Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. (Основы химии для самостоятельного изучения). Учебное пособие
.pdf
sp2 – пл. треугольник B* s
p
BF
3
σ F σ
F
σ F
Примером молекулы, в которой осуществляется
sp2 – гибридизация, может служить молекула фторида
бора BF3. Здесь вместо исходных одной s- и двух p-
орбиталей возбужденного атома бора образуются три
равноценных sp2 – орбитали, которые расположены в
одной плоскости под углом 120 градусов друг к другу.
Поэтому молекула BF3 построена в форме пра-
вильного треугольника, в центре которого располо-
жен атом бора, а в вершинах – атомы фтора. Все три связи B - F в молекуле
BF3 равноценны.
3. При участии в – связях 1s– и 3р–орбиталей образуется sр3 – тип
гибридизации, соответствующий тетраэдрической форме молекулы с углом
– 109º 3׳. По этому типу построены молекулы метана, оксида кремния, иона
аммония и т. д.
sp3 – тетраэдр C* s
CF4
p
σ F σ F
σ F
σ F
Если в гибридизации участвуют одна s- и три p- орбиталей (sp3 – гибри-
дизация), то в результате образуются четыре гибридные sp3 –орбитали, вытя-
нутые в направлениях к вершинам тетраэдра. Такая гибридизация осуществляется, например, в возбужденном атоме
углерода при образовании молекулы тетрафторметана
СF4. Поэтому молекула метана имеет форму тетраэдра,
причем все четыре связи С- F в этой молекуле равноценны.
При наличии неподеленной электронной пары на s –
орбитали тетраэдрическая структура переходит в триго-
нальную пирамиду (sр
3
→р
3
) – участие только трех равноценных р – АО. Этому
варианту соответствует молекула аммиака (NH3).
Тетраэдрическая гибридизация электронной пары азота в аммиаке отлича-
ется от трех других. Валентный угол между атомами водорода также отличается от тетраэдрического угла, хотя
и близок ему, и составляет 107º2׳.
Если же неподеленных пар две (Н2О), триго-
нальная пирамида может перейти в уголковую моле-
кулу с участием только р2– АО. Отклонение от угла
109,5о в молекуле воды обусловлено асимметрией в распределении электрон-
ных облаков, окружающих атом кислорода. Валентный угол становится равным 104º5׳. Подобные структуры характерны для водородных соединений эле-
ментов VI–А подгруппы: Н
2
S, Н2Se, Н2Te и т. п., у которых этот угол
уменьшается до 92º – 89º, в связи с более сильным отталкиванием электронных пар и увеличением атомного радиуса p – элементов.
8. Химическая термодинамика
Химическая термодинамика – это наука, изучающая взаимные превра-
щение различных видов энергии, которые сопровождают любые химические
реакции.
8.1. Тепловой эффект химических реакций
В результате реакций горения веществ в атмосфере кислорода выделя-
ется тепло, которое можно увидеть и почувствовать. Если же смочить кожу
руки спиртом или ацетоном, теплота, наоборот, затрачивается или поглощается, и мы можем почувствовать охлаждение. Таким образом, можно говорить
о выделении или поглощении энергии.
Например, продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию
самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище (эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной температуры тела).
Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в хи-
мических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется
затрата энергии. Когда химическая связь образуется, энергия выделяется.
Любая химическая реакция сопровождается разрывом одних хими-
ческих связей и образованием других.
Пример. Природный газ (метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого
количества теплоты (Q, Дж или кДж):
CH4 + 2О2 CО2 + 2Н2О + Q.
Реакции, идущие с выделением тепла называются экзотермическими от
латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).
В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется
энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие
реакции происходят только при подводе энергии извне и называются эндотер-
мическими (от латинского "эндо" - внутрь).
Пример. Образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании. С + Н2О (tC) CO + H2 – Q.
Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделе-
нием или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или погло-
щается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии).
Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях
(кДж) для 1 моля продукта реакции. Такая величина называется тепловым
эффектом химической реакции.
Пример. Тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым
из двух уравнений: H2г + ½O2г = H2Ож + 286 кДж/моль.
Уравнение выражает тепловой эффект экзотермической реакции образо-
вания 1 моля воды из водорода и кислорода.
Значки (г, ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ.
Встречаются также обозначения (тв) или (к) - твердое, кристаллическое вещество, (водн.) - растворенное в воде вещество и т.д.
Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение.
Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются термохимиче-
скими уравнениями.
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических
расчетов. В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплоты сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Теплота сгорания – это тепловой
эффект химической реакции горения, отнесенный к 1 молю горючего вещества.
8.2. Энтальпия
Энтальпия – это величина, которая характеризует запас энергии в веществе, его теплосодержание. Чем больше запас энергии, тем больше энтальпия вещества. Тепловой эффект реакции (при постоянном давлении) равен
изменению энтальпии (ΔН), но противоположен ей по знаку (Q= – Н).
Для экзотермической реакции Q > 0, ΔН < 0, поскольку относительно
реагентов энергия теряется в окружающую среду. И наоборот, для эндотер-
мической реакции Q < 0, ΔН > 0 – энергия приобретается из окружающей
среды.
Таким образом, термохимическое уравнение одной и той же реакции
можно записать по-разному:
H
2г
+ ½O2г = H2Ож + 286 кДж/моль или
H2г + ½O2г = H2Ож, ΔН = –286 кДж/моль.
Существует понятие стандартной энтальпии образования, которая
обозначается ΔH
f298
. Ее значения приводятся в справочных таблицах (cм.
Приложение 4). Величины стандартной энтальпии образования характеризуют
термодинамическую устойчивость веществ. Чем ниже это значение, тем
устойчивее это вещество при стандартных условиях.
В стандартных условиях энтальпии образования (ΔH
f298
) простых ве-
ществ, таких например, как О2г, С
графит
, Feтв и т. п., равны 0. Это позволяет
рассчитать тепловые эффекты любых химических реакций, в том числе реакций фазового перехода.
Стандартным называется устойчивое агрегатное состояние вещества
или его аллотропная модификация, при нормальных условиях (Т = 298 К, Р =
101,3 кПа).
ПРИМЕР.
Стандартное состояние
Нестандартное состояние
Н2О (ж)
Н2О (г), Н2О (т)
С (граф)
С (алм)
Вr2 (ж)
Вr2 (г)
ПРИМЕР.
Состояние углерода в виде графита более устойчиво, чем в виде алмаза при стандартных
условиях, Н
298
(Сгр) = 0, а Н
298
(С
алм
) = 2 кДж/моль. Следовательно, алмаз будет стре-
миться превратиться в графит при стандартных условиях.
8.3. Расчет тепловых эффектов химических реакций
Тепловые эффекты сложной химической реакции рассчитываются по разно-
сти между суммами энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов уравнения.
НХР = Н
298
ni – Н
298
mi.
продуктов реакции исходных веществ
Пример. Рассчитать тепловой эффект химической реакции:
Са(ОН)
2(р)
+ 2НСI
(р)
СаСI
2(тв)
+ 2Н2О
(ж)
.
НХР= [Н
298 СаСI2(т)
+ 2Н
298 Н2О(ж)
] - [Н
298 НСI(р)
+ Н
298 Са(ОН)2(р)
].
В данное уравнение подставляются значения энтальпий образования, взятые из таб-
лиц стандартных значений энтальпий образования.
Компоненты реакции
Н
298
Са(ОН)2р
- 985,9
НСIр
- 92,3
СаСI
2тв
- 795,9
Н2Ож
- 285,8
НХР= [-795,9 - 2285,9] - [-92,32 - 985,9] = - 197,2 кДж.
