Вопрос №1

Все многообразие окружающего нас мира, все предметы и явления представляют собой различные виды и формы движущейся материи. Конкретно движущаяся материя проявляет себя как вещество и поле. Под веществом понимают вид материи, имеющую «массу покоя», т.е. собственную массу тела. Таким образом, к веществу относятся электроны, нуклоны, атомы, молекулы, кристаллы и т.д.

Поле — это форма материи, связывающая частицы и осуществляющая взаимодействие этих частиц (например, электромагнитное поле, гравитационное поле, ядерное поле и др.). Материальные носители поля «массу покоя» не имеют.

Химия — одна из древнейших наук, изучающая вещество.

Любое вещество характеризуется определенным составом (природой и числом атомов в его молекуле), строением (пространственным расположением атомов в молекуле) и определенными физическими и химическими свойствами. Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т.е. в процессах превращения одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать и и состав, и строение вещества. Поэтому химия изучает состав, строения, свойства веществ и их превращения.

Приведем несколько актуальных направлений применения химии:

1. Получение электроэнергии, путем преобразования химической энергии природного топлива;

2. Получение топлива;

3. Получение металлов;

4. Получение синтетических материалов: пластмасс, каучуков, волокон, пленок, термостойких пластиков, композиционных полимеров;

5. Получение материалов с особыми свойствами для новой техники (телевизионной техники, систем связи и информационных систем): сверхчистых, сверхтвердых, сверхпроводящих, жаростойких и т.п. Такие материалы поставляет современная химическая промышленность, поэтому можно понять важность изучения химии для любой специальности;

6. Получение продуктов питания;

7. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур и экономия сельскохозяйственного сырья;

8. Охрана окружающей среды: разработка методов обнаружения и количественного определения вредных примесей, создание безотходных или малоотходных производств, разработка способов обезвреживания и утилизации промышленных и бытовых отходов и т.п.

Вопрос №2.

относительной атомной массой (или просто атомной массой) элемента называется масса его атома, выраженная в атомных единицах массы (1 а.е.м. = 1,66·10^–27 кг).

относительной молекулярной массой Mr вещества называется масса его молекулы, выраженная в атомных единицах массы.

Масса одного моля данного вещества называется его молярной массой. Молярную массу выражают в г/моль или кг/моль. Она равна частному от деления массы вещества (в кг) на его количество (в моль)

Эквивалентная масса элемента - это масса 1 эквивалента элемента; эквивалентом элемента называют такое его количество, которое реагирует с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов углерода в 0,012 кг углерода. Это такое количество вещества (ни литр, ни килограмм), в котором находится 6*10^23 (шесть умножить на 10 в 23 степени - число АВОГАДРО) молекул. В 1 моле любого вещества будет находиться такое количество атомов или молекул. 1 моль вещества может занимать у разных веществ разные объёмы и иметь разную массу.

Вале́нтность — способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

Вопрос №3.

Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.(ЗСМ)

Любое определенное химически чистое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех жехимических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.(ЗПС)

ЗКО-Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то на одно и то же весовое количество одного элемента приходятся такие весовые количества другого элемента, которые относятся между собой как небольшие целые числа.

ЗОО-Объёмы реагирующих газообразных веществ относятся между собой и к объемам образующихся газообразных веществ как небольшие целые числа.

Вещества вступают в реакцию в количествах, пропорциональных их эквивалентам.(ЗЭ)

Вопрос №4.

При постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре: V1/T1 = V2/T2 или V/T = const.(Гей-Люссака)

 При постоянной температуре объем, занимаемый газом, обратно пропорционален его давлению.(Бойля-Мариотта)

Для данной массы газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:  Р = Рo*a*T, где р — давление газа при абсолютной температуре Т;  рo — давление газа при температуре 0оС;  a — температурный коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К-1.  В том случае, когда температура выражена по шкале Цельсия, то закон Шарля имеет вид:  Рt=Ро (1+at),  где t — температура по шкале Цельсия, Ро — давление газа при t=0° C,  Рt — давление газа при температуре t, a — коэффициент давления, для идеальных газов a=1/273.  Закон Шарля можно сформулировать и следующим образом: для данной массы газа отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется:  P/Т=const, если V=const и m=const. (Закон Шарля ясен пень)

pV = nRT (где p - давление, n - кол-во в-ва, T = 273 + t, R = 8,31 Дж / моль,  V - объём) Можно вывести из pV = NАkT ( где NА — число Авогадро, k — постоянная Больцмана, T = 273 + t, p - давление, V - объём)  Уравнение Клапейрона-Менделеева представляет собой уравнение состояния идеального газа, которое объединяет закон Бойля — Мариотта (p.V = const = С при T=const и m=const), закон Гей-Люссака (V1/V2 = T1/T2 = const) и закон Авогадро.(Менделеева-Клайперона)

Равные объемы любых газов (при одинаковых температуре и давлении) содержат равное число молекул.(Авогадро)

Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень разряжен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.

