Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая химия. Часть I. Учебное пособие для самостоятельной подготовки студентов
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Г.П. Тихонов
ОБЩАЯ ХИМИЯ
ЧАСТЬ I
Учебное пособие
для самостоятельной подготовки студентов
Альтаир – МГАВТ
Москва, 2006
2
УДК
ББК 24.1
Тихонов Г.П.
Общая химия. Часть I. Учебное пособие для самостоятельной под-
готовки студентов – М.: Альтаир – МГАВТ, 2006 г. – 192 с.
Предназначено для самостоятельной подготовки студентов по кур-
су общей химии. Состоит из двух частей. В первой части изложен материал, который непосредственно связан с практикой эксплуатации
водного транспорта. Дисперсные системы (растворы), свойства водных
растворов (водородный показатель (рН), гидролиз солей, жесткость воды), основы электрохимии (окислительно-восстановительные реакции,
электродные потенциалы, гальванические элементы, электролиз), коррозия металлов и методы защиты от коррозии. Вначале каждого раздела приводятся основные теоретические положения и примеры решения
задач, поясняющие эти положения. Приводятся примеры решения задач, которые тесно связаны с водным транспортом. В конце каждого
раздела даются задачи и тестовые задания (тесты), которые необходимо решить в качестве контроля за усвоением пройденного материала.
Для студентов технических специальностей ВУЗов водного транспорта.
Рецензенты: к.т.н., доцент Г.П. Попов,
к.х.н., ст. науч. сотр. С.А. Сурин.
Издается по решению Учебно-методического совета МГАВТ.
Одобрено на заседании кафедры физики и химии МГАВТ от 18 октября 2006
г., протокол № 3.
Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.
Тихонов Г.П., 2006
Оформление. МГАВТ, 2006
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Общая химия» явля-
ется определяющим компонентом при овладении основами химии.
Из 25-летнего опыта преподавания химии в МГАВТ следует, что наибо-
лее трудной частью курса для студентов является решение расчетных задач
различных разделов химии.
Изучение отдельных разделов данного пособия с последующим закреплением пройденного материала посредством решения задач рекомендуется
проводить в два этапа. При первом чтении у студента создается общее представление о содержании, и выясняются наиболее трудные места раздела. При
повторном изучении раздела курса легче понять сущность вопроса, теоретические положения, математические зависимости, уравнения химических реакций. Затем следует приступить к разбору решенных задач данного раздела.
После этого следует начинать самостоятельное решение задач и тестовых
заданий. Рекомендуется вести конспект теоретических положений курса общей химии и примеров решения задач.
При необходимости для более глубокого изучения отдельных разделов
химической теории следует обращаться к учебникам и учебным пособиям по
курсу общей химии, рекомендованным Минобразованием России для технических направлений и специальностей вузов и Министерством транспорта
России для технических специальностей вузов водного транспорта, имеющимися в библиотеке МГАВТ:
1. Н.В. Коровин. Общая химия: Учебник для технических направлений и
специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 2006. – 558 с.
2. Ю.М. Сивергин, Г.П. Тихонов. Курс общей химии. Часть II: Учебное по-
собие. – М.: Альтаир, МГАВТ, 2004. – 348 с.
Кроме этих фундаментальных учебных пособий по общей химии студентам рекомендуется использовать учебное пособие:
3. Г.П. Тихонов. Конспект лекций по курсу общей химии и концепциям
современного естествознания (химические основы) для студентов специальностей МГАВТ.: Учебное пособие. – М.: Альтаир, МГАВТ, 2005. –
302 с.
4
РАЗДЕЛ 1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. РАСТВОРЫ.
СВОЙСТВА РАСТВОРОВ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ
При изучении данного раздела рекомендуется использовать литературу
[1, с. 204-211, 2, с. 8-35, 3, с. 110-124].
Вопросы, рассматриваемые в данном разделе:
1. Дисперсные системы.
2. Растворы. Растворы неэлектролитов.
3. Концентрация растворов. Способы выражения концентрации растворов.
4. Свойства растворов неэлектролитов.
Введение
Гетерогенные системы, в которых в одном веществе (среде) распределено (диспергированно) в виде очень мелких частиц другое вещество, называются дисперсными системами. Раствором называют однофазную систему
переменного состава, состоящую из двух или более компонентов. Растворы
представляют собой гомогенные (однородные) системы, где каждый из компонентов распределен в массе другого в виде молекул, атомов или ионов. Образование раствора идет самопроизвольно и необратимо вплоть до состояния
устойчивого равновесия (насыщенного раствора). Движущей силой процесса
растворения является уменьшение энергии Гиббса раствора G по сравнению
с энергией Гиббса исходных составных частей раствора. При растворении
ΣG
р-ра
прод.
– ΣG
< 0 (1)
исходн.
Если процесс растворения закончился, система пришла к состоянию
равновесия (G = 0).
