Учебное пособие 800215

Домашние задания

Задание 6.7. Имеется водный раствор нитратов меди, никеля, серебра. Укажите последовательность процессов на катоде. Ответ объясните.

Задание 6.8. В какой последовательности будут окисляться на аноде ионы серы, брома, йода при электролизе расплава смеси солей? Ответ объясните

Задание 6.9. Наишите уравнения электродных процессов при электролизе водного раствора AgNO3 (анод инертный).

6.5.КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Теоретические вопросы

1.Понятие об электродных потенциалах. Зависимость электродных потенциалов от природы электродов и концентрации растворов.

2.Ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений) как характеристика электрохимической активности металлов.

3.Гальванический элемент – химический источник электрического тока.

4.Какой процесс называется коррозией? Химический и электрохимический механизм.

5.Основные методы защиты металлов от коррозии. Суть действия каждого из них.

6.Процессы, происходящие при нарушении катодных и анодных покрытий (на конкретных примерах).

7.Катодная и протекторная защита металлов. В чем сходство и различие?

8.Сущность электролиза. Последовательность восстановления катионов на катоде и последовательность окисления анионов на аноде.

Задачи и упражнения

1.Пластины из хрома (Cr) погружены в растворы хлорида алюминия, разбавленной серной кислоты, хлорида железа(II). Укажите, в каком случае будет происходить реакция, напишите уравнения реакций.

2.Составьте схему, напишите уравнения электродных реакций, вычислите стандартную ЭДС железо-оловянного (Fe-Sn) гальванического элемента.

3.По какому механизму протекает коррозия никеля в газообразном фторе? Напишите молекулярное и электронные уравнения реакций.

4.Цинковая пластина с примесью кобальта (Со) находится в воде, содержащей кислород. По какому механизму протекает коррозия? Напишите уравнения происходящих процессов.

5.Почему медная пластина не может быть использована в качестве протектора для защиты железа от электрохимической коррозии? Ответ поясните, приведя уравнения электродных процессов.

6.Конструкция из стали (железо), покрытая кадмием (Cd), находится в водном растворе электролита, содержащего кислород. Будет ли кадмий защи-

81

щать железо от коррозии, если покрытие нарушено? Ответ подтвердите уравнениями электродных процессов.

7.В какой последовательности будут окисляться на аноде ионы фтора F, брома Br, йода I при электролизе раствора смеси солей? Ответ объясните .

8.В какой последовательности восстанавливаются катионы на катоде катионы Mg, олова Sn и калия K при электролизе расплава смеси cолей? Ответ поясните.

9.Напишите уравнения электродных процессов, которые происходят при электролизе раствора йодида цинка ZnI2 (анод нерастворимый).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение основных тем курса «Химия» формирует у выпускников подготовительного отделения навыки учебно-научной речи на русском языке через усвоение химической терминологии, а также причинно-следственных связей между химическими явлениями.

Успешное овладение учебным материалом даёт возможность выпускнику продолжить обучение в вузе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

3.Кузьменко, Н. Е. Начала химии. Современный курс для поступающих

ввузы. – М. : 1-ая Федеративная книготорговая компания, 2001. – 717 с.

Приложение 1

ТВОРЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ СЛУШАТЕЛЮ

Задание предполагает проверку уровня владения слушателем изучаемого материала и выполняется как внеаудиторная самостоятельная работа в три этапа.

1-й этап. По окончании изучения определённой темы или пункта обучаемому слушателю предлагается самостоятельно составить упражнение или предложить теоретический вопрос на данную тему. Здесь предполагается свобода выбора. Как вариант, можно посоветовать типовые примеры и упражнения, но с иными данными.

2-й этап. Упражнение выполняет преподаватель, который преднамеренно вносит некоторые ошибки. Слушатель проверяет, как преподаватель выполнил упражнение, исправляет допущенные ошибки. Хорошо, если суть ошибки разъясняется.

3-й этап. Преподаватель пишет заключение, в котором оценивает корректность и сложность составленного упражнения, полноту замеченных ошибок, их объяснение.

82

Для выполнения задания слушателю выдаётся специальный бланк.

Фамилия и Имя слушателя _________________ , группа ____

Тема: _______________________

Условие задания (составляет слушатель)

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Выполнение задания (делает преподаватель) и проверка правильности выполнения (делает слушатель)

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

________________________________________________________________

Оценка преподавателем творческого задания

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

_________________________________________________________________

Приложение 2

ТЕКСТЫ И ЗАДАНИЯ К ЗАЧЁТУ

По окончании обучения слушателя подготовительного отделения по химии предусмотрен зачёт.

