролиза ЩЗМ – щелочноземельные металлы конц. – концентрированный ЩМ – щелочные металлы М - металл Э.О. – электроотрицательность мас. – массовые ЭСКП – энергия стабилизации кристаллиМВС – метод валентных связей ческим полем МГВС – метод гипервалентных связей ЭЯНЭУ – экранирование ядра невалентныММВ – межмолекулярные взаимодействия ми электронными уровнями ММО – метод молекулярных орбиталей ММС – межмолекулярные связи МО – молекулярная орбиталь н.у. – нормальные условия Часть условных обозначений см. в учебном пособии [7] в приложении 1 (здесь и далее в квадратных скобках указан порядковый номер в списке основной литературы, приведенном в конце данного пособия).

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ «Я надеюсь, что все, кто уже работает в химии или только вступают в нее, будут всю жизнь находить эту науку столь же интересной, какой находил ее я» Лайнус Полинг, Лауреат Нобелевской премии 1.1. ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ.

ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА С каждым днем становится вероятнее, что химическое сродство сводится к электрическим процессам.

В.И. Ленин «Армия не могла нигде поправиться, она с Бородинского сражения и грабежа Москвы несла в себе уже как бы химические условия разложения». Это сказал Л.Н. Толстой, используя слово «химические» для описания самопроизвольного изменения вещей под влиянием неожиданно обнаружившихся, скрытых в них самих внутренних причин. Эта удивительная черта химических превращений в древности роднила химию с мистикой, и до сих пор химия во многом остается волшебницей.



Что же такое химия В учебнике Брауна и Лемея «Химия в центре наук» говорится, что химия – все то, чем занимаются химики. Если точнее – химия относится к естественным наукам, изучающим окружающий нас мир во всем богатстве его форм и явлений.

А если конкретнее: современная химия – это наука, изучающая превращения веществ (т.е. соединений1), сопровождающиеся изменением их состава и структуры.

Считают, что эти изменения относятся к химической форме движения материи, т.е. к химическим взаимодействиям, если они проявляются на расстоянии 10-8 - 10-6 см, осуществляются в температурном интервале от 70 до 3000 К и сопровождаются поглощением или выделением энергии порядка 30-3000 кДж/моль.

Причем связи (между атомами вещества), для разрыва которых требуется энергия от 30 до 1700 кДж/моль, называются химическими связями (ХС).

При всем многообразии химические превращения (т. е. химические реакции) имеют одинаковую природу: одна система ядер, связанных электронами, сменяется другой в результате сил электростатического взаимодействия. При этом образуются новые ХС (в продуктах реакции) за счет разрыва или ослабления старых (в исходных веществах, т.е. в реагентах). Иногда происходит упрочнение одних связей за счет разрыва или ослабления других.

В современной химии слова «соединения» и «вещества» (в том числе простые) - синонимы.

Джоуль (Дж) – это единица энергии, равной p·V, где p – давление, выраженное в паскалях (1 Па=1 кг/(м·с2)), а V – объем в м3. В химии V чаще измеряют в литрах (л), но тогда p нужно брать в килопаскалях (кПа). Чтобы выразить энергию через другие единицы, используют соотношения:

1 кал=4,18 Дж, 1 эВ=1,69·10-19 Дж (1 эВ – это энергия, которую приобретает 1 электрон, проходя разность потенциалов в 1 В).

Понятие «моль» объясняется в главе 1.2.

Носителем химических свойств вещества является молекула, а в случае соединений т.н. немолекулярной структуры (см. ниже) – фаза1 (кристалл вещества). Молекула – это совокупность атомов, соединенных химической связью, имеющая строго определенный состав.

В химии рассматриваются связи не только химические, но и межмолекулярные (ММС), т.к. химики имеют дело с веществами, агрегатное состояние которых (и, как следствие, их реакционная способность) часто определяются силами межмолекулярного взаимодействия.

Оба типа связи (ХС и ММС) имеют единую электростатическую природу, но ММС в отличие от ХС образуется без передачи электронов от атома к атому. Кроме того, энергия ММС намного ниже: (менее 20 кДж/моль)2, а потому ее длина3 значительно больше, чем в случае ХС.