Вопрос№5

Кислоты — сложные вещества, которые состоят из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков. Они получили своё название из-за кислого вкуса большинства кислот. В водных растворах они диссоциируют на катион водорода (протон) и анион кислотного остатка.  Соли — класс химических соединений, к которому относятся вещества, состоящие из катионов металла (или катионов аммония NH4+ ; известны соли фосфония PH4+ или гидроксония H3O+) и анионов кислотного остатка.  Оксид — бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Химический элемент кислород по электроотрицательности второй после фтора, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF2.  Основания — сложные вещества, которые состоят из атомов металла или иона аммония и гидроксогруппы (-OH). В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН−. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами. 

Бина́рные соедине́ния — химические вещества, образованные, как правило, двумя химическими элементами. Многоэлементные-тремя и более.

Вопрос№11

Основные понятия термодинамики:

В термодинамике изучаются физические системы, состоящие из большого числа частиц и находящиеся в состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Такие системы называются термодинамическими системами. Это понятие в общем случае достаточно сложно определить строго, поэтому используется описательное определение, в котором термодинамической системой называется макроскопическая система, которая каким-то образом (например, с помощью реальной или воображаемой оболочки) выделена изокружающей среды и способна взаимодействовать с ней. Если оболочка не допускает обмен ни веществом, ни энергией между системой и окружающей средой, то такая оболочка называется адиабатической, а соответствующая система - изолированной или замкнутой. Системы, у которых оболочка не препятствует обмену веществом и энергией, называютсяоткрытыми.

Фундаментальным для классической термодинамики является понятие термодинамического равновесия, которое тоже плохо поддаётся логическому определению и формулируется как обобщение экспериментальных фактов. Утверждается, что любая замкнутая термодинамическая система, для которой внешние условия остаются неизменными, с течением времени переходит в равновесное состояние, в котором прекращаются все макроскопические процессы. При этом в системе на микроскопическом уровне могут происходить самые разные процессы, например, химические реакции, которые могут протекать и в прямом, и в обратном направлении, однако в среднем эти процессы компенсируют друг друга, и макроскопические параметры системы остаются неизменными, флуктуируя относительно равновесного значения. Флуктуации изучаются в статистической физике.

Термодинамика не рассматривает особенности строения тел на молекулярном уровне. Равновесные состояния термодинамических систем могут быть описаны с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. д., которые могут быть измерены макроскопическими приборами. Описанное таким образом состояние называется макроскопическим состоянием, и законы термодинамики позволяют установить связь между макроскопическими параметрами. Если параметр имеет одно и то же значение, не зависящее от размера любой выделенной части равновесной системы, то он называется неаддитивным или интенсивным, если же значение параметра пропорционально размеру части системы, то он называется аддитивным или экстенсивным^[9]. Давление и температура — неаддитивные параметры, а внутренняя энергия и энтропия — аддитивные параметры.

Макроскопические параметры могут подразделяться на внутренние, характеризующие состояние системы как таковой, и внешние, описывающие взаимодействие системы с окружающей средой и силовыми полями, воздействующими на систему, однако это разделение достаточно условно. Так, если газ заключен в сосуд с подвижными стенками и его объём определяется положением стенок, то объём является внешним параметром, а давление газа зависит от скоростей теплового движения молекул и является внутренним параметром. Напротив, если задаётся внешнее давление, то его можно считать внешним параметром, а объём газа — внутренним параметром. Постулируется, что в состоянии термодинамического равновесия каждый внутренний параметр может быть выражен через внешние параметры и температуру системы. Такая функциональная связь называется обобщённым уравнением состояния системы^[10].

