Основы общей и физической химии

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома P во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять фосфор в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность фосфора.

4.Какую геометрию имеет молекула AlF3? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Каков тип гибридизации атома алюминия? Нарисуйте пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: NaCl,CuCl,AgCl,AuCl. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях.

Индивидуальное задание «Химическая связь» ВАРИАНТ №26

1.Изобразите структурные формулы следующих соединений и укажите валентность и степень окисления каждого элемента в этих веществах: SiO2, H3PO4, CO2, F2, MgCl2. Укажите тип химической связи для каждого соединения.

2.Определите тип кристаллической решетки для следующих соединений: AlCl3, P4, CrCl3, Zn, H2O. Какими физическими свойствами (прочность связи, температура плавления, механические свойства, электропроводность) обладают данные соединения и почему?

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома Br во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять бром в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность брома.

4.Какую геометрию имеет молекула I2? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Нарисуйте пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: SnCl4, SbCl3, TeCl2, InCl3. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях.

Индивидуальное задание «Химическая связь» ВАРИАНТ №27

1.Изобразите структурные формулы следующих соединений и укажите валентность и степень окисления каждого элемента в этих веществах: Ga(NO3)3, K3PO4, SO3, HI, Cl2. Укажите тип химической связи для каждого соединения.

2.Определите тип кристаллической решетки для следующих соединений: Ag, Li(NO3)3, CO2, Au, CaCO3. Какими физическими свойствами (прочность связи, температура плавления, механические свойства, электропроводность) обладают данные соединения и почему?

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома Y во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять иттрий в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность иттрия.

111

4.Какую геометрию имеет молекула HI? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Нарисуйте пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: RbCl,SrCl2,InCl3,SnCl2. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях в этих соединениях.

Индивидуальное задание «Химическая связь» ВАРИАНТ №28

1.Изобразите структурные формулы следующих соединений и укажите валентность и степень окисления каждого элемента в этих веществах: Na2SiO3, N2O, CuCl2, F2, H2O. Укажите тип химической связи для каждого соединения.

2.Определите тип кристаллической решетки для следующих соединений: Na, Cs2O, C(алмаз), Co(NO3)2, I2. Какими физическими свойствами (прочность связи, температура плавления, механические свойства, электропроводность) обладают данные соединения и почему?

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома Cr во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять хром в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность хрома.

4.Какую геометрию имеет молекула CH2Cl2? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Каков тип гибридизации атома углерода? Нарисуйте пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: CF4,GeBr4,SnI4,SiCl4. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях.

Индивидуальное задание «Химическая связь» ВАРИАНТ №29

1.Изобразите структурные формулы следующих соединений и укажите валентность и степень окисления каждого элемента в этих веществах: H2CO3, Li3PO4, O2, MnCl2, ZnO. Укажите тип химической связи для каждого соединения.

2.Определите тип кристаллической решетки для следующих соединений: P, KOH, Mg, CaS, Cl2. Какими физическими свойствами (прочность связи, температура плавления, механические свойства, электропроводность) обладают данные соединения и почему?

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома Mo во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять молибден в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность молибден.

4.Какую геометрию имеет молекула SiCl4? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Каков тип гибридизации атома кремния? Нарисуйте

112

пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: AlCl3,GaBr3,BF3,InI3. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях.

Индивидуальное задание «Химическая связь» ВАРИАНТ №30

1.Изобразите структурные формулы следующих соединений и укажите валентность и степень окисления каждого элемента в этих веществах: BaSO4, CaF2, H3AsO3, N2, HCl. Укажите тип химической связи для каждого соединения.

2.Определите тип кристаллической решетки для следующих соединений: Mg(OH)2, Ba, CO2, Si, Na2S. Какими физическими свойствами (прочность связи, температура плавления, механические свойства, электропроводность) обладают данные соединения и почему?

3.Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов атома Tl во всех возможных состояниях (основное, возбужденное). Какую валентность может проявлять таллий в этих состояниях? Приведите примеры соединений, укажите валентность таллия.

4.Какую геометрию имеет молекула MgBr2? Приведите электронно-графическое изображение валентных электронов взаимодействующих атомов, укажите, какие из них участвуют в образовании химических связей. Каков тип гибридизации атома магния? Нарисуйте пространственную структуру этой молекулы, покажите перекрывание атомных орбиталей, укажите типы связей (π,σ).

5.Используя значения относительной электроотрицательности, расположите следующие соединения в порядке возрастания ионности связи: NH3,PH3,AsH3,SbH3. Нарисуйте их структурные формулы и укажите, к какому атому смещается электронная плотность в этих соединениях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение понятия «химическая связь».

