Химия. Краткий курс для иностранных студентов. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТПЕТРАВЕЛИКОГО

Институт машиностроения, материалов и транспорта

Кафедра прикладной химии

С. В. Кочемировская В. А. Марков И. А. Соколов

ХИМИЯ

КРАТКИЙ КУРС ДЛЯ ИНОСТРАННЫХ СТУДЕНТОВ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2024

Ministry of science and higher education of the Russian Federation

PETERTHEGREAT

ST.PETERSBURGPOLYTECHNICUNIVERSITY

Institute of Machinery, Materials, and Transport

Department of Applied Chemistry

S. V. Kochemirovskaya V. A. Markov I. A. Sokolov

CHEMISTRY

SHORT COURSE

FOR INTERNATIONAL STUDENTS

Training manual

Saint Petersburg

2024

3.Периодический закон и периодическая система химических элементов (The periodic law and the periodic table

14.Окислительно-восстановительные реакции в нестандартных условиях. Уравнение Нернста (Direction of redox reactions

ПРЕДИСЛОВИЕ

Поскольку химия является наукой экспериментальной, все ее законы, теории и модели основаны на опыте, эксперименте и наблюденияхзаповедениемконкретныхвеществвконкретныхусловиях в зависимости от всей совокупности их химических свойств. Главной задачей современной химии в конечном итоге является получение различных веществ с необходимым набором химических, физических и эксплуатационных свойств, что позволяет создавать разнообразные конструкции и изделия, которые можно использовать в самых различных условиях.

В этой связи в пособии рассмотрены основные понятия, теоретические положения и законы химии, а также общие закономерности химических процессов, протекающих в растворах, веществах в газообразномсостоянииинаграницахразделафаз.Материализложен так, чтобы будущие инженеры разобрались в сути этих процессов и закономерностей, смогли использовать полученные знания, практические навыки при анализе и проектировании различных конструкций, изделий и самых разных технологических процессов, что, несомненно, важно для инженерного образования в целом.

Кроме этого, кратко на доступном уровне изложены вопросы, связанные со строением атома, сущностью Периодического закона Д. И. Менделеева, химической связью, представлены основные закономерности термодинамического и кинетического подхода к химическим процессам, изучаются ионно-обменные и окисли- тельно-восстановительныереакции,обсуждаетсяхимияметаллов. Все это поможет обучающимся уточнить, обобщить и систематизировать полученные знания по дисциплине «Химия».

6

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ

(BASIC CONCEPTS AND LAWS)

Химия – часть естествознания, науки о превращениях одних веществ в другие. Химия изучает состав и строение веществ, зависимость их свойств от состава и строения, пути и условия превращения одних веществ в другие.

Абсолютная атомная (молекулярная) масса – масса атома (или молекулы), выраженная в единицах массы (кг).

Атомная единица массы (а.е.м.) – величина, равная 1,660 10−27 кг,

это 1/12 массы атома углерода (126C ).

Относительная атомная масса – величина (в углеродных еди-

ницах), равная отношению абсолютной атомной массы (кг) элемента к атомной единице массы (а.е.м.).

Протон (11p , p, 11H ) – элементарная частица, обладающая массой, равной 1 а.е.м., и единичным положительным зарядом, равным элементарному заряду.

Нейтрон (01n, n) – элементарная частица, обладающая единичной массой и нулевым зарядом.

Протоны и нейтроны (их общее название – нуклоны) могут образовывать стабильные системы – атомные ядра. При этом количество протонов в ядре равно общему количеству электронов в атоме и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.

Массовое число А – округленная до целого значения относительная атомная масса элемента (из таблицы Менделеева) или

сумма количества протонов и нейтронов в ядре: А = 11p + 01n. Следовательно, чтобы определить количество нейтронов в ядре, нужно из округленной относительной атомной массы атома А вычестьколичествопротонов(чтосовпадаетспорядковымномером элемента).

Электрон (е‒, е, β‒) – фундаментальная субатомная частица, обладающая единичным отрицательным зарядом. Как и все элементарные частицы, электроны обладают корпускулярно-волновым

7

дуализмом (двойственной природой), т. е. обладают свойствами как частиц, так и волн.

Атом – электронейтральная (незаряженная) частица, состоящаяизатомногоядраиэлектронов,находящихсявполеактивного притяжения ядра. Тип и все свойства атома определяются зарядом его ядра.

Простое вещество состоит из атомов одного вида (Н2, F2, О3); сложное вещество – из различных атомов (НF, Н2О, Н2SО4).

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом атомного ядра, которое определяет весь набор химических и физических свойств (т. е. химический элемент и простое вещество – понятия разные).

