Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общие закономерности химических процессов. Учебное пособие
.pdf
500 л·0,02 = 10л/мин
56
⋅
⋅
64
⋅
Для достижения предельно-допустимой концентрации требуется:
30000 л/100 * 0,1 = 30 л СО.
Отсюда время генерации такого количества СО составит:
τ = 30л / 10 л/мин =3 мин,
т.е., уже через 3 минуты работы двигателя в гараже создается смертельно
опасная концентрация СО в воздухе.
Класс солеобразующих оксидов включает в себя большое число соединений.
Основные оксиды при взаимодействии с водой образуют основания, кислотные
оксиды – кислоты. Амфотерные оксиды при определенных условиях проявляют
основные свойства (взаимодействуют с кислотами), а при других условиях
взаимодействуют с основаниями (щелочами). Как в первом, так и во втором
случае образуются соли.
Наиболее широкомасштабное использование находят оксид кальция и
оксиды серы. Оксид кальция – негашеная известь – является основой
строительной индустрии, а оксиды серы применяются для производства серной
кислоты, которая является “хлебом” химической промышленности.
Задача 10. Рассчитайте, сколько воды потребуется для “гашения”
“негашеной” извести в количестве 1 тонны, если содержание основного вещества
в ней составляет 90%?
Решение: Запишем реакцию гашения водой негашеной извести:
CaO + H2O = Ca(OH)2
56 кг 18кг
0,9·1000 кг Х
=X
1810009,0
3,289
=
кг Н2О
Задача 11. В доисторические времена действующий вулкан выбрасывал в
атмосферу оксид серы (IV) – сернистый газ. Газ тяжелее воздуха и заполнял
низины болотистой местности, в которых скапливается сероводород. Вулкан
выбросил 1 миллион тонн сернистого газа. Сколько серы образовалось в низинах
как результат вулканической деятельности?
Решение: Сернистый газ (SO2) и сероводород (H2S) взаимодействуют по
уравнению реакции:
SO2 + H2S = 3S + 2H2O
64т 96т
Зная количество выброшенного сернистого газа, можно рассчитать
количество образовавшейся серы:
961000000
1500000
m
=
s
=
тонн
В результате должно накопиться 1,5 млн. тонн серы. Такие месторождения
самородной серы часто встречаются в местах деятельности древних вулканов и
используются для добычи серы.
11
Основания и кислоты. Основания в своем составе содержат
⋅
гидроксильные группы, которые для растворимых оснований переходят в раствор,
создавая щелочную среду. Часто растворимые основания называют щелочами.
Кислоты в составе молекул содержат подвижные атомы водорода,
которые при растворении в воде переходят в раствор в виде ионов водорода,
точнее, ионов гидроксония H3O+. Кислоты тем сильнее, чем легче происходит их
ионизация и чем больше концентрация ионов водорода в растворах,
образующихся при ионизации кислот.
Задача 12. Определите концентрацию раствора серной кислоты (%), если при
добавлении к 100 г. ее раствора избытка хлорида бария образовалось 150 г.
осадка?
Решение:
Запишем реакцию образования осадка сульфата бария:
BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2HCl
98 г 233,3 г
Х 150 г
15098
=Õ г
63
=
3,233
В 100 г. раствора содержится 63 г. серной кислоты, следовательно,
концентрация серной кислоты в растворе составляет 63%.
Задача 13. Гашеная известь – Ca(OH)2 применяется для изготовления
штукатурки. Смесь песка и гашеной извести наносится на стены и постепенно
штукатурка затвердевает, при этом долго остается сырой. Это означает, что в
ходе затвердевания штукатурки выделяется вода. Напишите уравнения реакции и
рассчитайте, сколько воды выделит 1т. известкового “раствора”, содержащего
250 кг “гашеной” извести?
Решение:
Запишем уравнения реакции затвердевания штукатурки, которая
является результатом действия углекислого газа воздуха CO2, как кислотного
оксида, на основание – Ca(OH)2:
Са(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
74 кг 18 кг
250 кг Х
Х = 250* 18/74 = 60,8 кг, т.е. 6 ведер воды.
Соли.Соли это вещества, которые состоят из положительно заряженных
частиц (катионов) и отрицательно заряженных частиц (анионов) и при
растворении в воде полностью распадаются на ионы.
Соли подразделяются на кислые (содержащие дополнительно ионы
водорода) основные (содержащие дополнительно ионы гидроксида), средние,
содержащие катионы и анионы. Соли могут иметь и более сложный состав, т.е.
могут быть двойными (содержащими два катиона) и комплексными
(содержащими сложный анион или катион).
Задача 14.
Кислая соль угольной кислоты и иона аммония NH4HCO3 легко
разлагается при небольшом нагревании и применяется в хлебопекарном
производстве как разрыхлитель, придающий пышность булочкам. Рассчитайте,
12
сколько разрыхлителя нужно добавить на 1 кг теста для получения пышных
⋅
булочек, содержащих по объему 50% газовых пор, если из 1 кг теста получается
20 булочек, каждая объемом 0.25 дм3.
Решение: Определим объем газовых пузырьков в 20 булочках, которые
занимают половину объема каждой:
V
Эти газообразные продукты образуются при разложении разрыхлителя по
реакции:
79 г 44,8
Х 2,5 л
т.е. для получения 20 сдобных булочек требуется всего 4,4 г. разрыхлителя.
Задача 15. При пайке металлов для очистки их поверхности применяется
“нашатырь” – соль хлорида аммония. Известно, что эта соль при нагревании
разлагается. Напишите реакции, происходящие на поверхности металла при
пайке с применением “нашатыря”.
Решение: Хлорид аммония при нагревании разлагается с образованием
аммиака и паров соляной кислоты (HCl):
Именно пары HCl и очищают поверхность металла от оксидной пленки,
мешающей их пайке:
Например: CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O
Растворимая соль меди легко удаляется с поверхности.
Генетическая связь неорганических соединений показана на рис.2.
= 20 * 0,5 * 0,25 = 2,5 л
газа
5,279
4,4
=X г
=
8,44
0
Ct
34
0
Ct
↑+↑→ HClNHClNH
OHCONHHCONH
++→
22334
Генетический
ряд металла
Металл
С
Генетический
ряд неметалла
Неметалл
О
Основной
оксид
Кислотный
оксид
Л
Основание
Рис.2 Генетическая связь неорганических соединений
И
13
Кислота
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
1.1. Агрегатное состояние веществ
С древнейших времен, созерцая природные явления, человек обращал
внимание на то, что вещества отличаются по своим свойствам. Человек ходил по
твердой земле, купался в жидкой воде, дышал газообразным воздухом, созерцал
раскаленное пламя костра. Эти наблюдения за сотни лет до нашей эры обобщил
древнегреческий философ Аристотель (384-322 гг. до нашей эры). Его
представления об окружающем мире можно изложить в стихотворной форме:
Аристотель, выделив в природе,
Очень важные, по мнению его,
“Принципы” или “начала”, вводит:
Сухость, влажность, холод и тепло.
Принципы попарно сочетая,
Получает в результате он
Основные элементы мироздания:
Землю, воду, воздух и огонь …
Фактически Аристотель отметил все основные агрегатные состояния
веществ: твердое (кристаллическое), жидкое, газовое и плазменное. Плазменное
состояние это частично ионизированный газ, которое образуется в пламени
костра, в сполохах северного сияния, внешних оболочках звезд (солнечная
корона) и др.
Большинство веществ при обычных условиях находятся в кристаллическом
состоянии.
Задача 1.1.
Составьте попарное сочетание «принципов» Аристотеля,
характеризующие различные агрегатные состояния вещества.
Решение: Твердое = сухость + холод; жидкое = влажность + холод;
газообразное = влажность + тепло; огонь = сухость + тепло.
Кристаллы. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) в кристаллах
находятся в строго упорядоченном состоянии, говорят, что они располагаются в
узлах кристаллической решетки. Что же это за узлы? Дело в том, что природа не
терпит пустоты, и частицы располагаются максимально плотно, т.е. образуют
плотные упаковки. Для сферических частиц таких плотных упаковок всего
четыре. Это: простая кубическая упаковка – частицы расположены в вершинах
куба (ПК), далее, частицы находятся в вершинах куба и в центре его – объемноцентрированный куб (ОЦК), следующая – гранецентрированный куб (ГЦК) –
частицы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани и, наконец,
гексагональная упаковка (Г), когда частицы располагаются в вершинах
шестигранника и в центре его:
14
a
ПК
a
a
o
ОЦК
ГЦК
120
a
Г
c
a
Рис. 1.1. Основные виды плотных упаковок частиц в кристаллах.
Задача 1.2. Определите степень плотности упаковок частиц в кристаллах в
виде так называемого координационного числа (к.ч.), показывающего, сколько
ближайших частиц окружают данную частицу в кристаллической решетке
разного типа (рис.1.1.).
Ответ:
При простой кубической упаковке соседняя частица располагается по
трем взаимно перпендикулярным осям, к.ч. = 6
Для ОЦК к. ч. = 8 (шесть частиц по осям и 2 по диагонали куба)
Для ГЦК к.ч. =12 (шесть частиц по осям и 6 по трем диагоналям куба)
Для гексагональной упаковки к.ч. = 12, т.к. шесть частиц располагаются в
вершинах шестигранника и по три – под и над его плоскостью во впадинах.
Следовательно, наиболее плотными упаковками частиц в кристаллах
является упаковка в виде гранецентрированного куба и гексагональная упаковка.
Простые кубические кристаллические решетки имеют металлический
марганец и хлорид натрия, объемно-центрированную кристаллическую решетку
имеют железо, натрий, гранецентрированную – медь и кристаллический йод,
гексагональную – титан и цинк.
Кристаллы формируются при переходе жидкого состоянии в твердое –
кристаллизация расплавов, или при образовании осадков из растворов.
При очень быстрой кристаллизации кристаллическая решетка
сформироваться не успевает и формируется аморфное или стеклообразное
состояние веществ (оконное стекло).
Задача 1.3.
Вам известно, что в классификации солей выделяется отдельный
класс двойных солей, к которым относятся квасцы – двойные соли сульфатов
металлов. Алюмокалиевые квасцы представляют собой двойной сульфат калия и
алюминия общей формулы KAI(SO4)2·12H2О. Рассчитайте, какое количество
квасцов выпадет в виде кристаллов, если насыщенный раствор соли, имеющий
температуру 80 °С, охладить до комнатной температуры (20°С). Объем раствора
100 мл. Плотность раствора 1,21 г/см3 . Растворимость квасцов при 80 °С
составляет 89г/100 мл H2О, а при 20°С – 29г/100 мл H2О.
Решение: Масса 100 мл раствора квасцов составляет 100·1,21 = 121 г. В 100 г
H2О растворяется 89 г. квасцов и масса раствора составляет 189 г., в котором
содержатся 89 г. квасцов. Отсюда можно вычислить массу растворенной соли
при 80°С:
189 г 89 г. соли
121 г. Х
15
189
89121
89
⋅
18
10
5
⋅
⋅
57
=X г.
=
При кристаллизации это количество уменьшится в соотношении
растворимости соли при 80°С и 20°С т.е.
2957
6,18
=
г
следовательно, в виде кристаллов из раствора квасцов выделится
57 – 18,6 = 38,4 г. соли.
Жидкое состояние для человеческого организма является «родным», ведь
организм человека на 2/3 состоит из воды. Жидкости частично сохраняют
структуру кристаллов, из которых они образовались при повышении
температуры. Так, при таянии льда образуется «талая» вода, в которой степень
ассоциации молекул (ближний порядок) составляет 3,7. Почти 4 молекулы воды
образуют ассоциированную структуру, поэтому вода плавится при 0°С и кипит
при 100°С, что совершенно не соответствует её молекулярной массе (18). Даже
азот с молекулярной массой 28 кипит при -196°С.
Задача 1.4.
Вы подошли утром к красивому цветку, на лепестках которого
капли росы, и одну капельку слизнули языком. Рассчитайте, какое количество
молекул воды этой капли росы окажется в каждой клетке вашего организма, если
известно, что человек состоит приблизительно из 5 триллионов клеток. А объем 1
капли воды составляет 0,05 мл?
Решение: Мольное число Авогадро А = 6,02·1023 показывает, какое число
молекул содержатся в 1 моле H2О (18 г), тогда в 1 капле росы будет:
23
05,01002,6
⋅⋅
21
1067,1
⋅=
молекул,
а в каждой клетке организма окажется:
21
1067,1
⋅
15
6
103,3
⋅=
молекул,
т.е. 3,3 миллиона молекул воды в каждой клетке.
На этом основано применение сильных ядов в качестве лекарств
(гомеопатия), т.к. даже при очень малой дозировке ядов в клетках оказывается
довольно много его молекул, которые и оказывают лечебный эффект.
В природе мы постоянно наблюдаем, изменение агрегатного состояния
веществ – жидкая вода при понижении температуры замерзает и образуется
твердый лед, а при повышении температуры испаряется, переходя в пар.
Задача 1.5. На превращении воды в пар (испарение) и обратном переходе в
жидкое состояние основано действие паровых машин. Рассчитайте, во сколько
раз увеличится объем воды при испарении 1 моль воды (18 г.).
Решение: Мольный объем любого вещества (при н.у.) равен 22,4 л, а объем
воды равен 18 мл, т.е. 0, 018 л, тогда увеличение объема составит:
4,22
1244
= раза
018,0
Многие твердые вещества при разложении часто переходят в газообразное
состояние, такой процесс называют взрывом.
16
2
Задача 1.6. Определите, какое количество газообразных веществ образуется
при взрывном разложении 1 моля нитрата аммония. При разложении нитрата
аммония образуются только газообразные вещества.
Решение: Напишем реакцию взрывного разложения нитрата аммония:
0
Ct
2
1
OOHNNONH
++→
22234
1 моль 22,4 л 44,8 л 11,2 л
Суммируя объем газов, получим:
22,4 + 44,8 + 11,2 = 78,4 л
При этом взрывается всего 1 моль вещества, т.е 80 г вещества.
Задачи для самостоятельного решения.
1.7. Давление газа, занимающего объем 5 литров, равно 40,0 кПа. Каким
станет давление, если при той же температуре объем газа будет равен 2 л?
Ответ
: 100 кПа.
1.8. Газ занимает объем 100 л при нормальном давлении (101,325 кПа).
Какое давление потребуется для его сжатия до объема 20 л, если температура при
этом остается без изменения? Ответ: 506,5 кПа
1.9. При 27°С газ занимает объем 2,34 л. Какой объем будет занимать этот
газ при 327°С и неизменном давлении? Ответ: 4,68 л
1.10. Вычислите массу гидроксида натрия, необходимую для приготовления
2 л 20%-ного раствора NaOH (плотностью 1,225 г/мл). Ответ: 490 г
1.11.Какой объем воды необходимо прибавить к 200 мл 68%-ного раствора
серной кислоты (плотностью 1,4 г/мл), чтобы получить 10%-ный раствор серной
кислоты? (Помните, что при смешении надо более тяжелое добавлять к более
легкому, т.е. кислоту вливать в воду!) Ответ: 190,4 мл
1.12. Почему при нагревании в пробирке кристаллика йода образуются
фиолетовые пары, а кристаллик исчезает?
1.2. Химическая связь и реакционная способность соединений.
Химическая связь - это сила, удерживающая вместе два или несколько
атомов. Когда два атома водорода сближаются, то они притягиваются друг к
другу за счет электростатического взаимодействия ē, (несущих отрицательный
заряд) и ядер (положительный заряд). При слишком малом расстоянии
усиливается отталкивание электронных оболочек и ядер. Результирующая кривая
имеет минимум, который отвечает энергии связи между атомами водорода в
молекуле Н
.
2
Существуют два подхода к объяснению природы химической связи:
электростатический и кванотовохимический. Электростатическая теория
рассматривает химическую связь как взаимодействие заряженных частиц, а
квантовохимическая теория распространяет представления о строении атомов на
молекулы и кристаллы.
17
Согласно современным представлениям химическая связь осуществляется
при участии валентных электронов. У s- и p-элементов валентными являются
электроны внешнего слоя, а у d-элементов и предвнешнего. В зависимости от
характера распределения валентных электронов в веществе различают три типа
химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.
Задача 1.13. Вселенная на 90% состоит из водорода. Колебания атомов в
молекуле водорода порождают излучение на длине волны в 21 см. Именно на
этой длине волны в радиодиапазоне предполагается возможность связи с
внеземными цивилизациями. Какую простейшую радиограмму Вы послали бы
иным цивилизациям с информацией о жизни на земле?
Решение: Самый простой сигнал можно послать в режиме азбуки морзе, т.е.
короткие (точки) и длинные сигналы – тире. Тире – это может быть и
изображение молекулы водорода черточка между атомами водорода. Тогда
можно сформировать сигнал, что мы жители водной планеты: -.-------- так
можно изобразить молекулу воды, где кислород и молекула водорода
соотносятся по массам как 8:1. Информацию о жителях земли можно
закодировать через длину волны излучения водорода. Средний рост жителя
.
приблизительно 7
21 = 147 см или: -------. В общем сигнал будет выглядеть так: -
.--------.-------. Предложите свой вариант общения с внеземными цивилизациями.
1.2.1.Ковалентная химическая связь.