2.Какими силами обусловлена химическая связь? За счет чего она осуществляется?

3.Почему при образовании связи спины взаимодействующих электронов должны быть антипараллельны?

4.Что такое молекулярная орбиталь? Как она образуется?

5.Дайте определения понятиям «длина связи», «валентный угол», «энергия связи».

6.Как связаны между собой прочность, энергия и длина связи?

7.Дайте определение ковалентной связи. За счет чего она образуется?

8.Чем обусловлены направленность и насыщаемость ковалентной связи?

9.Как образуется ковалентная связь по обменному механизму?

10.Что такое полярность связи? Как образуется ковалентная полярная и ковалентная неполярная связь?

11.Что такое эффективный заряд?

12.Что такое электрический момент диполя?

113

13.Как образуется химическая связь по донорно-акцепторному механизму?

14.Перечислите основные положения метода валентных связей.

15.Что такое основное и возбужденное состояние атома?

16.Как объясняется валентность элементов согласно методу валентных связей?

17.Дайте определение σ, π и δ-связям. Какими типами орбиталей они образуются?

18.Что такое кратность связи? Сравните прочность кратных связей.

19.Чем определяется геометрия молекул?

20.Что такое гибридизация? Каков ее механизм?

21.Как происходит sp-, sp2, sp3 – гибридизация? Какую геометрию имеют молекулы с таким типом гибридизации у центрального атома?

22.Что из себя представляет кристаллическая решетка?

23.Дайте определения понятиям «энергия кристаллической решетки», «координационное число».

24.Что из себя представляет молекулярная кристаллическая решетка? Какие вещества могут образовывать молекулярные кристаллические решетки?

25.Что из себя представляет атомная кристаллическая решетка? Какие вещества могут образовывать атомные кристаллические решетки?

26.Как образуется ионная связь?

27.Что из себя представляет ионная кристаллическая решетка? Какие вещества могут образовывать ионные кристаллические решетки?

28.Как образуется металлическая связь? Что из себя представляет металлическая кристаллическая решетка? Какие вещества могут образовывать металлические кристаллические решетки?

29.Сравните энергию связи, температуры плавления, механические свойства, электропроводность разных типов кристаллических решеток. Почему они обладают теми или иными свойствами?

114

Тема 5. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Химическая термодинамика. Понятие химической системы. Типы химических систем: открытые, закрытые, изолированные. Равновесное состояние системы. Типы термодинамических процессов: обратимые, необратимые, самопроизвольные, равновесные. Первый закон термодинамики. Понятие энтальпии. Экзотермические и эндотермические реакции. Тепловой эффект реакции. Стандартные условия. Закон Гесса, следствие из закона Гесса. Стандартные энтальпии (теплоты) образования веществ. Термохимические уравнения и их особенности. Понятие энтропии. Второй и третий закон термодинамики. Самопроизвольные процессы. Энтальпийный и энтропийный факторы химических реакций. Энергия Гиббса.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Химическая термодинамика изучает возможность самопроизвольного протекания реакций, определяет энергетические эффекты протекания химических процессов, и условия протекания реакций.

Химическая система – это совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, реально или мысленно отделенная от окружающей среды. Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Закрытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не может обмениваться веществом. Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Равновесное состояние системы – это такое состояние, когда все термодинамические параметры одинаковы во всех точках системы и не изменяются самопроизвольно во времени.

Равновесный процесс – процесс, при котором система проходит последовательный ряд равновесных состояний.

Необратимый процесс – процесс, проведение которого связано с передачей системой окружающей среде (или наоборот) энергии в форме тепла, работы и т.д.

Обратимый процесс – равновесный процесс, который можно провести в прямом и обратном направлении так, что во внешней среде не происходит изменений в форме тепла или работы.

Самопроизвольный процесс – процесс, который может осуществляться в системе без воздействия со стороны окружающей среды.

1 закон термодинамики: теплота, подведенная к системе, расходуется на приращение внутренней энергии и на работу системы над окружающей средой:

поглощающееся в процессе химической реакции. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии системы.

Как правило, в термодинамических расчетах используются величины, определенные при стандартных условиях ( температура 298 К, давление 105 Па).

Согласно закону Гесса, тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания, а зависит только от начального и конечного состояния веществ. Состояние веществ определяется их природой и агрегатным состоянием.

