ФГБОУ ВО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНЗДРАВА РОССИИ
Е. Ю. ЕРМИШИНА, Н. А. БЕЛОКОНОВА
ОБЩАЯ ХИМИЯ
с элементами коллоидной химии
Учебное пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве оценочных средств для проведения промежуточной аттестации при реализации образовательных программ высшего образования – программ специалитета в области образования "Здравоохранение и медицинские науки"
Екатеринбург
2018
УДК 54 (075.8)
ББК 24я 73
0-64
Ермишина Е. Ю., Белоконова Н.А.
Общая химия с элементами коллоидной химии // Учебное пособие. Екатеринбург: УГМУ, 2018, 340 с.
Учебное пособие по дисциплине Химия предназначено для студентов, обучающихся по основным образовательным программам высшего образования – программам специалитета области образования Здравоохранение и медицинские науки.
Настоящее пособие содержит основные разделы общей химии, изложенные в соответствии с требованиями федеральных государственных стандартов высшего образования по специальностям области образования Здравоохранение и медицинские науки. К каждой теме прилагаются примеры тестовых заданий, разбитые на разделы в соответствии с порядком изложения темы и решения с эталонами ответов, расположенные в конце учебного пособия. Тестовые задания для самоконтроля усвоения знаний студентами по всем темам помещены в отдельном разделе в конце пособия. В приложении
представлен обширный справочный материал. |
|
|||
Пособие |
способствует |
усилению роли |
учащегося в |
|
собственном |
образовании, |
а |
также |
организации |
самостоятельной работы студентов |
по подготовке к занятиям с |
|||
учетом компетентностного подхода.
УДК 54 (075.8)
ББК 24я 73
Рецензент – профессор, д.х.н. Тхай В.Д.
2
Содержание |
|
ТЕМА I. ВИДЫ КОНЦЕНТРАЦИЙ. ЗАКОН |
|
ЭКВИВАЛЕНТОВ................................................................................. |
7 |
1.1. Моль. Молярная масса. Моль эквивалент. Молярная масса |
|
эквивалента. Расчет молярной массы эквивалента для атома и |
|
вещества. Фактор эквивалентности.................................................... |
7 |
1.2. Растворы. Способы выражения концентрации растворов........ |
10 |
1.3. Закон эквивалентов .................................................................... |
12 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ I. ................................................. |
14 |
ТЕМА II. ТЕРМОДИНАМИКА......................................................... |
17 |
2.1. Основные понятия и определения ............................................. |
17 |
2.2. Первое начало термодинамики.................................................. |
20 |
2.3. Закон Гесса. Следствия из него ................................................. |
26 |
2.4. Второе начало термодинамики. Энтропия ................................ |
29 |
2.5. Энергия Гиббса и направление химических реакций ............... |
34 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ II. ................................................ |
39 |
ТЕМА III. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ |
|
РАВНОВЕСИЕ .................................................................................... |
44 |
3.1. Химическая кинетика. Скорость химической реакции и |
|
факторы, на нее влияющие............................................................... |
44 |
3.2. Химическое равновесие ............................................................. |
49 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ III. ............................................... |
52 |
ТЕМА IV. РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. ИОННЫЕ |
|
РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ. ПОВЕДЕНИЕ СЛАБЫХ |
|
ЭЛЕКТРОЛИТОВ. ЗАКОН РАЗБАВЛЕНИЯ ОСТВАЛЬДА. |
|
ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ ................................................ |
55 |
4.1. Понятие об электролитах и неэлектролитах. |
|
Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации, |
|
константа ионизации. Закон разбавления Оствальда....................... |
55 |
4.2. Ионизация воды. Ионное произведение воды. |
|
Водородный и гидроксильный показатели (рН и рОН) ................... |
60 |
4.3. Сильные электролиты. Активность ионов ................................ |
63 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ IV................................................ |
66 |
3
ТЕМА V. БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ.................................................. |
70 |
5.1. Основные понятия и определения ............................................. |
70 |
5.2. Расчет рН буферных систем I типа............................................ |
72 |
5.3. Расчет рН и рОН буферных систем II типа ............................... |
72 |
5.4. Механизм буферного действия.................................................. |
72 |
5.5. Расчет буферной емкости .......................................................... |
77 |
5.6. Оценка буферной емкости и буферное отношение. |
|
Факторы, определяющие емкость буфера........................................ |
78 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ V. .............................................. 79 |
|
ТЕМА VI. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
РАСТВОРОВ........................................................................................ |
87 |
6.1. Осмотические свойства растворов ............................................ |
87 |
6.2. Закон Рауля и следствия из него. Криоскопия. |
|
Эбулиоскопия ................................................................................... |
93 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ VI................................................ |
95 |
ТЕМА VII. ПРОИЗВЕДЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ (ПР) ............ |