Насыщенным раствором называется раствор, содержащий максимально
возможное количество растворенного вещества при данных условиях (р, Т).
Всякий раствор, концентрация которого ниже концентрации насыщенного,
называется ненасыщенным. Свойством ненасыщенного раствора является то,
5
что он может дополнительно растворить некоторое количество данного вещества при данных условиях (р, Т).
Растворимость веществ определяется концентрацией их насыщенных
растворов. Для характеристики растворимости твердых и жидких веществ
введен коэффициент растворимости. Под коэффициентом растворимости понимают количество граммов вещества, растворяющееся без остатка с образованием насыщенного раствора, в 100 г растворителя при данных условиях
(р, Т). Коэффициенты растворимости различных веществ и растворители,
в которых они растворяются, содержатся в справочниках.
Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества
в определенной массе или определенном объеме раствора или растворителя.
Способы выражения концентрации растворов
Массовая доля () – это отношение массы растворенного вещества
к массе раствора. Если массовую долю () умножить на 100 %, то получим
массовую долю в процентах (,%) (концентрация по массе).
Молярная концентрация или молярность – количество молей растворенного вещества, содержащееся в 1 л или в 1000 см3 раствора (концентрация
по объему).
Молярная концентрация эквивалента вещества – количество мольэквивалентов растворенного вещества, содержащееся в 1 л или в 1000 см3
раствора (концентрация по объему).
Титр – количество граммов растворенного вещества, содержащееся
в 1 см3 раствора (концентрация по объему).
Моляльная концентрация или моляльность – количество молей растворенного вещества, приходящееся на 1 кг или 1000 г растворителя (концентрация по массе).
6
Мольная доля растворенного вещества – отношение количества молей растворенного вещества к сумме молей растворенного вещества и растворителя.
Мольная доля растворителя – отношение количества молей растворителя к сумме молей растворителя и растворенного вещества.
Промилле (‰) – масса растворенных веществ в граммах, содержащаяся
в 1 кг раствора (концентрация по массе). Обычно эту концентрацию используют при определении солености морской воды, другими словами содержание растворенных веществ относят к 1 кг морской воды.
Если дан х %-ный раствор вещества плотностью ρ, то содержание вещества в 1 см3 этого раствора = ρх(%)/100.
Свойства растворов неэлектролитов
Некоторые свойства разбавленных растворов неэлектролитов зависят не
от природы растворенного вещества, а только от числа его частиц в растворе.
К таким свойствам относятся: явление осмоса, понижение давления пара растворов и соответственно понижение температуры замерзания и повышение
температуры кипения растворов по сравнению с теми же величинами для
чистого растворителя.
Осмос. Явление осмоса связано со свойствами так называемых полупро-
ницаемых перегородок (п/п), получивших свое название за способность пропускать только молекулы растворителя в системах, где они разделяют раствор и
растворитель или два раствора разной концентрации. В этих случаях число
молекул растворителя, переходящих за единицу времени через полупроницаемую перегородку со стороны растворителя или более разбавленного раствора,
всегда больше числа тех молекул, которые переходят в обратном направлении.
Со временем концентрации выравниваются и система приходит в равновесное
состояние. Такой самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор с большей концентрацией называют осмосом.
7
Так как полупроницаемыми перегородками являются оболочки животных и
растительных клеток, то осмос служит одним из механизмов транспортировки
растворителя – воды в животных и растительных организмах.
Мерой силы, с которой растворитель стремится перейти через полупроницаемую перегородку в раствор, является осмотическое давление, численно
равное тому минимальному дополнительному давлению, которое надо приложить к раствору, чтобы не допустить осмос (со стороны чистого растворителя).
Растворы с одинаковым осмотическим давлением называют изотониче-
скими. Если раствор по сравнению с другим имеет более высокое осмотиче-
ское давление, то его называют гипертоническим, а с более низким – гипото-
ническим.
Осмотическое давление π, атм, вычисляется по уравнению Вант-Гоффа:
π = СмRТ, (2)
где См – молярная концентрация раствора неэлектролита, моль/л;
R – универсальная газовая постоянная, 0,082 атм/К • моль;
Т – абсолютная температура, К.
Все растворы неэлектролитов, для которых См = 1 моль/л, имеют одина-
ковое осмотическое давление, равное 22,69 • 105 Па при 0С.
Измерение осмотического давления является одним из методов определения молекулярных масс, позволяющих в современных мембранных осмометрах определять Мr до 106 (каучук, целлюлоза, белки).
Понижение давления пара раствора. Если в растворителе, например
в воде, растворено нелетучее вещество, то давление насыщенного пара раствора (р) будет ниже, чем для чистого растворителя (р0) при той же темпера-
туре. Разность р0 – р = р, отнесенную к р0 (р/р0 ), называют относительным
понижением давления насыщенного пара раствора.