Тепловые эффекты сложной химической реакции складываются из
тепловых эффектов ее отдельных стадий, они не зависят от хода процесса, но определяются начальным и конечным агрегатными состояниями реагирующих веществ и продуктов реакции. Данное определение вы-
ражает закон Г. И. Гесса, экспериментально установленный в 1840 г. и иллюстрирующийся следующим образом.
ПРИМЕР. Горение углерода в кислороде – сложная химическая реакция, состоящая из
двух стадий.
С
(ТВ)
+ ½ О
2(Г)
= СО
(Г)
, НI = – 110 кДж/моль
СО
(Г)
+ ½ О
2(Г)
= СО
2(Г)
, НII = ? кДж/моль
_________________________________________________
С
(ТВ)
+ О
2(Г)
= СО
2(Г)
, НХР = – 393 кДж/моль.
Определить неизвестный тепловой эффект промежуточной стадии можно, пользу-
ясь законом Гесса: НI + НII = НХР, откуда
НII = Н
ХР
– НI = –393 + 110 = –283 кДж/моль.
Большое практическое значение для расчетов тепловых эффектов хими-
ческих реакций имеют следствия из закона Гесса:
изменение энтальпии химической реакции не зависит от числа ее проме-
жуточных стадий;
энтальпия прямой химической реакции равна взятой с противоположным
знаком энтальпии обратной реакции;
энтальпия прямой химической реакции равна сумме значений энтальпий
образования продуктов минус сумма значений энтальпий образования исходных веществ.
Библиографический список
1. Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы. -М.: Новая
волна, 2002 г. 480 с.
2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. − М.: Высшая
школа, 2005. – 280 с.
3. Пресс И.А. Основы общей химии [Электронный ресурс]: учебное посо-
бие. – Электрон. текстовые данные. СПб.: Химиздат, 2014 – 352 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/22542 – ЭБС «IPRbooks».
4. Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия: сборник основных формул. - М.:
АСТ, 2013. - 96 с.
5. Варавва Н.Э., Мешкова О.В. Универсальный справочник школьника. -
М.: Эксмо, 2012. - 528 с.
Приложение 1
Таблица степеней окисления и латинских названий элементов
(алфавитный указатель)
Элемент
Название
Степень окисления
Латинское название
7N
Азот
-III, 0, +I, II, III, IV, V
Nitrogenium
13Al
Алюминий
0, +III
Aluminium
56Ba
Барий
0, +II
Barium
5B
Бор
-III, 0, +III
Borum
35Br
Бром
-I, 0, +I, V, VII
Bromum
83Bi
Висмут
0, +III, V
Bismuthum
1H
Водород
-I, 0, +I
Hydrogenium
26Fe
Железо
0, +II, III, VI
Ferrum
79Au
Золото
0, + I , III
Aurum
53I
Йод
-I, 0, +I, V, VII
Jodum
48Cd
Кадмий
0, + II
Cadmium
19К
Калий
0, +I
Kalium
20Ca
Кальций
0, + II
Calcium
54Xe
Ксенон