При изменении внешних параметров или при передаче энергии в систему в ней могут возникать сложные процессы на макроскопическом и молекулярном уровне, в результате которых система переходит в другое состояние. Равновесная термодинамика не занимается описанием этих переходных процессов, а рассматривает состояние, устанавливающееся после релаксации неравновесностей. В термодинамике широко применяются идеализированные процессы, в которых система переходит из одного состояния термодинамического равновесия в другое, которые непрерывно следуют друг за другом. Такие процессы называются квазистатическими или квазиравновесными процессами^[11]. Особую роль в методах термодинамики играют циклические процессы, в которых система возвращается в исходное состояние, совершая по ходу процесса работу и обмениваясь энергией с окружающей средой.

Первый закон термодинамики:Теплота, сообщаемая системе извне расходуется на увеличение внутренней энергии и работу, совершаемую системой.

Вопрос №12.

Тепловой эффект-количество теплоты, поглощаемое или выделяемое в резултате реакции.

К тепловым эффектам относятся:

Стандартная энтальпия(теплота) образования

Стандартная энтальпия сгорания Стандартная энтальпия растворения Стандартная энтальпия нейтрализации

• Закон Гесса-основной закон термохимии, согласно которому тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечного состояний системы и не зависит от промежуточных состояний и путей перехода ( Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания).

Вопрос 13. Энтропия-мера беспорядка. Энтропия - это физическая величина, которая численно характеризует необратимые явления, происходящие в природе. Существует две стороны энтропии - рассеяние энергии и разрушение упорядоченных структур, превращение их в более хаотичные.

Второе начало термодинамики-невозможно осуществить перенос тепла от более холодного тела к более горячему, не затрагивая на это работу.

Вопрос 14. Энергия Гиббся-это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции.

Энергия Гельмгольца-(свободная энергия, изохорно-изотермический потенциал) - один из термодинамических потенциалов, характеристическая функция при выборе объёма V и темп-ры T в качестве независимых термодинамич. переменных.

Большинство самопроизвольных процессов -экзотермические процессы,протекающ. с выделением энергии.)В основе протекания процессов лежит принцип минимума энергии,т.е система всегда стремится перейти из сост. с большей энергией в сост с меньшей энергией. 2 критерий самопроизвольного протекания процессов явл. Увеличение энтропии системы ,процесс может протекать самопроизвольно ,даже без поглощ. эн., если при этом увелич.энтропия.

Вопрос 15. Скорость химической реакции - это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.

Зависимость скорости реакций от различных факторов

Условия	Примеры
концентрация	При повышении концентрации хотя бы одного из реагирующих веществ скорость химической реакции возрастает в соответствии с кинетическим уравнением. Рассмотрим общее уравнение реакции: aA +bB = cC + dD. Для данной реакции кинетическое уравнение принимает вид: Причиной повышения скорости является увеличение числа столкновений реагирующих частиц за счёт увеличения частиц в единице объёма.
температура	Химические реакции, протекающие в гомогенных системах (смеси газов, жидкие растворы), осуществляется за счет соударения частиц. Однако, не всякое столкновение частиц реагентов ведет к образованию продуктов. Только частицы, обладающие повышенной энергией - активные частицы, способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и число активных частиц возрастает, следовательно, химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант - Гоффа : Правило Вант - Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции.(16 в.)
катализатор	Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождается в конце реакции. Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называетсякатализом.По агрегатному состоянию, в котором находятся катализатор и реагирующие вещества, следует различать: гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь; гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; катализ идет на поверхности раздела фаз).(17 в.)
площадь соприкосновения реагирующих веществ	Для увеличения площади соприкосновения реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения достигают путем растворения веществ. Быстрее всего вещества реагируют в растворах.
природа реагирующих веществ	Например, металлы магний и железо реагируют с соляной кислотой одинаковой концентрации с различной скоростью. Это связано с разной химической активностью металлов.

Закон действующих масс: Скорость химических реакций пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов. Для гомогенных реакций: nA + mB = A_nB_m υ = k∙[A]ⁿ∙[B]^m, где k – константа скорости. Величина k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ.Физический смысл k: если [A]=[B]=1моль/л, то k=υ, то есть k – это скорость реакции в момент, когда концентрации реагирующих веществ равны единице. Для гетерогенных реакций в уравнение ЗДМ входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация веществ, находящихся в твердой фазе представляет собой постоянную величину и поэтому входит в константу скорости. Например для реакции горения угля C_(тв) + O_2(г) = СO_2(г) закон действующих масс запишется так: υ = = k[O₂]

Вопрос 18.Химическое равновесие-состояние системы, в которой обратимо протекает одна или несколько реакций химических, причём для каждой из них скорости прямой и обратной реакций равны, вследствие чего состав системы остаётся постоянным, пока сохраняются условия её существования.

