МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

О.О. Семенченко, В.М. Безпальченко

ХІМІЯ

Навчальний посібник для студентів

технічних спеціальностей

вищих навчальних закладів

Херсон – 2011

УДК 546.0

ББК 24.1

С-30

Рекомендовано до друку Вченою радою

Херсонського національного технічного університету

(Протокол № 4 від 03.03.2009)

Рецензенти:

Ю.Я. Ван-Чин-Сян, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри фізичної та колоїдної хімії Національного університету „Львівська політехніка”.

О.Н. Речицький, кандидат хімічних наук, доцент, завідувач кафедри органічної та біологічної хімії Херсонського державного університету.

Є.В. Ляшенко, кандидат хімічних наук, доцент кафедри хімії Херсонського державного аграрного університету.

Семенченко О.О.

С-30 Хімія. Навчальний посібник для студентів технічних спеціальностей вищих навчальних закладів / О.О. Семенченко, В.М. Безпальченко. – Херсон: ХНТУ, 2011. – 280 с.; іл. 23.

ISBN 978–966–2207–24–8

Навчальний посібник побудовано за модульно-рейтинговою технологією вивчення хімії. Посібник містить теоретичний матеріал, лабораторні роботи з докладним описом дослідів, розв’язання типових задач і вправ, завдання для самоконтролю, тестові завдання змістових модулів, тест-тренінг для підготовки до екзамену. У модулях 1-3 висвітлені основні питання загальної хімії. У модулях 4, 5 розглянуто спеціальні питання програми хімії, які профільовані для студентів технічних спеціальностей.

Рекомендовано для студентів вищих навчальних закладів освітньо-кваліфікаційного рівня „бакалавр” галузей знань: 0505 „машинобудування та матеріалообробка”; 0510 „метрологія, вимірювальна техніка та інформаційно-вимірювальні технології”.

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

Лист № 1/11-7436 від 06.08.2010

© Семенченко О.О., Безпальченко В.М., 2011

Про авторів

Семенченко Оксана Олександрівна – кандидат технічних наук, доцент кафедри фізичної та неорганічної хімії Херсонського національного технічного університету. Закінчила Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова за спеціальністю „фізико-хімія полімерів та колоїдів”. У 2007 році захистила дисертацію за спеціальністю 05.19.03 – технологія текстильних матеріалів, здобувши вчений ступінь кандидата технічних наук.

Основні навчальні курси: „Хімія”, „Фізична хімія”.

Наукові інтереси: проблеми обробки текстильних матеріалів.

Б езпальченко Віолета Михайлівна – кандидат хімічних наук, доцент кафедри фізичної та неорганічної хімії Херсонського національного технічного університету. Закінчила Херсонський державний педагогічний інститут ім. Н.К. Крупської за спеціальністю „біологія та хімія”. У 1997 році захистила дисертацію за спеціальністю 02.00.02 – „Аналітична хімія” у спеціалізованій вченій раді Д 03.05.03 Українського державного хіміко-технологічного університету, здобувши вчений ступінь кандидата хімічних наук. У  2002 році присвоєно наукове звання доцента кафедри фізичної та неорганічної хімії. Основні навчальні курси: „Аналітична хімія”, „Хімія”, „Клінічна біохімія”. У 2003 році опубліковано навчальний посібник „Клінічна біохімія. Практикум”.

Наукові інтереси: інструментальні методи хімічного аналізу.