В качестве зачётного задания целесообразно предложить выпускнику подготовительного отделения выполнить анализ текста на определённую химическую тему. Задание выполняется в аудитории при условии использования собственных конспектов выпускника, учебного пособия, рекомендуемой учебной литературы (но не интернет-ресурсов).

При выполнении задания выпускник должен показать свои возможности продолжать обучение в университете на русском языке:

а) понимать на слух основное содержание текста, что должно проявиться в правильных ответах на вопросы преподавателя по тексту;

б) понимать содержание, отдельные факты, положения, причинноследственные связи между ними;

в) на основании напечатанного текста уметь провести его анализ и составить конспект.

83

Этапы выполнения задания

1.Преподаватель знакомит слушателя с выбранным текстом, медленно читая его.

2.Слушатель читает предложенный текст «про себя», а затем вслух.

3.Текст откладывается и проводится диалог между преподавателем и слушателем. На данном этапе проверяется степень усвоения материала и умение его излагать.

4.Слушатель составляет два-три письменных упражнения по тексту и приводит на них ответы. Могут быть использованы примеры и упражнения, выполненные в процессе изучения данного материала. Задание аналогично творческим заданиям.

5.Слушатель составляет конспект учебного материала, изложенного в тексте, который преподаватель проверяет.

Пример текста

КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА

Состояние электрона в атоме полностью характеризуется набором четырех квантовых чисел.

Главное квантовое число (n) определяет основной запас энергии электрона и размер атомной орбитали (АО). Главное квантовое число может принимать значения 1,2,3,4…, ∞.

Орбитали с одинаковым значением n составляют в атоме определенный энергетический уровень. Номер уровня совпадает со значением главного квантового числа.

Орбитальное квантовое число (l) определяет тип и форму АО, а в многоэлектронных атомах − также и энергию электрона на атомной орбитали (подуровне). Орбитальное квантовое число принимает значения от 0 до (n-1), например, если n=3, то орбитальное квантовое число может принять значения:

l = 0 (s-орбиталь); l = 0 (p-орбиталь); l = 0 (d-орбиталь).

Число значений орбитального квантового числа совпадает со значением n. Таким образом, значения орбитального квантового числа зависят от значения главного квантового числа.

Магнитное квантовое число (ml) характеризует ориентацию АО в про-

Спиновое квантовое число (ms) характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг собственной оси. ms может принимать только два значения: + ½ и − ½. Если на орбитали находится один электрон, то он называется непарным, если два – то это парные электроны, они должны иметь противоположные спины.

84

Продолжение табл. П.2

Что понимают под энергетичеАтомные орбитали с одинаковым знаским уровнем? чением n составляют в атоме опреде-

ленный энергетический уровень.

Какие электроны называются парЕсли на атомной орбитали находится ными, а какие – непарными? один электрон, то он называется непарным, если два – то это парные электро-

ны.

Упражнения по тексту (письменно)

Упражнение 1. Объясните, какие значения может принять магнитное квантовое число для атомной орбитали 2р?

Ответ. Значения магнитного квантового числа зависят от значения орбитального квантового числа l. Для р-орбитали l = 1, а поскольку магнитное квантовое число принимает значения − l …, 0,…,+ l, в данном случае: −1, 0, +1.

Упражнение 2. Объясните, сколько и каких атомных орбиталей может быть на втором энергетическом уровне.

Ответ. Номер энергетического уровня совпадает со значением главного квантового числа, следовательно, n = 2 . Если n = 2, то l = 0 (s-орбиталь) и l = 1 (p-орбиталь).

Число АО определённого типа на одном энергетическом уровне определяется значениями магнитного квантового числа.

Если l = 0 , то ml = 0 (одно значение), будет одна s-орбиталь; если l = 1, то ml = −1, 0, +1 ( три значения), будет три р-орбитали.

Таким образом, на втором энергетическом уровне одна s-орбиталь и три р-орбитали.

Пример конспект текста, который составляет письменно слушатель

Четыре квантовых числа характеризуют состояние электрона в атоме. Они называются: главное, орбитальное, магнитное, спиновое. Главное квантовое число характеризует полную энергию электрона. Орбитальное квантовое число характеризует тип и форму АО. Магнитное квантовое число характеризует ориентацию АО. Спиновое квантовое число характеризует собственный механический момент электрона.

Квантовые числа могут принимать значения:

n = 1, 2, 3, …;

l принимает значения от 0 до (n-1); ml принимает значения − l…, 0,…,+ l;

ms = + ½и − ½.

86

ТЕКСТЫ

1. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ

Периодический закон Д.И. Менделеева: свойства элементов и их соеди-

нений находятся в периодической зависимости от заряда ядра.

Периодическая система элементов содержит семь периодов, восемь групп. Место элемента в периодической системе соответствует электронной структуре атома.

Периодом называется последовательный ряд элементов, размещённых в порядке возрастания заряда ядра атомов. Свойства элементов в периоде изменяются от металла через неметалл до инертного газа.

Строение внешней электронной оболочки атомов в периоде изменяется от ns1 до ns2np6 (или ns2 у первого периода). Значение n совпадает с номером периода и с максимальным значением главного квантового числа в электронной структуре атома.

Группы делятся на главные (А) и побочные (В) подгруппы. В одних и тех же подгруппах расположены элементы, имеющие аналогичное строение внешних электронных оболочек (элементы-аналоги).

Энергия ионизации (Еион.) − это энергия, которую необходимо сообщить одному молю атомов, чтобы превратить их в один моль положительно заря-

женных ионов.

Энергия ионизации характеризует восстановительные, металлические свойства элементов. В периодах по мере увеличения заряда ядра Е ион. чаще всего несколько возрастает, а в главных подгруппах с увеличением радиусов атомов, то есть сверху вниз, убывает.

Сродство к электрону (Еср.) – это энергия, которая чаще всего выделя- ется при превращении одного моля нейтральных атомов в один моль отрица-

тельно заряженных ионов.

Сродство к электрону характеризует окислительную активность неметаллов. Сродство к электрону в периоде с ростом заряда ядра возрастает, а в главных подгруппах с ростом заряда ядра уменьшается.

Электроотрицательность (ЭО) характеризует способность атомов

притягивать к себе электронное облако при образовании химической связи.

Такой наибольшей способностью обладает фтор, его относительная электроотрицательность принята равной 4,0. Элементы, расположенные в главных подгруппах левее и ниже фтора, обладают меньшей электроотрицательностью. Чем выше ЭО элемента, тем сильнее выражены его неметаллические свойства.

С ростом заряда ядра периодически меняется электронное строение атомов, поэтому периодически меняются различные характеристики атомов, например, размеры атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ ПРОСТЫХ МОЛЕКУЛ

Химическая связь возникает при взаимодействии электронных оболочек атомов, в результате которого образуются молекулы, кристаллы, комплексы и

87

тому подобное. Различают три основных вида химической связи: ковалентная,

ионная, металлическая.

Химическая связь возникает только в том случае, если при сближении взаимодействующих частиц полная энергия системы понижается. Таким обра-

зом, при образовании химической связи всегда выделяется энергия.

Ковалентная связь. Метод валентных связей (ВС): при образовании молекулы сближаются атомы, имеющие на АО непарные электроны с противоположными значениями ms= +½ или ms= −½. На определённом расстоянии АО образуют общую пару электронов, общую молекулярную орбиталь (МО). В пространстве между ядрами электронная плотность увеличивается вследствие того, что электронные облака перекрываются.

Если электронное облако, образованное общей электронной парой, рас-

пределено (расположено) симметрично относительно ядер атомов и принад-

лежит им в равной степени, то такая связь называется ковалентной неполярной.

Например, Н2, Сl2, F2, N2, О2 и т.д.

В молекулах, атомы которых различаются по электроотрицательности, общая электронная пара смещена с атому с большей электроотрицательностью. Такая ковалентная связь называется ковалентной полярной. Чем больше разница ЭО, тем более полярна связь.

Ионная связь. При очень большой разности ЭО у взаимодействующих атомов электронное облако химической связи максимально смещается в сторону атома с большей ЭО. Электрон почти полностью переходит от одного атома к другому, в результате чего атомы превращаются в ионы. Ковалентная связь становится ионной.

Ионная связь – результат электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Ионная связь является предельным случаем ковалентной полярной связи.

Ионная связь возникает за счет перехода валентного электрона с атомной орбитали типичного металла на атомную орбиталь типичного неметалла. При этом атом типичного металла превращается в положительно заряженный ион, а атом неметалла приобретает отрицательный заряд (отрицательно заряженный ион).

3. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ

Химия – это наука о веществах и их превращениях. Превращения веществ записываются в виде химических реакций (химических процессов). Например:

Скорость химической реакции зависит от следующих факторов: природы реагирующих веществ; температуры; концентрации реагирующих веществ; присутствия катализатора.

88

Влияние концентрации реагирующих веществ. Скорость химической ре-

акции увеличивается, если увеличивается концентрация веществ, следовательно, скорость реакции пропорциональна произведению концентраций веществ:

υ= k ×caA ×c bB ,

где k – константа скорости реакции;

сaA , cbB – концентрации реагирующих веществ, которые возводятся в сте-

пень, равную их коэффициентам в уравнении реакции.