Принцип Ле Шателье — Брауна (1884 г.) — если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение. 

Вопрос 19. Гетерогенные реакции имеют большое значение в технике: это горение твердого и жидкого топлива, коррозия металлов и сплавов. В этом случае реакция идет на поверхности раздела фаз, которая служит реакционным пространством гетерогенной химической реакции. Концентрацию газообразных и жидких веществ в реакции измеряют количеством молей приходящихся на единицу реакционной поверхности (моль/м², моль/см²) и называют поверхностной концентрацией – с_s.

,

.

Зависимость скорости гетерогенной химической реакции от поверхностной концентрации веществ в реакции определяется законом действующих масс. Так, реакция горения угля протекает тем быстрее, чем интенсивнее подается к углю кислород. В случае гетерогенных реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собой постоянную величину и поэтому входит в константу скорости. Например, для гетерогенной реакции горения угля

С_(к) + О_2(г) = СО_2(г)

кинетическое выражение уравнения скорости реакции по закону действующих масс запишется так

,

где  ;

      k – константа скорости реакции;

      с_s (О₂) –поверхностная концентрация кислорода, моль/м² .

В некоторых случаях из-за трудностей измерения поверхностной концентрации используют объемную концентрацию (моль/л). Например, скорость реакции Si_(к) + О_2(г) = SiО_2(к) рассчитывают по уравнению

,

где v – скорость  реакции, моль/(л с);

      k – константа скорости, 1/с;

      с(О₂) – концентрация О₂  в газообразной фазе над реакционной поверхностью, моль/л.

Измерение скорости гетерогенных реакций в моль/(л с) приводит к тому, что скорость становится функцией площади реакционной поверхности, так как чем больше эта площадь, тем больше число столкновений молекул реагирующих веществ, находящихся в разных фазах гетерогенной системы. Число столкновений на единице поверхности раздела фаз постоянно и применительно к гетерогенным процессам по закону действующих масс скорость не зависит от площади поверхности раздела фаз, так же как скорость гомогенной реакции не зависит от объема системы.

Вопрос 20. Растворы - это гомогенная система, состоящая из молекул растворителя, молекул растворённого вещества и продуктов их взаимрдействия. Растворимостью называется способность веществ растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества служит концентрация его насыщенного раствора. Насыщенным раствором называется раствор, который находится в равновесии с растворяющимся веществом. Насыщенными растворами приходится пользоваться сравнительно редко. В большинстве случаев употребляют растворы ненасыщенные, т.е. с меньшей концентрацией растворённого вещества, чем в насыщенном растворе. Концентрацией раствора называется количество растворённого ещества, содержащееся в определённом количестве раствора или растворителя. Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называется концентрированными, с малой - разбавленными.

Состав растворов можно выражать по-разному. В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения состава раствора:

1. Числом единиц массы растворённого вещества, содержащимся в 100 единицах массы раствора.

2. Числом молей растворённого вещества, содержащихся в 1л раствора.

3. Числом эквивалентов растворённого вещества, содержащихся в одном литре раствора.

4. Числом молей растворённого вещества, приходящегося на 1000 г растворителя.

5. Отношением числа молей данного вещества к общему числу молей всех веществ, имеющихся в растворе.

Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в случае водного раствора соли растворителем, конечно, является вода). Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями. Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом. Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора можег изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.

Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям, но от последних они резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.

Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом. Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы. Последние благодаря диффузии (см. стр. 216) равномерно распределяются по всему объему растворителя. Отделение молекул от поверхности твердого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а с другой, — притяжением со стороны молекул растворителя. Этот процесс должен был бы продолжаться до полного растворения любого количества кристаллов, если бы одновременно не происходил обратный процесс — кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность еще нерастворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов. Понятно, что выделение молекул из растовора будет идти тем быстрее, чем выше их концентрация в растворе. А так как последняя по мере растворения вещества увеличивается, то, наконец, наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. Тогда устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени столько же молекул растворяется, сколько и выделяется из раствора. Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором.