Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общие закономерности химических процессов. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Казань
КГТУ
2010
УДК 66.02(075)
ББК 35.115
П52
Составители: доктор хим. наук, проф. В.К.Половняк
ведущий учитель Т.К.Яблочкина
канд.пед.наук, доцент Д.Ф.Хаибрахманова
Общие закономерности химических процессов: учебное пособие
/В.К.Половняк, Т.К.Яблочкина, Д.Ф.Хаибрахманова; Федер.агентство
по образованию, Казан. гос. технол. ун-т : КГТУ, 2010.-104 с.
ISBN 978-5-7882-0883-1
Учебное пособие содержит актуальные для изучения темы:
«Строение вещества» и «Основные закономерности протекания
химических процессов». В век научно-технической революции без
знания химических законов невозможно решение глобальных
технологических и экологических проблем.
Информационный материал сопровождается схемами, таблицами,
имеется список литературы.
Учебное пособие может быть использовано в профильной
подготовке учащихся общеобразовательных учебных заведений, а
также к экзамену в форме ЕГЭ по химии в 11 классе.
Рекомендовано Институтом развития образования Республики
Татарстан.
Печатается по решению методической комиссии факультета
довузовской подготовки Казанского государственного технологического университета.
Рецензенты:
Зав. каф. методики преподавания естественнонаучных
дисциплин ИРО РТ, канд. пед. наук, доцент Т.В.Куренева
канд. пед. наук, доцент кафедры методики преподавания
естественнонаучных дисциплин ИРО РТ И.Р.Павлова
2
РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ
Учебное пособие «Общие закономерности химических
процессов» предназначено для использования в общеобразовательных
учреждениях, в классах химико-биологического профиля или
факультативно для одарённых учащихся.
Курс включает в себя два раздела – строение вещества и основные
закономерности протекания химических процессов. Его рекомендуется
использовать как дополнительный материал в 11-х классах, где
требуется повторение пройденного и углублённое изучение
закономерностей химических процессов, которые, в конечном счете, и
определяют практическую ценность химических знаний с точки зрения
преломления их в область химических технологий.
Для учащихся 11-х классов предусматриваются занятия в объёме
1 час в неделю ( всего 34 часа). Каждый параграф в разделах учебного
курса рассчитан на 1 урок. Урок строится как повторение пройденного
с решением задач по темам (параграфам).
Для тестирования рекомендуется использование учебного
пособия П.А.Гуревич, В.К.Половняк, М.А.Хусаинов «Химия для
учащихся, учителей и студентов» (задачи, тесты, упражнения.
Объяснения и решения). Казань: Школа.-2006.- 458с.
От авторов – профессор В.К.Половняк
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Аксиомой в настоящее время стало утверждение, что мы живем в век научно-
технической революции. Что это означает? Рассмотрим изменение некоторых
параметров в жизни человечества за последние несколько веков. В качестве таких
параметров можно выбрать, например, скорость передвижения человека. На
протяжении многих веков человек передвигался пешком, или на лошадях.
Средняя скорость передвижения составляла около 20 км/ч. В середине XIX века
наметилось развитие техники, и был изобретен паровой двигатель (скорость
передвижения до 40 км/ч), а затем двигатель внутреннего сгорания (автомобиль,
скорость до 60 км/ч). Далее двигатели были поставлены на летательные
аппараты, и в начале XX века скорость передвижения превысила 100 км/ч.
Реактивный самолет поднял эту скорость до 1000 км/ч, а ракеты- до 30000 км/ч и
более. Следовательно, в XX веке наблюдался гигантский скачок в увеличении
скорости передвижения человека. Возьмем другой параметр - скорость
вычислений. На протяжении веков применялись для счета и расчетов лишь
примитивные средства типа конторских счет, при этом скорость счета не
превышала 1-3 операций/с. Далее были изобретены механические и
электромеханические счетные машины (старинные кассовые аппараты), и
скорость счета возросла до нескольких десятков операций в секунду. Релейные
вычислительные машины увеличили скорость счета до сотен операций/с, а
электронные - до нескольких тысяч. С развитие микроэлектроники и появлением
микросхем скорость возросла до миллиона операций в секунду. Большие
интегральные схемы увеличили скорость счета до сотен миллионов операций в
секунду, а современные вычислительные машины достигли уровня,
превышающего 1 триллион операций в секунду. Следовательно, и по этому
параметру на протяжении нескольких десятилетий произошел гигантский скачок.
Обратимся к используемым в прагматических целях технологиям. Этот
параметр возрастал более плавно, но на протяжении первой половины XX века
произошел скачок, который продолжается и в настоящее время, а число
используемых технологий исчисляется миллионами .
К сожалению, наша страна, скованная идеологическими догмами и высокой
степенью милитаризации экономики, отстала в развитии от высокоразвитых
стран. Наши технологии зачастую представляют собой музейные экспонаты (за
исключением военной техники и ракетостроения), поэтому, находясь в условиях
гигантского скачка развития необходимо иметь гибкую научно-образовательную
базу, для чего требуется изменение многих концепций развития науки и
образования, по сути дела, развития технологии образования.
К счастью, в области химии отставание нашей науки минимально, за счет
смекалки и изобретательности наших ученых, однако, эти факторы
малоконкурентоспособны при отсутствии мощной приборной базы и реально
конкуренции научных школ.
Итак, мы живем в эпоху научно-технической революции. В настоящее время
самые различные науки взаимосвязаны и в своем развитии оказывают
значительное влияние друг на друга. Сегодня физики все глубже раскрывают
тайны строения вещества, разрабатывая самые экономичные способы
4
использования ядерной энергии. Биофизики и биохимики изучают тонкие
биохимические процессы в живых организмах, чтобы научиться у природы
реализовывать в мягких условиях процессы, недоступные пока современной
химии. Так, например, в клетках клубеньковых бактерий напрямую идет
усвоение атмосферного азота с образованием аминокислот. Растения из
углекислого газа и воды легко синтезируют углеводы и т.п.
На стыке наук рождаются новые отрасли знаний, например, космическая
медицина, космическая металлургия, космические химические технологии.
Только усилиями ученых и технологов самых различных отраслей знаний
возможно решение многих глобальных проблем, таких как поиск новых
энергетических ресурсов, охрана окружающей среды, овладение космосом,
использование минеральных богатств мирового океана и др.
Развитие науки и техники ставит перед химиками задачу получения новых,
неизвестных в природе веществ и без содействия химии не были бы возможными
крупные достижения ни в одной области современной техники. Такие новые
материалы, как полупроводники, сверхпроводники, ферромагнетики обеспечили
бурное развитие микрорадиоэлектроники и стали применяться во всех сферах
человеческой деятельности (компьютеры, теле- и аудиотехника).
Огромными темпами развивается производство полимерных материалов,
которые используются практически во всех областях человеческой деятельности.
Роль химии не ограничивается производством необходимых человеку
материалов, но и использованием химических процессов в других областях
человеческой деятельности - в сельском хозяйстве, в медицине, в быту. При
использовании химических технологий резко возрастает производительность
труда при добыче полезных ископаемых, защите металлов от коррозии,
производстве энергии и т.п. Именно через технологии “широко распростирает
химия руки свои в дела человеческие”…
5
⋅
ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ХИМИЮ
Химия это язык природы. Как любой язык химия имеет свой алфавит –
периодическую систему химических элементов. Cуществует множество
химических слов-формул химических соединений, их известно химикам более 19
миллионов. Аналогом предложений являются уравнения химических реакций, а
“литературными химическими произведениями” являются многочисленные
многоступенчатые производственные технологические процессы, которые
обеспечивают получение различных практически полезных и нужных человеку
продуктов.
Алфавит
представлен химическими элементами, которые являются
разновидностями атомов с определенным зарядом ядра. Для химии более важной
является электронная оболочка атома. Электрон своеобразная частица, которая
отличается очень малым значением массы. Масса электрона составляет 9,1·10
-28
г.
При этом электрон несет относительно большой электрический заряд (1,6·10
19
кл).
Давайте решим простую задачу:
Задача.1. Подсчитайте сколько металлического серебра можно получить
при пропускании через раствор нитрата серебра 1г электронов?
Решение В растворе нитрат серебра образует ионы серебра Ag+, которые,
взаимодействуя с электронами, превращаются в атомы металлического серебра:
Ag+ + e- = Ag
На получение 1 моля серебра (107,87 г) расходуется 1 моль электронов.
Нужно определить – сколько моль электронов составляет 1 г этих частиц. Масса
одного моля электронов будет равна произведению массы электрона на
23
константу Авогадро (А=6,02·10
87,1071
−
2328
1002,6)101,9(
⋅⋅⋅
⋅=
), тогда масса полученного серебра будет равна:
5
1097,1
, т.е. 197 кг
-
Поразительно, но с помощью одного грамма электронов можно получить
почти 200 кг серебра. Такова эффективность свободных электронов, как
химического реагента.
Периодическая система химических элементов, созданная Д.И.
Менделеевым, подчиняется Периодическому закону:
“Свойства элементов химических
И их соединений разных классов
Изменяются периодически
С ростом заряда ядра и массы... ”
Периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений
обусловлена характером заполнения электронных оболочек атомов.
Формула периодичности: 2-8-8-18-32-32, т.е. через указанное цифрами число
химических элементов их свойства повторяются, наблюдается сходство по
свойствам, например, свойства щелочных металлов – высокая химическая
активность в различных реакциях.
