Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы химии. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учрежде-
ние высшего образования
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕ-
КОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
Кафедра физики
Г.Н. Гончарова
ХИМИЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ
Учебное пособие
Самара
2017
1
УДК 54
Г
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, протокол № 28 от 15.02. 2017 г
Гончарова, Г.Н.
Теоретические основы химии: учебное пособие/ Г.Н. Гончарова. – Са-
мара: ПГУТИ,2017.- 84с.
Учебное пособие «Химия» содержит теоретическую часть по основным свойствам химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева по группам и подгруппам, также
изучается электронное строение атомов и типы химических связей. Учебное пособие разработано в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров и магистров
12.03.03 – Фотоника и оптоинформатика, 11.03.01 – Радиотехника, 27.03.05 - Инноватика,
27.03.04- Управление в технических системах, 09.03.02 – Информационные системы и тех-
нологии. Предназначено для студентов 1 курса ФБТО и ФИСТ для практических занятий, самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ.
ISBN
©, Гончарова Г.Н., 2017
2
Оглавление
Список сокращений и обозначений ................................................................................................. 5
Введение ............................................................................................................................................. 6
Теоретические основы химии. Строение вещества ....................................................................... 8
Раздел 1. Основные понятия и законы ............................................................................................ 8
1.1. Основные законы естествознания, используемые в химии ................................................ 8
1.1.1. Закон сохранения массы ............................................................................................. 8
1.1.2. Закон постоянства состава .......................................................................................... 8
1.1.3. Закон кратных отношений .......................................................................................... 8
1.1.4. Закон простых объемных отношений ........................................................................ 9
1.1.5. Закон Авогадро ............................................................................................................ 9
1.1.6. Закон эквивалентов ................................................................................................... 11
1.2. Международная система физических величин, применяемая в химии ....................... 11
1.3. Основные понятия, используемые в химии ................................................................... 12
1.4. Классы неорганических соединений .................................................................................. 13
1.4.1. Классификация веществ................................................................................................ 14
Вопросы для самоконтроля ........................................................................................................ 15
Раздел 2 Электронное строение атома .......................................................................................... 15
2.1 Основные сведения о строении атома ................................................................................. 15
2.2 Электронное строение атома ............................................................................................ 17
2.2.1 Квантование .................................................................................................................... 18
2.2.2 Двойственная природа электрона ................................................................................. 19
2.3 Вероятностный характер законов микромира .................................................................... 20
2.3.1 Принцип неопределенности .......................................................................................... 20
2.3.2 Волновое уравнение ....................................................................................................... 21
2.3.3. Квантовые числа ............................................................................................................ 22
2.4 Атомные орбитали (АО) ....................................................................................................... 23
2.5 Электронная структура атомов ............................................................................................ 25
2.5.1 Энергетические уровни и подуровни в атомах ........................................................... 25
2.5.2 Многоэлектронные атомы ............................................................................................. 26
2.6 Функция радиального распределения вероятности ........................................................... 29
2.7 Магнитные и энергетические характеристики атомов ...................................................... 30
Вопросы для самоконтроля ........................................................................................................ 31
Раздел 3 Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева ............................ 32
3.1 Структура периодической системы химических элементов ............................................. 32
3.1.1 Блочная sfdp- структура периодической таблицы Д. И. Менделеева ....................... 33
3.2 Порядковый номер элемента Z ............................................................................................ 34
3.3 Периодическое изменение свойств элементов ................................................................... 40
3.3.1 Вертикальная периодичность ........................................................................................ 41
3.3.2 Горизонтальная периодичность .................................................................................... 42
3.3.3 Диагональная периодичность ........................................................................................ 43
Вопросы для самоконтроля ........................................................................................................ 44
3.4 Электроотрицательность ...................................................................................................... 45
Раздел 4. Химическая связь и строение молекул ......................................................................... 49
4.1 Молекулы, общие понятия о химической связи ................................................................. 49
4.1.1. Основная физическая идея метода валентных связей ............................................... 52
4.1.2. Основные понятия о методе молекулярных орбиталей ............................................. 53
4.1.3 Метод ВС ......................................................................................................................... 53
4.1.4. Характерные особенности ковалентной связи ........................................................... 58