Закон Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара
раствора нелетучего вещества равно мольной доле растворенного вещества
в растворе, т. е.
8
ваври тельр
вав
nN
n
р
р
0
, (3)
1
1000
Mm
m
где n
N
– количество молей растворенного вещества (неэлектролита);
в-ва
– количество молей растворителя.
р-ритель
Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов. Каждая жидкость закипает (tк ), когда давление ее пара стано-
вится равным внешнему и замерзает (tз ), если оно равно давлению пара ее
твердой фазы (льда). Поэтому понижение давления пара растворов по сравнению с чистым растворителем приводит к повышению температуры кипения tк и понижению температуры замерзания tз растворов.
Обе величины tк и tз прямо пропорциональны моляльности раствора
Сm:
tк = КэСm , (4)
tз = КкСm . (5)
Константы – эбуллиоскопическая Кэ и криоскопическая Кк – численно
равны соответственно повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания растворов, концентрация которых составляет 1 моль/кг.
Обе константы зависят от природы растворителя. Для воды Кэ и Кк соответственно равны 0,52 и 1,86, а для бензола 2,57 и 5,12 град • моль –1 кг.
Формулы (4) и (5) преобразуются в (6):
t = К
, (6)
где t – повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем, ºС;
К – эбуллиоскопическая или криоскопическая константа;
m – масса растворенного вещества неэлектролита, г;
М – молярная масса неэлектролита, г;
m1 – масса растворителя, г.
9
По формуле (6) определяют относительные молекулярные массы веществ.
Контрольные вопросы
1. Какие дисперсные системы называются растворами?
2. Какие способы выражения концентрации растворов Вы знаете? Оха-
рактеризуйте каждый из них.
3. Какие свойства растворов характерны для неэлектролитов?
4. Что такое осмос, осмотическое давление?
5. В каких случаях растворы неэлектролитов при одной и той же темпера-
туре имеют одинаковое осмотическое давление? Как называют такие растворы?
6. Какой раствор по отношению к другому называют: а) гипертоническим,
б) гипотоническим? В сторону какого из них должен быть направлен осмос?
7. В концентрированном растворе NаСℓ красные кровяные шарики
сморщиваются (плазмолиз), а в воде или сильно разбавлено растворе NаСℓ
набухают (гемолиз). Объясните эти явления.
8. Поглощение воды растениями за счет осмоса создает внутри клеток
осмотическое давление, которое делает растительные ткани упругими (тургор). При каких условиях эта упругость начинает снижаться и растение вянет? Что восстанавливает тургор?
9. Почему водный раствор, в котором массовая доля NаСℓ составляет
0,86 %, называется физиологическим? Чему он изотоничен? Как объяснить,
что раны предпочтительнее промывать не водой, а таким раствором?
10. Почему в речной воде глаза «режет», а в морской воде это ощущение
отсутствует?
11. Чем объяснить, что осмотическое давление оказывается особенно
высоким у семян и растений засушливых зон и сравнительно низким у болотных растений?
12. При одинаковой ли температуре: а) закипает вода на уровне моря и на
высокогорной вершине, б) замерзает речная и морская вода? Почему обледенелые тротуары посыпают солью и охладительные смеси готовят из снега и соли?
10
13. Если вынуть кусочек льда, образовавшегося в растворе хлорида на-
500
100023
92
461
трия, и растопить его, то будет ли этот расплав отличаться от исходного раствора по содержанию соли?
14. Антифризами называют растворы с пониженной температурой замерзания, применяемые в системе охлаждения автомобилей. Широкое применение находят растворы этиленгликоля С2Н4(ОН)2 . При какой температуре
будет замерзать такой антифриз, если в нем объемные доли этиленгликоля и
воды соответственно равны 0,4 и 0,6? (Для этиленгликоля ρ = 1,116 г/см3 .).
Примеры решения задач
1. Определите молярную концентрацию раствора, содержащего 23 г
глицерина (М = 92 г) в 500 см3 водного раствора.
Решение
Молярная концентрация или молярность – это количество молей рас-
творенного вещества, содержащееся в 1 л или в 1000 см3 раствора.
Найдем, сколько граммов глицерина содержится в 1 л раствора:
в 500 см3 раствора содержится 23 г глицерина,
а в 1000 см3 раствора – х х =
Далее
92 г глицерина – 1 моль;
46 г глицерина – у.
у =
Следовательно, в 1 л раствора будет содержаться 0,5 м глицерина, и
концентрация раствора будет 0,5 моль/л.
2. Какова мольная доля этилового спирта С2Н5ОН(М = 46 г) в растворе,
содержащем 92 г вещества в 8 молях воды?
Решение
Мольная доля – это отношение количества молей растворенного веще-
ства к сумме молей растворенного вещества и растворителя:
= 0,5 м
= 46 г
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]