100 |
7.1. Понятие о произведении растворимости................................. |
100 |
7.2. Насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные растворы |
|
с точки зрения теории произведения растворимости ................... |
101 |
7.3. Практическое применение ПР. Растворимость веществ ......... |
103 |
7.4. Условия растворения осадков.................................................. |
103 |
7.5. Совмещенные равновесия и конкурирующие процессы |
|
разных типов................................................................................... |
104 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ VII. .......................................... 114 |
|
ТЕМА VIII. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ.... |
117 |
8.1. Поверхностное натяжение: физический смысл, |
|
факторы, от которых зависит σ ...................................................... |
118 |
8.2. Адсорбция на поверхности жидкости. Правило |
|
Дюкло-Траубе................................................................................. |
120 |
8.3. Адсорбция на твердых сорбентах............................................ |
123 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ VIII. .......................................... |
130 |
4
ТЕМА IX. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ......................................... |
134 |
9.1. Классификация дисперсных систем ........................................ |
134 |
9.2. Методы получения лиофобных коллоидов ............................. |
142 |
9.3. Строение коллоидной мицеллы ............................................... |
143 |
9.4. Двойной электрический слой и электрокинетические |
|
явления............................................................................................ |
147 |
9.5. Коагуляция лиофобных коллоидов ......................................... |
148 |
9.6. Стабилизация золей. Коллоидная защита. |
|
Очистка золей. Гели ....................................................................... |
151 |
ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ К ТЕМЕ IX. ........................ |
157 |
Тема Х. КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.................................. |
167 |
10.1. Понятие о комплексных соединениях. |
|
Строение комплексных соединений............................................... |
167 |
10.2. Классификация и номенклатура комплексных |
|
соединений...................................................................................... |
170 |
10.3. Поведение комплексных соединений в растворе .................. |
173 |
ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ К ТЕМЕ Х........................... |
175 |
ТЕМА XI. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ |
|
ПРОЦЕССЫ ...................................................................................... |
179 |
11.1. Степень окисления ................................................................. |
179 |
11.2. Основные положения теории окислительно- |
|
восстановительных реакций (ОВР) ................................................ |
181 |
11.3. Типы окислительно-восстановительных реакций ................. |
182 |
11.4. Методы составления ОВР ...................................................... |
184 |
11.5. Расчет молярной массы эквивалента окислителя и |
|
восстановителя ............................................................................... |
192 |
11.6. Стандартные электродные потенциалы. Направление |
|
протекания окислительно-восстановительных реакций ............... |
193 |
ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ К ТЕМЕ XI. ........................ |
195 |
ОТВЕТЫ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ ......................................... |
200 |
ТЕМА I. .............................................................................................. |
200 |
5
ТЕМА II.............................................................................................. |
208 |
ТЕМА III. ........................................................................................... |
215 |
ТЕМА IV............................................................................................. |
219 |
ТЕМА V. ............................................................................................. |
233 |
ТЕМА VI............................................................................................. |
241 |
ТЕМА VII. .......................................................................................... |
247 |
ТЕМА VIII. ........................................................................................ |
262 |
ТЕМА IX............................................................................................. |
271 |
ТЕМА Х. ............................................................................................. |
279 |
ТЕМА XI............................................................................................. |
286 |
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ |
|
ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ.................................................................... |
301 |
ОТВЕТЫ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ ДЛЯ |
|
САМОКОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ................................. |
325 |
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................ |
326 |
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ............................................. |
350 |
6
ТЕМА I. ВИДЫ КОНЦЕНТРАЦИЙ. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ
1.1. Моль. Молярная масса. Моль эквивалент. Молярная масса эквивалента. Расчет молярной массы эквивалента для атома и вещества.