4.1.5 Валентность элемента .................................................................................................... 62
4.2 Структура ковалентных молекул типа AB .......................................................................... 63
4.2.1 Гибридизация АО ........................................................................................................... 63
3
4.3 Полярность ковалентной связи. Энергия этой связи. Ионная связь. ............................... 65
4.3.1 Полярная ковалентная связь .......................................................................................... 65
4.3.2 Ионная связь ................................................................................................................... 66
4.3.3 Поляризация ионов ......................................................................................................... 67
4.4 Межмолекулярое взаимодействие ....................................................................................... 68
4.4.1 Ван-дер-ваальсово взаимодействие .............................................................................. 69
4.4.2 Водородная связь ............................................................................................................ 73
4.5. Агрегатные состояния вещества ......................................................................................... 75
4.5.1 Твердое состояние .......................................................................................................... 75
4.5.1.1. Кристаллическое состояние вещества ...................................................................... 75
4.5.1.2. Аморфное состояние вещества ................................................................................. 77
4.5.2. Жидкости ........................................................................................................................ 78
4.5.3. Газообразное состояние вещества ............................................................................... 79
4.5.4. Плазменное состояние вещества .................................................................................. 79
4.5.5. Промежуточные состояния вещества .......................................................................... 80
Вопросы для самоконтроля ........................................................................................................ 81
Список литературы .......................................................................................................................... 82
Глоссарий ......................................................................................................................................... 83
4
Список сокращений и обозначений
АО - атомная орбиталь
NA - число Авогадро
ГАО - гибридная (гибридизированная) орбиталь
ХИТ - химический источник тока
Па - Паскаль единица измерения давление в СИ 1 Па = 1 Н/ м2
nЭк(B) – число эквивалентов
U – внутренняя энергия
E – полная энергия
En – потенциальная энергия
Eк – кинетическая энергия
Eu – ионизация атомов
Ee – сродство атомов к электрону
G - Гиббса
H – энтальпия
W - работа
Wm – механическая работа
Wэ – электрическая работа
Q - теплота
Qv – при постоянном объеме
Дж Джоуль - единицы измерения энергии
1 [Эв] = 96,495 [Дж]
λ – длина волны
- частота излучения
с – скорость света
ЭО () - электроотрицательность
- связь
-связь
ΔHº(298К) - стандартная энтальпия реакция
5
Введение
Знание человека о самом себе и об окружающем его мире после научной ре-
волюции 17 века, связанной с именами Галилея и Ньютона, постепенно составили
несколько различных естественнонаучных дисциплин. Такое разделение естественных наук на физические и биологические, а физических в свою очередь, на
физику и химию, позволило выделить во всѐм возрастающем объѐме научных
знаний более обозримые части. В то же время не следует забывать, что представления, методы и применения различных наук взаимосвязаны. В этом отношении
химия играет главную роль среди фундаментальных естественных наук, так как в
любой сфере человеческой деятельности, связанной с какими либо проявлениями
материального мира, неизбежно приходится сталкиваться с химическими свойствами различных веществ – прочностью, способностью взаимодействовать с
другими веществами, а так же с изменением указанных слов при изменении температуры, давления и других фактов.
В современной научно-технической революции химия играет исключитель-
но важную роль. Нет ни одной отрасли промышленного производства, не связанной в той или иной степени с применением химии, будь то непосредственное
использование химических превращений в основном технологическом процессе
или очистка промывных и сточных вод, утилизация отходов. Существо дела состоит в том, что лишь подвергая природное сырьѐ (дерево, руды, нефть, газ и др.)
химической переработке, удается получать необходимые металлы для промышленности, горюче-смазочные материалы для транспорта, полимеры, пластические
массы, лаки, краски, лекарственные препараты и многое другое.
Среди природных и получаемых искусственно материалов особое место за-
нимают твѐрдые вещества. Например: освоение космического пространства
немыслимо без создания специальных сплавов и керамических покрытий, устойчивых в жѐстких условиях входа летательных аппаратов в атмосферу планет и
разнообразных радиационных воздействий. Так же современное приборостроение
невозможно представить без применения твердотельной электроники, базирующейся на широком применении полупроводников; ферритов; сегнетоэлектриков.
Химия представляет собой неотъемлемую часть общечеловеческой культуры.
Фундаментом науки о материалах, несомненно, являются физика и химия
твѐрдого тела. Физика твѐрдого тела концентрирует внимание на физических
свойствах, обусловленных как упорядочением, присущих твердотельному состоянию, так и возможным микро и макро нарушениям указанного порядка. Химия
твѐрдого тела располагает собственным арсеналом средств, который может и
должен быть использован при изучении существующих и создании новых материалов, обладающих необходимым комплексом свойств. Этот арсенал в первую
очередь составляют:
6
1. Учение о периодичности свойств химических элементов и их
соединений.
2. Теория химической связи.
3. Химическая термодинамика и учение о гетерогенных равно-
весиях.
4. Учение о химических процессах в неравновесных условиях
(химическая кинетика).
5. Химия поверхности и электрохимические процессы.
Итак. Химия - это наука о свойствах вещества и его превращениях; она
включает в себя законы и принципы, описывающие эти превращения, а так же
представления и теории, позволяющие дать им объяснения. Химия изучает состав
и строение веществ, зависимость свойств от их состава и строения, условия и пути
превращения одних веществ в другие.
7
Теоретические основы химии. Строение вещества
Раздел 1. Основные понятия и законы
1. Номенклатура неорганических элементов.
2. Международная система единиц, применимая в химии.
1.1. Основные законы естествознания, используемые в химии
1. Закон сохранения массы (материи).
2. Закон постоянства состава.
3. Закон кратных отношений.
4. Закон простых объемных отношений.
5. Закон сохранения энергии.
6. Закон Авогадро.
7. Эквивалент.