Наличие факта образования или разрыва химических связей – это критерий химической формы движения! Он лежит в основе определения – будет ли данный процесс (например, растворение) химическим или относится к физическому акту, при котором изменения (разрыв, образование и т.п.) претерпевают ММС. Так, растворение безводного сульфата меди в воде можно назвать химическим процессом, а распределение углекислого газа в сухом воздухе является физическим.

Различают вещества с молекулярной и немолекулярной структурой. В случае веществ молекулярной структуры, т.е. обладающих т.н. молекулярной решеткой, в узлах этой решетки находятся молекулы, связанные между собой межмолекулярными силами.

Напротив, если между структурными единицами4 осуществляются химические взаимодействия (хотя бы частично), то решетку таких соединений относят к немолекулярной. Причем немолекулярная решетка вещества (в зависимости от соотношения вкладов ХС и ММС в ее образование) может быть:

Координационной -- в ней все атомы соединены между собой только химическими связями (как, например, в алмазе, хлориде натрия, золоте);

слоистой – когда ХС имеют место между атомами в слое вещества, а между слоями действуют ММС (такую решетку имеет графит – простое вещество С);

цепной (волокнистой) – в цепи (волокне) между атомами – химическая связь, а между волокнами – ММС. (подобная структура у карбина – другого простого вещества углерода).

Качественный и количественный состав вещества с молекулярной решеткой передается его молекулярной формулой (например: CO2, H2O ), а в случае соединения немолекулярной структуры – простейшей формулой (NaCl, CaHPO4 ).

Графическое изображение формулы (графическая формула) показывает, в каком порядке атомы элементов5 связаны друг с другом. Например, для воды:

H - O - H ; для хлорида натрия: Na - Cl. Отметим, что графическая формула всегда Фаза – это гомогенная (однородная) часть гетерогенной (неоднородной) системы, ограниченная поверхностью раздела.

Промежуточное положение по энергии (20-40 кДж/моль) занимает так называемая водородная связь (H-связь) – читается «аш связь» – это особый тип связи, который осуществляется между водородом одной молекулы и достаточно электроотрицательным элементом (F, O, N) другой молекулы.

Отметим, что энергия симметричной H-связи H-F-H равна 168 кДж/моль.

Длина связи – это расстояние между ядрами атомов, образующих данную связь (см. главу 4.1).

Структруные единицы – это частицы (атомы или группы атомов), находящиеся в узлах кристаллической решетки вещества.

Элемент – это вид атомов, имеющих одинаковый заряд ядра.

плоская, поэтому обычно она не совпадает со структурной формулой, моделирующей реальное объемное строение молекулы или фазы.

Формулу вещества рассчитывают, исходя из его химического состава, определенного экспериментально. Например, пусть опытно установлено, что массовая доля водорода в соединении – 1,59%, азота – 22,21%, а кислорода – 76,20%. Очевидно, в 100 а.е.м. этого вещества будет содержаться водорода – 1,59, азота – 22,21, а кислорода 76,20 (а.е.м.).





Поделив эти массы на относительные атомные массы элементов ( Ar ), получим, что число атомов водорода в данной массе соединения (т.е. в 100 а.е.м.) равно 1,59, азота – 1,58, а кислорода – 4,76. Поделив же на минимальное из полученных чисел, найдем соотношение элементов в данном веществе: 1:1:3. Следовательно, его формула – HNO3.

Для идентификации достаточно сложных соединений молекулярной структуры, кроме данных по составу вещества, необходимо и знание его относительной молекулярной массы (Mr ). Ее определяют, например, переводя точную навеску вещества (m) в газовую фазу при определенной температуре (T). Затем, измерив давление и объем газа, расчет ведут по формуле Клапейрона-Менделеева:

m pV = RT, M где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(мольК), а M – молярная масса вещества (см. главу 1.2), которая численно совпадает с Mr.

Отметим, что для веществ немолекулярной структуры вместо термина «молекулярная масса» правильнее использовать слово «формульная масса» (т.е. рассчитанная по простейшей формуле вещества).