0, + II , IV, VI, VIII
Xenon
8O
Кислород
-II, I, 0, +II
Oxygenium
27Co
Кобальт
0, +II, III
Cobaltum
14Si
Кремний
-IV, 0, +11, IV
Silicium
3Li
Литий
0, +I
Lithium
12Mg
Магний
0, + II
Magnesium seu Magnium
25Mn
Марганец
0, +II, IV, VI, VIII
Manganum
29Cu
Медь
0, +I, -II
Cuprum
33As
Мышьяк
- III , 0 , +III, V
Arsenicum
11Na
Натрий
0, +I
Natrium
28Ni
Никель
0, +II, III
Niccolum
50Sn
Олово
0, + II , IV
Stannum
78Pt
Платина
0, +II, IV
Platinum
44Ru
Рутений
0, +II, IV, VI, VIII
Ruthenium
80Hg
Ртуть
0 , +I, II, IV
Hydrargyrum
16S
Сера
-II, 0, +IV, VI
Sulfur
47Ag
Серебро
0, +I
Argentum
51Sb
Сурьма
0, +III, V
Stibium
38Sr
Стронций
0, + II
Strontium
82РЬ
Свинец
0, +II, IV
Plumbum
22Ti
Титан
0, + II , III, IV
Titanum
6C
Углерод
-IV, I, 0, +II, IV
Carboneum
15P
Фосфор
-III, 0, +I, III, V
Phosphorus
9F
Фтор
-I, 0
Fluоrum
17Cl
Хлор
-I, 0, +I, III, IV, V, VI, VII
Chlorum
24Cr
Хром
0, + II , III , VI
Chromium
30Zn
Цинк
0, + II
Zincum
Приложение 2
Константы диссоциации кислот и оснований
Электролит
Константа диссоциации
Название аниона
K1/ К2/ К3
А• Киcлоты
Азотистая HNO2
5,110–4
Нитрит
Азотная HNO3
10
Нитрат
Алюминиевая (мета) НАlО
2
4,0 10
–13
Метаалюминат
Борная (мета) НВО
2
7,5 10
–10
Метаборат
Борная (орто) Н3ВО3
5,8 10
–10
Ортоборат
Борная (тетра) Н2В4О7
1,8 10–4
Гидротетраборат
2 10–8
Тетраборат
Бромноватистая НВrО
2,5 10–9
Гипобромит
Бромоводородная HBr
10
9
Бромид
Бромная НBrО
4
~10
8
Пербромат
Бромноватaя НBrО
3
2,0 10
– 1
Бромат
Винная Н2С4Н4О6
9,1 10–4
Гидротартрат
4,3 10–5
Тартрат
Дихромовая H2Cr7O
7
2,3 10–2
Дихромат
Иодноватистая НIO
2,3 10
–11
Гипоиодид
Йодноватая НIO3
1,6 10–1
Иодат
Иодная H5IO
6
2,45 10
– 2
Тетрагидропериодат
4,3 10
– 9
Тригидропериодат
1,0 10
– 15
Дигидропериодат
Иодоводородная HI
10
11
Иодид
Кремниевая (мета) H2SiO3
2,2 10
–10
Гидрометасиликат
1,6 10
–12
Метасиликат
Кремниевая (орто) H4SiO
4
2,0 10
–10
Тригидроортосиликат
2,0 10
–12
Дигидроортосиликат
1,0 10
–12
Гидроортосиликат
Марганцовая HMnO
4
2,0 10
2
Перманганат
Марганцовистая H2MnO
4
~10
– 1
Гидроманганат
7,1 10
– 11
Манганат
Продолжение прил. 2
Электролит
Константа диссоциации
Название аниона
K1/ К2/ К3
А• Киcлоты
Муравьиная НСООН
1,8 10–4
Формиат
Мышьяковая (орто) Н3AsO4
6,0 10–3
Дигидрооргоарсенат
1 10–7
Гидроортоарсенат
3,0 10
–12
Ортоарсенат
Мышьяковистая Н3AsO3
5,1 10
–10
Дигидрооргоарсенит
3 10
– 14
Гидроортоарсенит
Ортоарсенит
Пероксид водорода Н2O2
2,0 10
–12
-
Плавиковая HF
6,8 10–4
Фторид
Роданистоводородная HSNC
~10
Роданид
Селенистая Н2SeО