1.1.1. Закон сохранения массы
Закон сохранения массы был установлен М.В. Ломоносовым (1711 – 1765)
экспериментальным путѐм в 1748 – 1756г. Несколько позже в 1789г. независимо от
Ломоносова французский химик Лавуазье показал, что сохраняется не только
общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ (Масса веществ вступивших в реакцию, равна массе
веществ, образующихся в результате реакции).
1.1.2. Закон постоянства состава
Закон постоянства состава (1799 Пруст) Всякое химическое соединение,
независимо от способа его получения содержит определѐнные элементы с одинаковым отношением масс. Если АВ в результате связывания 1 – го атома А и 1 – го
атома В, масса атома А в 4 раза больше, чем масса атома В, то соединение АВ
содержит точно 4 части А и1 часть В.
1.1.3. Закон кратных отношений
Многие элементы, соединяясь, друг с другом, могут образовывать разные
вещества. Так например, углерод с кислородом образует оксид углерода(II) CO и
диоксид CO2 . Изучая подобные соединения Джон Дальтон (англ. 1766-1844) в
1803г. установил закон кратных отношений. Если два элемента образуют друг с
8
другом несколько разных химических соединений, то в этих соединениях масса
Состав процента
масс, С m = 12
Состав процента
масс, О m = 16
Отношение С к
О
В дробях
СО
42,88
57,12
3:4
1,
33
СО2 27,29
72,71
3:8
2,
66
рассматриваемых элементов относится друг к другу, как небольшие целые числа.
Таблица 1
Иллюстрация к закону кратных отношений
Закон подтверждается представлениями о числе атомов, в этих двух молекулах, 16:12 – 1,33, так как отношение масс атомов кислорода и углерода равно 4:3.
1.1.4. Закон простых объемных отношений
С законом кратных отношений тесно связан закон простых объемных отношений (Гэй-Люссак, 1805 году; француз): Объемы вступающих в реакцию газов
относится друг к другу и к объему образующихся газообразных продуктов, реакция как небольшие целые числа.
Например, при взаимодействии двух объемов водорода и одного объема
кислорода образуется два объема вареного пара.
1.1.5. Закон Авогадро
Для разъяснения простых отношений между объемами газов, наблюдающиеся при химических реакциях, Авогадро (в 1811 году) установил закон. Идеальный
газ – важнейшая теоретическая модель газообразного состояния, для которого
энергия взаимодействия между молекулами пренебрежимо мала по сравнению с
кинетической энергией их хаотического (теплового) движения.
Закон Авогадро: В равных объемах идеальных газов при одинаковом дав-
лении температуре содержится одинаковое число молекул. Согласно закону
Авогадро, один моль любого идеального газа при нормальных условиях
(1,01*105 Па; 0 С0) занимает одинаковый объем (22,413383±0,00070)*10-3
куб.м.).
число Авогадро). Постоянная Авогадро равна (6,022045±0,00031)*1023 моль-1.
ских постоянных. Считается, что число частиц, содержащееся в одном моле
вещества, не зависит от его природы и внешних условий. Известно около 60 не-
Постоянная Авогадро( NA) - число молекул в одном моле вещества. (NA -
Постоянная Авогадро – одна из важнейших фундаментальных физиче-
9
зависимых методов определения числа Авогадро (например, на основе измере-
3
2
1
/AMNVr
ния заряда электрона или количества электричества, необходимого для электролитического разложения известного числа молей сложного вещества; на основе измерения броуновского движения; рассеяния света в воздухе; радиоактивного распада и др.).
Моль – это единица количества вещества, содержащее столько же
структурных единиц (атомов, ионов, молекул и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода
12
С.
Абсолютное значение атомов (атомной массы) любого элемента, а также
размер атомов рассчитываются с применением числа Авогадро.
m=A/NA
где А – масса одного моля вещества.
В настоящее время относительные атомные и молекулярные массы выра-
жают в углеродных атомных единицах массы. Углеродная атомная единица
массы – это 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12С.
1а.е.м.=(1,6605655±0,000086)*10
Международное обозначение – u. Применяется как единица массы эле-
-27
кг.
ментарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул.
Радиус атома (т.е. половина расстояния между центрами двух соседних
атомов) находят по формуле:
,
где r - радиус атома; VM – объем одного моля вещества.
Следует пояснить, что хотя согласно представлениям квантовой механики, атомы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, связанный с данным ядром на определенном расстоянии от этого ядра быстро убывает
с увеличением расстояния. Поэтому атому присваивают некоторый радиус, пологая, что в сфере этого радиуса заключена подавляющая часть электронной
плотности (90-98 %). Эти представления во многих случаях были подтверждены опытными данными.
Эквивалентом вещества – называется такое его количество, которое соединяется с одним атомом водорода или замещает тоже количество атомов водорода в химических реакциях [моль].
Эквивалентной массой – называется масса одного эквивалента вещества
Э
[г/моль].
в-во
Пример1:
Определить эквивалент и эквивалентную массу для следующих веществ:
HBr; H2O; NH3
Эквивалент ―Н‖= 1 моль, следовательно, эквивалент ―Br‖= 1 моль; эквивалент ―О‖= ½ моль; эквивалент ―N‖=1/3 моль.
ЭBr=79,9 г/моль
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]