Окружающий нас мир это электронный мир, мы наблюдаем многообразие
проявлений их свойств – наблюдение праздничных фейерверков. Различная
6
окраска святящихся огней связана со свойствами атомов щелочных и
щелочноземельных металлов.
Вы знаете, что энергетическое состояние электронов в атомах изображаются
с помощью энергетических диаграмм. Рассмотрим энергетическую диаграмму
атома лития. Его электронная формула очень простая:
2p
Li 1s22s12p
3
0
2s
1s
внешний (валентный) электрон атома лития находится на 2s-орбитали, при
вакантной (незаполненной) 2р-орбитали. Если приложить к атому лития квант
(порцию) энергию извне, то 2s-электрон может легко прейти на 2р-орбиталь.
Такое состояние атома лития называется возбужденным и неустойчиво, поэтому
электрон вернется в исходное состояние, излучая поглощенный квант энергии.
Это явление и обусловливает пурпурное свечение фейерверков, содержащих соли
лития. Энергию перехода электрона в атоме лития при свечении в фейерверках
легко рассчитать:
1233
=∆E
, где
λ
∆Е–изменение энергии электрона; λ-длина волны возникающего излучения в
нм (1нм =10-9 м). Изменение энергии измеряется в электрон–вольтах (1эВ ≅92
кДж/моль).
Задача 2. Пользуясь приведенными данными, рассчитайте энергию
электронного перехода атома лития, обеспечивающую пурпурное свечение
фейерверков.
Решение:
Для решения этой задачи необходимо вспомнить цвета радуги и
соответствующие им длины волн излучений:
Таблица 1.
Цвета радуги и соответствующие им длины волн излучения
Цвета радуги Длины волн
Диапазон, нм λср., нм
Фиолетовый 400-435 417,5
Синий 435-480 457,5
Зеленовато-
480-490 485,0
синий
Сине-зеленый 490-500 495,0
Зеленый 500-560 530,0
Желто-зеленый 560-580 570,0
Желтый 580-595 587,0
Оранжевый 595-605 600,0
Красный 605-730 667,0
Пурпурный 730-760 745,0
Пользуясь данными табл. 1 легко решить поставленную задачу;
7
∆Е = 1233/745 = 1,655 эВ * 96,5 = 159,7 кДж/моль
Задача 3. Известно, что атомы калия в фейерверках обеспечивают их
фиолетовую окраску, а атомы кальция – оранжевую.
Пользуясь этими данными, рассчитайте энергию межэлектронного
отталкивания на 4s-орбитали атома кальция.
Решение Сопоставим энергетические диаграммы атомов калия и кальция:
К 1s22s22p63s23p64s1 20Ca 1s22s22p63s23p64s2
19
Валентные орбитали атомов:
K 4s
4s
1
4p
Ca 4s
4s
2
4p
Различие валентных орбиталей атомов калия и кальция состоит в том, что у
них на одной и той же валентной 4s-орбитали находятся: у калия – один
электрон, а у кальция – два электрона. Очевидно, что у кальция, вследствие
межэлектронного отталкивания под действием внешней энергии, электронный
переход на 4р-орбиталь будет осуществляться легче, чем у калия и разность этих
энергий даст нам энергию межэлектронного отталкивания на 4s-орбитали
кальция.
Произведем расчет:
∆ЕК = 1233/417,5 = 2,95 эВ ∆ЕСа = 1233/600 = 2,05 эВ
∆Е
= 2,95 – 2,05 = 0,9 эВ * 96,5= 86,85 кДж/моль
МЭО
Приведенные расчетные задачи показывают, как всего лишь, наблюдая за
фейерверками, можно установить важные количественные характеристики
энергетического состояния электронов в атомах.
Задачи для самостоятельного решения:
4. Рассчитайте, какое количество меди можно получить при пропускании
через раствор сульфата меди (II) 10 г электронов.
5. Определите энергию электронных переходов атомов натрия при
возбуждении в пламени газовой плиты, если известно, что при попадании
капелек воды (которая всегда содержит соли натрия) в пламя горелки
наблюдается интенсивная желтая окраска его.
КЛАССЫ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Чтобы вспомнить основные классы неорганических соединений, рассмотрим
наиболее интересные соединения – представители различных классов.
Первым уровнем классификации является разделение веществ на простые и
сложные. Простые вещества состоят из одного вида атомов, а сложные – из
8
атомов разного вида. Простые вещества, в свою очередь, делятся на металлы и
неметаллы. В этом плане все мы живем в “металлическом мире”, т.к.
большинство простых веществ являются металлами. Из 89 химических
элементов, встречающихся в природе, неметаллами являются лишь 16, шесть из
них это химически неактивные благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон,
ксенон и радон).