ЗМІСТ

Вступ……………….………………………………………………………….......	8
Як користуватися навчальним посібником……….………………………..........	10
Розподіл балів за модульно-рейтинговою системою контролю знань студента з дисципліни «Хімія»……………………………………….........	12
Тематичний план……………………………………………………………..........	13
Правила роботи в хімічній лабораторії……………………………………..........	14
Основні хімічні поняття …………………………………………….....................	16
Модуль 1. Основні поняття хімії та вчення про будову речовини...............	19
Розділ 1.1. Класи неорганічних сполук ………………………………………	19
Завдання для самоконтролю…………………………………………………	32
Розділ 1.2. Основні закони хімії……………………………………………….	33
Розв’язання типових задач і вправ…….....………………………………......	37
Завдання для самоконтролю…………………………………………………....	38
Розділ 1.3. Будова атома …..................................................................................	39
Розділ 1.4. Періодичний закон i періодична система елементів Д. I. Менделєєва ........…………………..............................................................	43
Розділ 1.5. Хімічний зв’язок і будова молекул……………………………….	46
1.5.1. Ковалентний зв’язок .......................................................................	47
1.5.2. Здатність молекул до поляризації.................................................	53
1.5.3. Йонний зв’язок ................................................................................	55
1.5.4. Металічний зв’язок ........................................................................	56
1.5.5. Міжмолекулярна взаємодія...........................................................	57
1.5.6. Водневий зв’язок ...........................................................................	58
Розділ 1.6. Кристалічний стан речовин і типи кристалічних ґраток................	60
Розв’язання типових задач і вправ…………………………………….........	64
Завдання для самоконтролю……………………………………………………	66
Завдання для модульної контрольної роботи № 1……………………………	68
Модуль 2.  Закономірності перебігу хімічних процесів…………..……........	74
Розділ 2.1. Хімічна термодинаміка…................…................….................	74
2.1.1. Основні поняття хімічної термодинаміки....................................	74
2.1.2. Перший закон термодинаміки та його застосування до хімічних процесів………………............................................…….	76
2.1.3. Термохімія. Закон Гесса та наслідки з нього....…………….......	77
2.1.4. Другий закон термодинаміки. Зміна ентропії та енергії Гіббса як критерії напрямленості процесу та стану рівноваги ……………	80
Розв’язання типових задач і вправ………………………..…………………...	82
Завдання для самоконтролю…………………………………………………	85
Лабораторна робота № 1 ………………………………………………….	85
Розділ 2.2.  Швидкість хімічних реакцій. Хімічна рівновага…...……………	87
2.2.1. Основні положення і поняття швидкості хімічних реакцій……	87
2.2.2. Вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакцій	89
2.2.3. Вплив природи реагуючих речовин і температури на швидкість реакцій …….....……………………………………………	90
2.2.4. Каталіз …………………………………………………………….	93
2.2.5. Хімічна рівновага…………………………………………………	96
Розв’язання типових задач і вправ………………………………….................	99
Завдання для самоконтролю……...…………………………………………….	101
Лабораторна робота № 2…………………………………………………..	102
Завдання для модульної контрольної роботи № 2…………………………....	106
Модуль 3. Розчини…………..……………………………………………….......	111
Розділ 3.1. Уявлення про дисперсні системи і розчини.......................................	111
Розділ 3.2. Фізико-хімічні властивості розбавлених розчинів неелектролітів...	117
3.2.1. Осмос і осмотичний тиск...................................................................	117
3.2.2. Тиск насиченої пари розчинів. .................................... ...................	118
3.2.3. Температури кипіння і замерзання розчинів............ ......................	119
Розділ 3.3. Розчини електролітів. ………………………………………………...	121
3.3.1.Теорія електролітичної дисоціації………...……………………......	121
3.3.2. Йонні реакції в розчинах електролітів.…………………………....	126
3.3.3. Добуток розчинності малорозчинних речовин……………….......	128
3.3.4. Йонний добуток води. Водневий показник як кількісна характеристика кислотності-основності розчинів..........................	129
3.3.5. Гідроліз солей……………………………………………………….	132
3.3.6. Твердість води та способи її усунення............................................	137
Розв’язання типових задач і вправ……………………………………………….	139
Завдання для самоконтролю………………………………………………………	144
Лабораторна робота №3…….………………………………………………...…	147
Завдання для модульної контрольної роботи № 3………………………………	151
Модуль 4. Окисно-відновні реакції та електрохімічні процеси……………	156
Розділ 4.1. Окисно-відновні реакції………………..…………………………	156
Розв’язання типових задач і вправ……………………………………..……...	159
Завдання для самоконтролю…………………………………………………..	161
Розділ 4.2.  Електрохімічні процеси....................................................................	162
4.2.1. Електрохімічні поняття. Електродний потенціал.......................	162
4.2.2. Хімічні джерела електричної енергії………………………....... 4.2.2.1. Гальванічні елементи…………………..………………………. 4.2.2.2. Акумулятори……………………….…………………………… 4.2.2.3. Паливні елементи……………………………………………...	165 165 167 169
Розв’язання типових задач і вправ…………………………………………….	170
Завдання для самоконтролю.…………………………………………………..	171
Лабораторна робота №4……………………...………………………………	172
Розділ 4.3. Електроліз…………………………………………………………..	174
Розв’язання типових задач і вправ…………………………………………...	181
Завдання для самоконтролю...…………………………………………………	183
Лабораторна робота № 5…………………………..…………………………	185
Розділ 4.4. Корозія металів. Методи захисту від корозії…………………….	187
Розв’язання типових задач і вправ……………..……………………………...	197
Завдання для самоконтролю...…………………………………………………	199
Лабораторна робота № 6….…………..…………………………………….....	200
Завдання для модульної контрольної роботи № 4……………………………	202
Модуль 5. Конструкційні матеріали……...…………………………………	208
Розділ 5.1. Неметалеві конструкційні матеріали…...…………………………...	208
Розділ 5.2. Металеві конструкційні матеріали…………………………………..	213
5.2.1. Легкі конструкційні метали………………………………………..	213
5.2.2. Метали родин феруму і купруму……………………...………….	218
5.2.3. Металічні сплави……………………………………………………	223
Розв’язання типових задач і вправ…………………………..…………………...	228
Завдання для самоконтролю...……………………………………………………	230
Лабораторна робота № 7 ….…………………………………………………….	231
Завдання для модульної контрольної роботи № 5………………………………	235
Хімія та екологія ………………………………………………………………....	241
Основні позначення і скорочення ……………………………………………....	244
Основні формули та закони………………………………………………………	246
Питання до екзамену………...…………………………………………………….	249
Тест-тренінг……………………………………………………………………...	252
Відповіді на тест-тренінг.........................................................................................	261
Додатки……………………………………………………………………………..	262
Використана та рекомендована література………………………………………	274
Предметний покажчик ……………………………………………………………	275