Данное уравнение называется кинетическим уравнением реакции.

Влияние температуры. Скорость химических реакций с повышением температуры увеличивается.

По правилу Вант-Гоффа при изменении температуры на каждые 10 ° С скорость химической реакции изменяется в 2 ÷ 4 раза.

Обратимые химические реакции могут идти как в прямом, так и в обратном направлении. Химическое равновесие наступает тогда, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. В состоянии равновесия устанавливаются равновесные концентрации всех реагирующих веществ, которые записываются в квадратных скобках:

kпрямой реакции [A]а [B]b = kобратной реакции [D]d [E] e.

Смещение химического равновесия происходит в результате воздействия внешних факторов: температуры, давления, концентрации веществ. Равновесие − это устойчивое состояние, поэтому равновесная система противодействует внешнему воздействию. Принцип Ле Шателье: если система находится в со-

стоянии устойчивого химического равновесия, то при воздействии внешних

факторов она стремится уменьшить внешнее воздействие.

Влияние концентрации. Если внешним воздействием увеличить концентрации исходных веществ, то увеличится скорость прямой реакции и химическое равновесие сместится вправо. При увеличении концентрации продуктов реакции равновесие смещается в сторону образования исходных веществ.

Влияние температуры. Если в окружающей среде повышается температура, то равновесная система отвечает противодействием – равновесие смещается в сторону эндотермического процесса. Чтобы сместить равновесие в сторону экзотермической реакции, в окружающей среде температуру нужно понизить.

Влияние давления. Если сумма коэффициентов у газообразных исходных веществ больше, чем у продуктов реакции, то для смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции внешнее давление нужно увеличить. Если внешнее давление уменьшить, то увеличится скорость того процесса, где образуется большее число моль газообразных веществ.

4. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Оксиды, гидроксиды, соли – это основные классы неорганических соединений.

89

Оксиды состоят из двух элементов, один из которых − кислород. Название оксида складывается из слова «оксид» и названия элемента, который образовал оксид. Оксиды могут быть оснó вными, амфотерными и кислотными.

Основными называются оксиды, которым соответствуют основные гидроксиды (основания). Основные оксиды образуют металлы со степенью окисления +1 или +2 (кроме Be и Zn и некоторых других).

Кислотными называются оксиды, которым соответствуют кислотные гидроксиды (кислоты). Кислотные оксиды образуют все неметаллы и металлы со степенью окисления +4, +5, +6, +7.

Афотерными называются оксиды, которые в зависимости от условий проявляют основные или кислотные свойства, т.е. обладают двойственным характером. К ним относятся оксиды металлов со степенью окисления +3 или +4, а также оксиды бериллия и цинка и некоторых других.

Молекулы основных гидроксидов (оснований) состоят из атома металла и одной или нескольких групп ОН, например: NaOH, Ca(OH)2, Ni(OH)2.

Общая формула оснований: Меn+(ОН)n─,

где n – число гидроксидных групп − ОН, равное степени окисления (заряду) иона металла Меn+.

Молекулы кислотных гидроксидов (кислот) состоят из атомов водорода и кислотного остатка, например: HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4.

Общая формула кислот: Нn+An─,

где А − кислотный остаток, n − число атомов водорода, равное величине заряда кислотного остатка.

Амфотерные гидроксиды проявляют свойства как кислот, так и

оснований. Формулы амфотерных гидроксидов можно записать как в кислотной: H2ZnO2 (цинковая кислота), так и в основной формах: Zn(OH)2 (основание: гидроксид цинка).

Название основных и амфотерных гидроксидов складывается из слова «гидроксид» и названия элемента, который образовал гидроксид. Названия кислот складываются из слова «кислота» и прилагательного, корнем которого является название соответствующего элемента на русском языке.

Соли − сложные вещества, состоящие из кислотного и основного остатков. Названия средних солей складываются из названия кислотного остатка и названия металла (остатка основания). Например: MgSO4 − сульфат магния; Ni(NO3)2 − нитрат никеля; Fe2(SO4)3 − сульфат железа (III).

Оксиды и гидроксиды разной химической природы могут взаимодействовать между собой (принцип кислотно-основного взаимодействия). В результате реакции образуется соль. С водой взаимодействуют те оксиды, которым соответствуют растворимые основания (щёлочи) и растворимые кислоты.

5. РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Электролиты способны под действием полярных молекул растворителя распадаться (диссоциировать) на ионы − заряженные частицы. К электроли-

там относятся кислоты, основания, соли.

90