3
2,4 10
–3
Гидроселенит
4,8 10–9
Селенит
Селеновая Н2SeO
4
1 10
3
Гидроселенат
1,3 10–2
Селенат
Серная Н2SO4
1,0 10
3
Гидросульфат
1,2 10–2
Сульфат
Синильная HCN
6,2 10
–10
Цианид
Сернистая Н2S О3
1,7 10–2
Гидросульфит
6,2 10–8
Сульфит
Сероводород Н2S
1 10–7
Гидросульфид
1 10
–14
Сульфит
Тиосерная H2S203
2,5 10–1
Гидротиосульфат
1,9 10–2
Тиосульфат
Тиоциановая HCNS
1,4 10–1
Тиоцианат
Угольная Н2СО3
4,5 10–7
Гидрокарбонат
4,8 10
–11
Карбонат
Уксусная СН3СООН
1,8 10–5
Оксалат
Фосфористая Н2(Н) РО3
1,6 10–2
Гидроортофосфит
Н(Н) РО
3
-
2 10–7
Ортофосфит
Продолжение прил. 2
Электролит
Константа диссоциации
Название аниона
K1/ К2/ К3
А• Киcлоты
Фосфорная (ди) Н4Р2О7
10–1
Тригидродифосфат
10–2
Дигидродифосфат
10–9
Гидродифосфат
Фосфорная (мета) НРО3
-
Метафосфат
Фосфорная (орто) Н3РO4
7,6 10-5
Дигидроортофосфат
6,2 10–8
Гидроортофосфат
4,2 10
-13
Ортофосфат
Фосфорноватистая Н(Н2)РО2
7,9 10–2
Гипофосфит
Фтороводородная НF
6,6 10–4
Фторид
Хлористая НClО2
1,1 10
–2
Хлорит
Хлорная НСlО4
~108
Перхлорат
Хлорноватая НСlО3
~10 3
Хлорат
Хлорноватистая НСlO
5 10–8
Гипохлорит
Хлороводородная НСl
107
Хлорид
Хромовая H2CrO4
1,1 10
-1
Гидрохромат
3,2 10–7
Хромат
Цианистоводородная HCN
5,6 10
-10
Цианид
Щавелевая Н2С2О
4
5,6 10
-2
Гидрооксалат
5,4 10
-5
Оксалат
Электролит
Константа диссоциации
Название катиона
K1/ К2/ К3
Б•Основания
Аммиак NH3 + H20
1,76 10-5
Аммония (…..)
Гидразин N2H4 + Н20
9,8 10–7
Гидрозин (…..)
Гидроксиламин NН2OH+Н2O
9,6 10–9
Гидроксиламин (…..)
Гидроксид алюминия Аl(0Н)
3
8,3 10-9
Дигидроксоалюминия…
2,1 10–9
Гидроксоалюминия…
1,38 10–9
Алюминия…..
Окончание прил. 2
Электролит
Константа диссоциации
Название катиона
K1/ К2/ К3
Б•Основания
Гидроксид бария Ва(ОН)2
-
Гидроксобария…
2,3 10
-1
Бария ….
Гидроксид железа Fe(ОН)2
1,2 10
-2
Гидроксожелеза…
1,3 10–4
Железа (II)…..
Гидроксид железа Fe(ОН)3
4,8 10
-11
Дигидроксожелеза (III)….
1,3 10
–11
Гидроксожелеза (III)….
1,3 10
–12
Железа (III)….
Гидроксид кальция Са(ОН)2
-
4,0 10–2
Кальция …
Гидроксид лития LiОН
6,8 10–1
Лития….
Гидроксид магния Mg(ОН)2
-
2,5 10–3
Магния …..
Гидроксид меди Сu(ОН)2
-
3,4 10–7
Меди …..
Гидроксид никеля Ni(ОН)2
-
3,4 10–5
Никеля …..
Гидроксид хрома Сr(ОН)3
-
-
1,0 10
–10
Хрома (III)…..
Гидроксид серебра AgOH
5,0 10–3
Серебра …..
Гидроксид цинка Zn(OH)
2
8,3 10
-5
Гидроксоцинка ….
1,5 10
-7
Цинка ….
Гидроксид свинца Pb(OH)
2
9,6 10
– 4
Гидроксосвинца (II)….
3,0 10
– 8
Свинца (II)….
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]