Фактор эквивалентности
Масса вещества m измеряется в г (кг)
моль, ν (ню),– это единица количества вещества, которая содержит столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов), сколько атомов в 12 г изотопа углерода-12, т.е. 6,02.1023.
Количество вещества можно вычислить по формуле:
ν = m/M.
Молярная масса (М, г/моль) – это масса одного моля вещества.
Из закона постоянства состава следует, что элементы соединяются друг с другом в строго определенных количественных соотношениях. Поэтому в химию были введены понятия моль эквивалент и молярная масса эквивалента: моль эквивалент, νЭ (ню с индексом э) - это такое количество элемента или вещества, которое взаимодействует без остатка с 1 моль атомов водорода или замещает такое же количество атомов водорода в химических реакциях.
Молярная масса эквивалента вещества (Х) (МЭ, г/моль экв) - это масса одного моль эквивалента вещества. Число моль эквивалентов можно вычислить по формуле: νЭ = m/ МЭ
Молярная масса эквивалента вещества Х:
Э |
=М( |
1 |
X)= |
1 |
M(X) |
М |
z |
z |
|||
|
|
|
|
1 z
- фактор эквивалентности, величина, показывающая какая
доля реальной частицы вещества, соответствует одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.
Молярная масса эквивалента кислоты рассчитывается как молярная масса кислоты, деленная на основность - число
7
атомов водорода в молекуле кислоты, способных замещаться на
металл или ион NH4+ с образованием соли:
М |
Э |
= |
1 |
М(кислоты) |
|
|
|||||
кислоты |
z |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
Например, для одноосновных кислот, соляной НСl, азотной НNО3, уксусной СН3СООН и т.д. молярная масса эквивалента будет равна их молярной массе (т.к. z =1):
МЭНСl = 36,5/1 = 36,5 г/моль экв;
Э |
|
М |
СООН |
СН |
|
3 |
|
60 /1 60 г/моль экв
;
М |
Э |
63 /1 |
63 г/моль экв. |
HNO |
|||
|
3 |
|
|
Для двухосновных кислот, сернистой Н2SО3, серной Н2SО4, угольной Н2СО3, сероводородной H2S и т.д. молярная масса эквивалента равна их молярной массе, деленной на 2
(z=2):
Э |
|
|
= 82/2 = 41 г/моль экв; |
МH |
SO |
||
|
2 |
|
3 |
Э |
|
|
= 98/2 = 49 г/моль экв; |
МH |
SO |
||
|
2 |
|
4 |
МЭH |
|
СO |
= 62/2 = 31 г/моль экв; |
|
2 |
|
3 |
Э |
|
S = 34/2 = 16 г/моль экв |
|
МH |
|||
|
2 |
|
|
Для трехосновной фосфорной кислоты Н3РО4 молярная масса эквивалента равна молярной массе, деленной на 3 (т.к z = 3):
МЭH3РO4 = 98/3 = 32,7г/моль экв.
Молярная масса эквивалента основания
рассчитывается как молярная масса основания, деленная на кислотность - число групп ОН в основании, способных замещаться на кислотный остаток:
МЭоснования = 1z М(основания)
Например, для однокислотных оснований гидроксида натрия NаОН, гидроксида калия КОН и т.д. молярная масса эквивалента равна его молярной массе (т.к. z = 1):
МЭNаОН = 40/1 = 40 г/моль экв;
8
МЭКОН = 56/1 = 56 г/моль экв.
Для двухкислотных оснований гидроксида кальция Са(ОН)2, гидроксида бария Ва(ОН)2 и т.д. молярная масса эквивалента равна его молярной массе, деленной на 2 (z = 2):
М М
Э Са (ОН)2
Э Ва(ОН)2
=74/2 = 37 г/моль экв;
=171/2 = 85,5 г/моль экв.
Молярная масса эквивалента соли рассчитывается как молярная масса соли, деленная на число катионов, умноженное
на заряд катиона:
М |
Э |
= |
1 |
М |
|
|
|
|
|||||
соли |
z |
(соли) |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Например, молярная масса эквивалента карбоната калия равна его молярной массе, деленной на 2 (число катионов), умноженное на 1 (заряд катиона) (т.к. z = 2.1 = 2):
МЭК2СО3 = 138/2∙1 = 69 г/моль экв.