Вступ

У технології машинобудування значення хімії надзвичайно велике, оскільки сучасне виробництво при виготовленні вузлів та деталей і при експлуатації різних механізмів, машин та споруд безперервно стикається зі складними фізико-хімічними проблемами, а також із властивостями різноманітних конструкційних матеріалів.

Головні завдання курсу хімії – це:

• сформувати в студентів комплекс хімічних знань про речовину, її будову, перетворення, можливі галузі застосування;

• навчити спостерігати та кількісно описувати хімічні процеси, які пов’язані з виробництвом та науковими дослідженнями;

• ознайомити студентів із науковими основами дослідження в хімічних та суміжних виробництвах із використанням знань хімії в найважливіших галузях народного господарства;

• дати студентам сучасне уявлення щодо загальних принципів перебігу хімічних реакцій, електрохімічних процесів;

• розвити навички та вміння використовувати досягнення сучасної хімії в технологічних процесах і виробництвах.

У результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати:

• основні закони хімії;

• основні положення теорії будови атомів;

• періодичну систему й періодичний закон, залежність

властивостей сполук від їх будови;

• закономірності перебігу хімічних реакцій;

• властивості розчинів електролітів і неелектролітів;

• хімічні джерела електричного струму;

• механізм корозії й способи захисту від неї;

• властивості конструкційних матеріалів.

У результаті вивчення дисципліни студенти повинні вміти:

• застосовувати основні закономірності перебігу хімічних реакцій у технологічних процесах;

• здійснювати та контролювати електрохімічні процеси на виробництві;

• здійснювати підбір, експлуатацію та постійне оновлення виробничих матеріалів на основі знань про будову, функціональні й визначальні експлуатаційні властивості сучасних матеріалів;

• користуватися довідниковою літературою.

Посібник розроблено для студентів першого курсу технічних спеціальностей вищих навчальних закладів. Він містить стислий виклад теорії із загальної хімії, лабораторні роботи, завдання для самоконтролю, тестові завдання для модульних контрольних робіт, тест-тренінг для підготовки до екзамену.