Единой теории химической связи, позволяющей объяснить все частные
случаи, не существует. По этой причине применяют различные модели. Для
объяснения ковалентной связи чаще применяется метод валентных связей (ВС).
Идея этой модели заключается в том, что химическая связь в сложных частицах
(молекулах) предельно упрощается и считают, что ковалентная химическая связь
является двухцентровой, двухэлектронной, т.е. каждая пара атомов в молекуле
связана электронной парой. Связывающая электронная пара может
формироваться из одноэлектронных облаков каждого атома (обменный механизм
образования ковалентной связи), или из двухэлектронного облака одного и
свободной орбитали другого атома (донорно-акцепторный механизм).
Обменный механизм. Донорно-акцепторный
механизм.
. + .
Н
НH:H H-: + HH:H
Образование молекулы аммиака можно объяснить обменным механизмом, иона
аммония - донорно-акцепторным:
Обменный механизм. Донорно-акцепторный
механизм.
H
.
+3 .HH:N:H H3N: + H+NH
:N
+
4
18
Из приведенных примеров можно сделать вывод, что ковалентная связь
насыщаема, т.е. каждый атом может образовывать лишь определенное число
связей с другими атомами и это зависит от числа его валентных электронов и
механизма образования связи.
Химические связи могут быть как одинарными, так и кратными. При
перекрывании электронных облаков вдоль линии связи образуются т.н. сигма-
связи (σ-связи). Возможно также перекрывание электронных облаков
перпендикулярно линии связи. Такие связи называются пи-связями (π-связи).
Сигма- и пи- связи наблюдаются в соединениях с кратным числом связей.
Например, в молекуле азота имеется тройная связь (одна сигма-типа и две питипа). Высшая возможная кратность ковалентной связи равна трем. Энергия
связи в молекуле азота равна 940 кДж/моль.
Когда рассматривается химия азота, то неорганики говорят, что молекула
азота химически инертна, потому, что она очень прочна - в ней тройная
химическая связь. В тоже время, когда органики рассматривают химию
ацетилена, то говорят, что ацетилен химически активен потому, что в его
молекуле тройная химическая связь.
Из этого следует, что реакционная способность молекул тонко зависит не
только от прочности химических связей, но и от их характера.
Действительно, в молекуле ацетилена связь также очень прочна и
составляет 828 кДж/моль. Но такое небольшое ослабление связи по сравнению с
молекулой азота увеличивает длину связи до 0,12 нм (у азота 0,1095 нм). Писвязи очень чувствительны к увеличению расстояния, что связано с ухудшением
пи-перекрывания электронных облаков. В результате в молекуле ацетилена писвязи значительно слабее сигма-связей, что и увеличивает его реакционную
способность по сравнению с азотом, где прочность σ-связи и π-связей примерно
одинакова.
Задача 1.14.
Определите число сигма- и пи-связей в молекуле ацетилена.
Решение. В молекуле ацетилена кроме одной сигма- и двух пи-связей между
атомами углерода есть еще две сигма-связи между атомами углерода и
водорода. Следовательно в молекуле ацетилена 3 сигма- и 2 пи-связи.
1.2.2. Геометрия молекул и их реакционная способность.
Число σ-связей в молекуле определяет координационное число центрального
атома. Например, углерод в молекуле CO2 имеет координационное число 2, а в
молекуле метана- CH4, координационное число 4. В зависимости от
координационного числа центрального атома молекула будет иметь различную
геометрическую конфигурацию. Основных геометрических конфигураций
немного, они приведены в таблице 1.1.
19
Таблица 1.1.
Основные геометрические конфигурации молекул.
Координационноечисло
центрального атома
Пространствен-
ная
Название
Пример
конфигурация
1 Гантель СО
2 Линейная СО2
3
Треугольная
SO
3
4
Тетраэдрическая
CH
4
5
Бипирамидальная
PF
5
6 Октаэдрическая
SF
6
Кроме сигма-связей в молекуле могут быть и пи-связи, а также валентные
электроны не использованные для образования химических связей, т.н. НЭП -
несвязывающие электронные пары. Так, в молекуле азота есть тройная связь
между атомами (1сигма- и две пи-связи) и у каждого атома есть одна НЭП:
σ
: :N N≡
2
π
Сигма-связи и НЭП в молекулах за счет электростатического отталкивания
располагаются на максимально возможном удалении друг от друга в
пространстве, например в молекуле аммиака:
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]