ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
ВВЕДЕНИЕ
Оглавление страница
Введение 1
1. Основные законы химии 1
2. Энергетика химических процессов 2
3. Химическая кинетика и равновесие 6
4. Основные характеристики растворов 11
5. Строение атома и систематика химических элементов 21
6. Химическая связь и строение молекул 30
7. Электрохимические процессы 36
8. Окислительно-восстановительные реакции 44
9. Свойства р-элементов 51
10. Металлы 57
11. Комплексные соединения 66
12. Лантаниды и актиниды 71
13. Полупроводниковые материалы – кремний, германий 79
Химия относится к естественным наукам, изучающим окружающий нас мир. Химия изучает состав и строение веществ, зависимость их свойств от состава и строения, а так же пути превращения одних веществ в другие. Химия занимается также синтезом веществ, неизвестных в природе: фтороуглероды, пластмассы, силиконы и т.д.
Под веществом мы имеем в виду любой вид материи, обладающий при определнных условиях постоянными химическими и физическими свойствами.
|
|
В настоящее время число известных соединений порядка 7 млн., из них более 300 тыс. соединений – неорганических. Число возможных реакций между ними настолько велико, что вряд ли они могут быть описаны все. Поэтому очень важным является знание общих закономерностей химических процессов.
Превращение веществ всегда сопровождается физическими явлениями: выделением света, тепла, электроического тока и др., поэтому химия тесно связана с физикой (квантовая химия, хемотроника, физическая химия, радиохимия).
В данном курсе рассматриваются следующие разделы: строение атомов и молекул, твердых тел и растворов, начальные сведения о химической термодинамике и кинетике, свойства растворов, основы электрохимии и коррозии, химические свойства наиболее распространенных элементов и их соединений, в том числе и элементов конца Периодической системы – лантанидов и актинидов.
Курс «Химия» включает 46-48 часов лекций и 56-60 часов практических и лабораторных занятий. В конце курса – ЗАЧЕТ и ЭКЗАМЕН. Программа курса утверждена методическим Советом физико-технического факультета.
Материл этого раздела, включающий понятия: моль, молярая масса вещества, законы газообразного состояния вещества, расчеты по химическим уравнениям, вынесен на самостоятельное изучение с последующим контролем на практических занятиях.
Любое химическое превращение веществ связано с перестройкой электронных структур атомов,
ионов и молекул, которая сопровождается различными энергетическими эффектами – выделением или поглощением тепла, излучением, энергия химической реакции может преобразовываться в электрическую или, наоборот, химическая реакция может протекать под воздействием электрического тока.
|
|
Энергетические эффекты реакций изучает термохимия (разделхимический термодинамики).
Изучение энергетики химических процессов имеет очень важное значение. Отметим два наиболее важных момента. Термохимические расчеты позволяют, во-первых, судить о принципиальной возможности и направленности химического процесса, во-вторых, рассчитывать энергетические балансы технологических процессов (проектирование аппаратуры, подбор конструкционных материалов, энергозатраты, выбор оптимального режима работы и т.д.).
Тепловой эффект реакции. Внутренняя энергия системы. Энтальпия.
Система – это ограниченная каким-либо образом часть физического мира, которая составляет предмет исследования (газ в сосуде, колба с реакционной смесью и т.д.).
Любая система описывается с помощью параметров: р- давление, V – объем, Т – температура и
n (или n) – число молей. Энергетическое состояние системы можно описать с помощью термодинамических функций состояния (производных от параметров): U – внутренняя энергия, Н – энтальпия, G – изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия Гиббса, S – энтропия.
Напомним, что изменение функции состояния при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от пути перехода.
Внутренняя энергия системы – это общий запас энергии системы за исключением кинетической энергии системы как целого и потенциальной энергии положения. Она складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, молекулах и кристаллах, внутриядерной энергии и т.п.
Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (например, в открытой колбе) или при постоянном объеме (например, в автоклаве), т.е. являются соответственно изобарными или изохорными процессами.
Предположим, что некоторая система за счет поглощения теплоты Q переходит из состояния 1 в состояние 2. В общем случае эта теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы DU и на совершение работы против внешних сил: Q = DU + A. Приведенное уравнение выражает закон сохранения энергии (первый закон термодинамики).
Так, если теплота сообщается газу в цилиндре с подвижным поршнем, то газ, во-первых, нагревается, т.е. его внутренняя энергия возрастает, а, во-вторых, расширяется и производит работу по подъему поршня.
В химических ракциях под работой против внешних сил в основном подразумевают работу против внешнего давления. В первом приближении (при р=const) она равна произведению давления на изменение объема системы: A = p (V2 – V1) = pDV
Тогда, тепловой эффект изобарного процесса Qp = DU + pDV.
Распишем: Qp = (U2 – U1) + p(V2 – V1).
Сгруппируем: Qp = (U2 + pV2) – (U1 + pV1) = H2 – H1.
Величину Н называют энтальпией. В случае изобарного процесса энергетический эффект реакции равен изменению энтальпии системы: Qp = DH.
При изохорном процессе (V = const) изменение объема системы не происходит, А = 0. Тогда переходу системы из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство: Qv=U2-U1=DU, т.е. энергетический эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы.
Следует отметить, что невозможно определить абсолютные значения внутренней энергии системы и энтальпии. Однако, энергетический эффект процесса, как изменение U или H (DU, DH), может быть определен экспериментально или рассчитан. Большинство химических реакций происходит при постоянном давлении, поэтому чаще приходится иметь дело с энтальпией.
В экзо термических реакциях теплота выделяется, т.е. внутренняя энергия и энтальпия системы уменьшаются: Q>0, DH<0 (DU<0)
В эндо термических реакциях теплота поглощается, т.е. внутренняя энергия и энтальпия системы возрастают: Q<0, DH>0 (DU>0).
|
|
Сравнение энергетических эффектов различных процессов проводят для равного количества веществ, обычно 1 моль, и при одинаковых условиях, называемых стандартными условиями: давление 101325 Па, температура 298К (25°C). Тепловой эффект реакций при стандартных условиях обозначают DH°298 (нижний индекс температуры иногда опускают).
В справочнике приводятся значения стандартных энтальпий образования различных соединений ΔН°обр. (кДж/моль) – это тепловой эффект реакции образования 1 моля соединения из простых веществ при стандартных условиях.
Простое вещесто – это вещество, молекулы которого состоят из одного сорта атомов и находятся в агрегатном состоянии, устойчивом при 25°С.