Подчеркнем, что для веществ молекулярной структуры характерно постоянство химического состава - они называются дальтонидами. В то время как для немолекулярных соединений при сохранении одинакового типа решетки1 состав может меняться в довольно широких пределах. Например, в случае оксида титана(II) - от TiO0,58 до TiO1,33. Такого рода соединения называются бертоллидами.

ВОПРОСЫ К СЕМИНАРУ 1. Почему в современных определениях химии акцент делается на том, что это скорее наука о превращениях веществ, чем о свойствах элементов и их соединений 2. На каких расстояниях происходят химические взаимодействия В каком температурном интервале Каковы значения тепловых эффектов химических реакций 3. В каких случаях процессы растворения веществ можно отнести к химическим 4. Верно ли, что молекула — это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами Почему 5. Можно ли сказать, что сложные соединения состоят из простых 6. Могут ли смеси состоять из простых веществ Почему Приведите пример.

В данном случае имеется в виду не только соотношение вкладов ХС и ММС в построение решетки вещества или тип этих ХС и ММС (см. ниже), но и характер взаимного расположения структурных единиц в решетке соединения относительно друг друга.

7. Что является носителем свойств (и каких) в случае соединений с немолекулярной решеткой Можно ли волокнистую или слоистую структуры вещества отнести к молекулярным Почему 8. Что общего и в чем различие между простейшей, молекулярной, графической и структурной формулами Отражают ли последние реальное состояние соединения Почему Могут ли совпадать графическая и структурная формулы вещества C9. Почему 1/12 атома углерода принята за единицу относительной атомной массы 10. Почему Ar (O) =15,9994, хотя природные изотопы кислорода O18, O17 и O16 11. В каких случаях состав данного соединения не зависит от способа его получения 12. Разным ли веществам соответствуют формулы:

а) NO и NO2 ;

б) TiO0,58 и TiO1,33 13. Тождественны ли образцы оксида титана(II) с равным соотношением элементов, но отличающихся записью формул: Ti0,8O и TiO1,25 14. При сжигании 5,00 г неизвестного соединения, содержащего только водород и углерод, образовалось 14,65 г CO2. Какова формула вещества, если его плотность по водороду равна 15 15. Массовая доля элемента (Э) в оксиде Э2O3 составляет 68,4%. Определите, какой это элемент.

16. Какую минимальную информацию нужно получить при проведении опыта для определения формулы оксида марганца Как организовать эксперимент Какие опытные данные будут получены, если анализируемый оксид Mn3O4 1.2. ЭКВИВАЛЕНТ. МОЛЬ. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА ЭКВИВАЛЕНТ В международной системе единиц (СИ)1 эквивалентом вещества считают некую реальную или условную частицу, которая в данной обменной реакции соединяется с одним ионом водорода или вытесняет его из соединения, либо каким-то опосредованным образом стехиометрически равноценна ему.

Так, в реакции:

2NaCl(т) + H2SO4(конц.) = 2HCl(г) +Na2SO4(р-р), ион Cl- или Na+ (или молекула HCl, или «молекула» NaCl ) представляют собой эквиваленты, поскольку один ион Cl- соединяется с одним ионом водорода, а один ион Na+ вытесняет один H+ из молекулы кислоты и т.д.

Все указанные эквиваленты являются реальными частицами, в то время как эквивалентом серной кислоты будет не реальная, а условная частица — «половина» молекулы этой кислоты, ведь именно она содержит один ион водорода, а моле СИ (SI), значит: System International, т.е. система интернациональная.

кула H2SO4 представляет собой два эквивалента серной кислоты. По аналогии эквивалентом сульфат-иона или «молекулы» Na2SO4 будут «половины» данных частиц.

В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) эквивалентом считается реальная или условная частица вещества, которая участвует в процессе передачи одного электрона. Так, в ОВР:

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2 (SO4 )3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O или в ионном виде:

5Fe2+ + MnO- + 8H+ Fe3+ + Mn2+ + 4H2O, один ион железа(II) участвует в передаче (отдавая) одного электрона, поэтому он является эквивалентом, причем, реальной частицей. Перманганат-ион участвует в передаче (принимая) пяти электронов, а один электрон присоединяется к условной частице - одной пятой данного иона, т.е. эквивалентом выступает: 1/5MnO-.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.