Металлы отличаются металлическим блеском, высокой тепло- и
электропроводностью, что связано с характером химической связи в
металлических веществах. Атомы металла образуют кристаллическую решетку, в
которой относительно свободно могут перемещаться свободные электроны.
Самым необычным металлом является ртуть, которую мы можем увидеть в
шарике медицинского термометра. Необычным является состояние ртути – при
обычных условиях она является жидкой, температура затвердевания ртути
составляет -38,9°С.
Экспериментально установлено, что ртуть, в отличие от других металлов,
состоит не из отдельных атомов, а из молекул Нg
. Связь между молекулами
2
слабее, чем между атомами, поэтому ртуть при обычных условиях является
жидкой. Близким к ртути по свойствам металлом является галлий, температура
плавления его равна +29,8°С. Как ртуть, так и галлий, применяются для
изготовления высокоточных термометров.
Задача 6. Определите, в каком диапазоне температур можно использовать
ртутные и галлиевые термометры.
Решение Температурный диапазон термометра определяется свойствами
рабочего тела, в частности, температурами плавления и кипения. Температура
кипения ртути +356,6 °С, а галлия +2403 °С. Теоретически ртутные термометры
позволяют измерять температуры в диапазоне от -39 до +350 °С, а галлиевые от
+30 до +2400 °С. Но практически галлиевые термометры применяются в
диапазоне от +30 до +1500°С. Это связано с тем, что материалом для
изготовления термометров служит кварц с Т
= +1539°С.
пл.
Задача 7. ртутные медицинские термометры содержат довольно много
ядовитой металлической ртути. Рассчитайте, во сколько раз будет превышена
предельно допустимая концентрация паров ртути в двухкомнатной квартире
(объем помещений порядка 200 м3), если нечаянно разбился ртутный термометр,
(объем баллончика для ртути составляет 0,1 см3). Плотность ртути равна 13,54
г/см3. Предельно допустимая концентрация паров ртути в воздухе не должна
превышать 0,01 мг/м3.
Решение Определим массу ртути в ртутном термометре:
13,54·0,1=1,354 г.
Концентрация паров ртути в воздухе квартиры при полном ее испарении
составит:
= 1354/2000 = 6,77 мг/м3,
С
Hg
т.е. предельно допустимая концентрация паров ртути будет превышена
почти в 700 раз!
9
Неметаллы. Вещества, обладающие низкой тепло- и электропроводностью
и образующие структуры, состоящие из молекул или атомов. Типичным и
наиболее интересным представителем неметаллов является углерод. Он образует
простые вещества различной структуры - т.н. аллотропные модификации: алмаз,
графит, карбин и фуллерен. Углерод можно охарактеризовать четверостишием:
О, углерод – ты беспримерен
И по числу соединений
Среди всех братьев и сестер
Миллионер ты с давних пор …
Действительно углерод образует несметное количество органических
соединений. Из известных химикам более 19 миллионов соединений – 18
принадлежат углероду. Рекорды углерода на этом не кончаются. Алмаз – это
самое твердое вещество, а графит – одно из самых мягких (оставляет след на
бумаге).
Задача 8.
Определить в какой модификации углерода химическая связь
является наиболее прочной, если известны теплоты сгорания этих веществ:
алмаз графит карбин
Q
394,1 396,3 356,1 кДж/моль
сг
Решение. Рассуждаем просто, при сгорании этих твердых веществ
разрушается их кристаллическая решетка, на что требуется затрата энергии. Все
вещества являются чистым углеродом и теплотой эффект процесса сгорания для
них будет одинаковым, следовательно, наименьший тепловой эффект будет для
вещества с более прочными химическими связями. Это значит, что наиболее
прочные связи атомы углерода образуют в простом веществе карбине, а наименее
прочными связями будут химические связи в графите.
Оксиды
. Поскольку планета Земля имеет активную окислительную
атмосферу, содержащую кислород, очень многие химические элементы
существуют на нашей планете в виде оксидов. Их 6600 природных минералов
известных геологам, более 5000 представляют собой оксиды или их смеси.
Вы помните, что оксиды делятся на солеобразующие (основные,
амфотерные и кислотные) и несолеобразующие (СО, NO, N2O и др.)
Наиболее коварным и опасным несолеобразующим оксидом является СО
(угарный газ), который в больших количествах выбрасывается двигателями
автомобилей и создает большие экологические проблемы.
Задача 9. Известны случаи гибели водителей автомобилей, которые
включают для прогрева двигатель в закрытом гараже. Определите, через какое
время после включения двигателя в гараже концентрация СО достигнет опасного
предела 0,1% об., (человек теряет сознание), если известно, что объем гаража 30
3
, а включенный двигатель выбрасывает 500 л/мин выхлопных газов с
м
концентрацией СО 2% об.
Решение.
Количество СО, поступающее с выхлопными газами, составит:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]