Молекула – наименьшая электронейтральная частица вещества (с молекулярной структурой), связанная химической связью, способная к самостоятельному существованию и определяющая все свойства этого вещества.

Ион – заряженная частица, в которой суммарное количество протонов не равно суммарному количеству электронов. Ионы могут быть простыми и сложными. Если количество протонов превышает количество электронов, частица имеет положительный заряд и называется катионом (Na+, Fe3+, NH4+); если количество электронов больше количества протонов, частица имеет отрицательный заряд и называется анионом (F–, S2–, NO3–).

Стехиометрическоесоотношение–количествомолекул(молей)

одного вещества, полностью вступающих в реакцию с другим количеством молекул (молей) другого вещества. Атомы и молекулы способны взаимодействовать друг с другом в строго определенных пропорциях, кратных простым целым числам. Эти числа называют стехиометрическими отношениями.

Моль – количество вещества, которое содержит столько частиц (формульных единиц – атомов, молекул, ионов, электронов, радикалов и т. д.), сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода

126C , т. е. число Авогадро частиц NA = 6,02 1023 шт.

8

2. СТРОЕНИЕ АТОМА. ЭЛЕКТРОННАЯ КОНФИГУРАЦИЯ АТОМА (THE PLACE OF THE ELECTRON IN THE ATOM)

Вучебном пособии мы не будем касаться истории вопроса и рассматривать различные модели строения атома (Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Н. Бора), а сразу обратимся к современным представлениям по этой теме.

Тем не менее некоторые отдельные узловые моменты, которые

витоге и привели к современным представлениям, упомянуть необходимо.

Так, в 1909–1910 г. трудами лаборатории под руководством Резерфорда было экспериментально доказано, что атом содержит положительнозаряженноеядрооченьиоченьнебольшогоразмера,но

вэтом ядре сосредоточена вся масса атома (это положение справедливо и сегодня). Основываясь на данном факте, Резерфорд предложил свою модель строения атома в целом, согласно которой положительно заряженное ядро располагается в центре атома, а вокруг него по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны (подобно планетам, которые вращаются вокруг солнца). Электроны не падают на ядро и не покидают атом из-за равенства кулоновских сил притяжения (между ними и ядром) и центробежной силы, вызванной их вращением по круговым орбитам.

Двумя годами позже на основе этой модели, квантовой теории излучения М. Планка и своих постулатов датский физик Н. Бор предложил модель строения самого простого атома – атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Модель давала объяснения многим экспериментальным фактам и позволяла делать количественные расчеты, хорошо согласующиеся с экспериментом, но целый ряд очень важных вопросов (например, образование химической связи) не объясняла.

В1924 г. французский физик Луи де Бройль высказал идею о том, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для фотонов и других летящих микрочастиц, но и вообще для любых движущихся материальных объектов: λ = h/mv, где m – масса объекта;v–егоскорость;λ–длинаволны;h–постояннаяПланка.

9

Идея де Бройля нашла экспериментальное подтверждение в 1927 г., когда для потока электронов была получена дифракционная картинка. Таким образом, было экспериментально доказано, что двойственная (корпускулярно-волновая) природа присуща и электронам.

Примерно через три года после этого немецкий физик В. Гейзенберг предложил свой принцип неопределенности, который является следствием двойственной природы микрочастиц, в том числе элек-

тронов: для частиц малой массы одновременно сосколь угодно высокой точностью невозможно определить импульс (скорость) и координату

(областьнахождения).Математическиэтовыглядиттак: х р≥h / 2π, где х–неопределенностьопределениякоординатычастицывпро- странстве; р (р = mv) – неопределенность определения импульса (т. е. скорости). Другими словами, если точно определяется х, то невозможно точно определить р, и наоборот.

В результате к концу двадцатых годов XX века физики пришли к выводу, что, поскольку электрон обладает еще и волновыми свойствами, его движение можно описать при помощи волнового уравнения.

Такие уравнения и методы расчетов почти одновременно предложили В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шредингер, но метод последнего оказался удобнее и ближе к эксперименту. В связи с этим современная теория строения атома и молекулы основана именно на данном методе.

Уравнение Шредигера – это дифференциальное уравнение в частных производных для одного электрона в трехмерном пространстве, причем для стационарного состояния (т. е. временной параметр отсутствует):

−8hπ2m ∂∂2xΨ2 + ∂∂2yΨ2 + ∂∂2zΨ2 +U Ψ = EΨ,

где m – масса электрона; x, y, z – координаты; первое слагаемое – кинетическая энергия системы; U – потенциальная энергия системы; E – полная энергия системы; Ψ – волновая функция (пси-функция), описывающая движение электрона в атоме.

10