Молярная масса эквивалента оксида рассчитывается как молярная масса оксида, деленная на число атомов кислорода, умноженное на 2 (валентность атома кислорода):
Мэоксида= |
1 |
Моксида |
|
z |
|||
|
|
Например, молярные массы эквивалента оксидов фосфора Р2О3 и Р2О5 соответственно равны:
Мэ Р2О3= 110/(3 ∙ 2) = 18,3 г/моль экв Мэ Р2О5= 142/(5 ∙ 2) =14,2 г/моль экв
Молярные массы эквивалента химических соединений могут иметь переменные значения в зависимости от характера превращения в реакциях. Тот факт, что одно и то же вещество может иметь различный фактор эквивалентности в различных реакциях, особенно наглядно можно видеть на примере взаимодействия многоосновных кислот с основаниями. Например, возьмем взаимодействие фосфорной кислоты с гидроксидом калия. При этом может образовываться либо средняя соль, либо кислые соли. При этом фактор эквивалентности фосфорной кислоты имеет различные значения.
Н3РО4 + 3КОН→К3РО4 + 3Н2О
9
, т.к. одной молекуле кислоты в данной
кислотно-основной реакции соответствует 3 иона водорода. Н3РО4 + 2КОН→К2НРО4 + 2Н2О
, т.к. одной молекуле кислоты в данной
кислотно-основной реакции соответствует 2 иона водорода. Н3РО4 + КОН→КН2РО4 + Н2О
, т.к. одной молекуле кислоты в данной кислотно-основной реакции соответствует 1 ион водорода.
1.2. Растворы. Способы выражения концентрации растворов
Раствор − это гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов. Обязательными компонентами раствора (р-ра) являются растворитель (р-ль) и растворенное вещество (р.в.)
Важнейшей характеристикой раствора является концентрация, т.е. относительное содержание каждого из компонентов раствора. Существуют следующие наиболее часто употребляемые способы выражения концентрации раствора: массовая доля, молярная (молярность), молярная концентрация эквивалента (нормальность), моляльная (моляльность), титр и мольная доля. Каждый способ выражения концентрации имеет свои преимущества для определенных целей. Все способы выражения растворов представлены в таблице.
10
Вид |
концентрации |
|
|
Массовая доля |
|
Молярная |
концентрация (молярность) |
|
концентрация |
(нормальность) |
|
Молярная |
эквивалента |
|
Титр
Обозначение
ω
С
Сэ
Т
Виды концентраций
Опреде- |
Формула |
|
ление |
||
|
||
|
|
Это масса |
|
m |
р.в. |
100% |
|
|
|||||
|
|
||||
р.в. в 100 г |
m |
|
|||
|
|
|
|||
р-ра |
|
р-ра |
|
||
mp-pa = mр.в.+ mр-ля |
|||||
|
|||||
|
С |
|
|
|
|
|
|
||
Это число |
V |
|
(л) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
моль р.в. в |
|
|
|
р-ра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
1 л р-ра |
С |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
M V |
|
(л) |
||||
|
|
|
|
|
|
р-ра |
|
|
|
Это число |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
Э |
|
|
|
моль |
Э |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
V |
|
|
(л) |
|
||
эквивалент |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
р-ра |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
ов р.в. в 1л |
С |
Э |
|
|
|
|
m |
|
|
р-ра |
|
M |
Э |
V |
|
(л) |
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р-ра |
|
|
Это масса |
Т |
m |
|
р.в. в 1мл |
|
|
|
V |
|
(мл) |
|
|
|
||
р-ра |
р-ра |
|
|
|
|
|
|
Ед. масс. % измерения
моль/л
моль экв/л
г/мл
Примечания
ω % -
показывает сколько г р.в. содержится в 100 г р-ра
Обозначаетс я М: 0,1М НCl, т.е. С = 0,1 моль/л
Обозначаетс я н: 1н НCl,
т.е.
СЭ = 1 моль экв/л
Титр - это очень маленькая величина. Т порядка
0,01-0,001
г/мл
11