Расчет теплового эффекта реакции производится по следствию из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен разности сумм стандартных энтальпий образования продуктов реакции и стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических

- это тепловой эффект реакции образования 1 моля вещества из простых веществ при стандартных условиях. Эти величины определены для многих веществ и являются справочными данными.

Термохимическое уравнение – уравнение, в котором указывается тепловой эффект реакции . При этом для удобства могут использоваться дробные стехиометрические коэффициенты, а также указываются агрегатные состояния веществ, участвующих в реакции.

Энтропия (Дж/моль·К) – термодинамическая функция, являющаяся мерой беспорядка в системе. Она зависит от природы вещества, его агрегатного состояния, температуры, давления и т.д.

Изменение энтропии в процессе химической реакции равно разности сумм стандартных энтропий продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции:

Самопроизвольный процесс – процесс, который может осуществляться в системе без воздействия со стороны окружающей среды.

Движущей силой реакции является уменьшение энергии системы в процессе реакции, то есть, как правило, самопроизвольно идут экзотермические процессы, где . Однако и эндотермические реакции могут идти самопроизвольно, так как движущей силой реакции является также увеличение меры беспорядка системы.

Согласно 2 закону термодинамики, в изолированных системах самопроизвольно идут

3 закон термодинамики гласит о том, что в идеальном кристалле при температуре, близкой к абсолютному нулю, энтропия стремится к нулю. Однако, в реальных химических системах энтропия всегда больше нуля из-за наличия постоянного движения и дефектов в кристаллических структурах.

Таким образом, энтальпийный и энтропийный факторы определяют самопроизвольность процесса. Критерием самопроизвольного протекания химической реакции при данных условиях

прямом направлении, то есть в сторону образования продуктов реакции. Наиболее вероятно

система будет находиться в состоянии химического равновесия, возможно протекание и прямой, и обратной реакции.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

1. Тепловой эффект. Следствие из закона Гесса

Задача 1.

Вычислите тепловой эффект реакции, запишите термохимическое уравнение реакции.

2Mg (тв) + CO2 (г) = 2MgO (тв) + C (графит)

Определите, сколько теплоты выделиться при сгорании 1 кг магния по этой реакции.

__________________________________________________________________________________

Алгоритм решения:

стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Умножаем стандартные энтальпии образования веществ на коэффициенты, которые стоят перед ними в уравнении реакции:

Для расчета необходимы справочные данные по стандартным энтальпиям образования веществ, участвующих в реакции. Используя таблицу термодинамических величин (приложение 3), определяем:

2. Запишем термохимическое уравнение реакции:

2Mg (тв) + CO2 (г) = 2MgO (тв) + C (графит),

Так как , эта реакция является экзотермической, при ее протекании происходит выделение тепла.

3. Для того чтобы определить количество тепла Q, выделяемое при сгорании 1 кг Mg в этой реакции, переведем массу магния в количество вещества.

Согласно уравнению реакции при сгорании 2 молей Mg выделяется 809,7 кДж тепла. Составляем пропорцию:

Таким образом, количество теплоты Q, выделившееся в результате сгорания 1 кг Mg составляет

16866 кДж.

Ответ:

2. Энтропия. Энергия Гиббса. Самопроизвольность протекания процесса

Задача 2.

Рассчитав значение изменения энергии Гиббса, установите, в каком направлении может протекать реакция при 25 0С.

2MgO(тв) + 2F2(г) = 2MgF2(тв) + O2(г)

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Алгоритм решения:

Для того, чтобы определить направление процесса, необходимо вычислить изменение энергии

Используя таблицу термодинамических величин (приложение 3), определяем:

118

Используя таблицу термодинамических величин, определим стандартные энтропии веществ, учитывая, что энтропия вещества всегда больше нуля:

Рассчитаем изменение энтропии реакции, учитывая стехиометрические коэффициенты. Умножим стандартные энтропии веществ на коэффициенты, которые стоят перед ними в уравнении реакции:

Ответ: реакция может протекать в прямом направлении.

3.Условия протекания химической реакции

Задача 3.

При какой температуре реакция

CaCO3 (г) = CaO (тв) + CO2(г)

пойдет: а) в прямом направлении; б) в обратном направлении; в) в прямом и обратном направлениях одновременно?

_____________________________________________________________________________________

Алгоритм решения:

В данном случае все стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции равны 1, поэтому при расчете их можно не учитывать:

Используя таблицу термодинамических величин, определяем стандартные энтальпии образования веществ:

(CaCO3(тв)) = -1207 кДж/моль; (CaO (тв))=-634,9 кДж/моль; (CO2(г)) =-393,5 кДж/моль.

119