Посібник призначено для студентів вищих навчальних закладів освітньо-кваліфікаційного рівня „бакалавр” галузей знань: 0505 „машинобудування та матеріалообробка”; 0510 „метрологія, вимірювальна техніка та інформаційно-вимірювальні технології”.

Як користуватися навчальним посібником

Шановний читач! Ви тримаєте навчальний посібник із дисципліни „Хімія”. Ураховуючи особливості дисципліни й структуру побудови цього посібника, рекомендуємо такий порядок роботи з ним.

Після ознайомлення у вступі з метою та завданнями навчальної дисципліни „Хімія” слід звернутися до тематичного плану. Структурно дисципліна складається з п’яти змістових модулів. Кожний модуль навчального посібника містить розділи, у яких наведено теоретичний матеріал, умови та розв’язання типових задач і вправ, завдання для самоконтролю, лабораторні роботи, завдання для модульної контрольної роботи. Такий підхід до побудови навчального посібника забезпечує послідовне та цілісне сприйняття викладеного в ньому матеріалу. 

Посібник містить лабораторні роботи, тому наведено правила роботи в хімічній лабораторії та перша допомога при нещасних випадках. У лабораторних роботах наведено мета, перелік основних матеріалів, реактивів і обладнання, докладний опис виконання роботи, розрахунків. Після виконання лабораторної роботи студент повинен зробити висновок на основі своїх спостережень та розрахунків.

Наведені завдання для самоконтролю дають змогу контролювати рівень засвоєння матеріалу й підготуватися до модульних контрольних робіт. Після кожного модуля наведено тестові завдання для модульних контрольних робіт, які розподілено за 12 варіантами. Тестові завдання складено за формою закритого типу із множинним вибором, де із чотирьох відповідей тільки одна правильна.

Наприкінці посібника наведено навчальні тести за повним курсом дисципліни „Хімія” і відповіді до них, що допоможе студентам якісно підготуватися до екзамену.

Матеріал розділів рекомендуємо вивчати в такій послідовності, у якій їх викладено в навчальному посібнику.

Модуль 1 „Основні поняття хімії та вчення про будову речовини” охоплює загальнотеоретичний матеріал, ознайомлення з яким створює базу для подальшого засвоєння дисципліни. Модуль містить наступні розділи: „Класи неорганічних сполук”, „Основні закони хімії”, „Будова атома”, „Періодичний закон і періодична система елементів Д.І. Менделєєва”, „Хімічний зв’язок і будова молекул” і „Кристалічний стан речовин і типи кристалічних ґраток”.

Модуль 2 „Закономірності перебігу хімічних процесів” містить матеріал, знання якого дозволяє визначати енергетичні ефекти реакцій, можливість, напрямок, швидкість та вплив на неї різних чинників і межу перебігу реакцій.

Модуль 3 „Розчини” містить фізико-хімічні властивості розчинів неелектролітів і електролітів, загальну характеристику розчинів, а саме, теорію електролітичної дисоціації, гідроліз солей, добуток розчинності малорозчинних речовин, йонний добуток води, твердість води та способи її усунення.

Модуль 4 „Окисно-відновні реакції та електрохімічні процеси” містить матеріал, що дозволяє сформувати уявлення про електрохімічні системи, процеси, що в них протікають, і їх характеристики. Він включає розділи: „Окисно-відновні реакції”, „Електрохімічні процеси”, „Електроліз”, „Корозія металів. Методи захисту від корозії”.

Модуль 5 „Конструкційні матеріали” охоплює матеріал, що містить властивості конструкційних матеріалів та їх залежність від різних чинників. Знання цих залежностей необхідні сучасному інженеру, тому що продукція машинобудування експлуатується в умовах широкого діапазону температур, тиску, а іноді в сильно агресивних середовищах.

Матеріал 4 і 5 модулів дуже важливий для студентів факультету машинобудування, бо має професійну спрямованість.

Наприкінці посібника наведено список використаної та рекомендованої літератури, потрібної для поглибленого вивчення розглянутих питань.