КонспектЛекцХимияГорохов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

А.А. ГОРОХОВ

ОБЩАЯ ХИМИЯ

КУРС ЛЕКЦИЙ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2004

1

ББК 24я73

Г 67 УДК 54(075.8)

Рецензенты доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Н. Никитин, кандидат технических наук, доцент В.И. Федорченко

Горохов А.А.

Г67 Общая химия: Курс лекций. – 2-е изд. перераб. и доп. Оренбург:

ГОУ ОГУ, 2004. – 113 с.

ISBN 5-7410-0550-0

Курс лекций написан в соответствии с требованиями образовательной программы ГОСВО – Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников (введены в

действие с 27.03.2000 г. Госвузом России) и предназначено для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений.

2

Введение

Основные понятия химии

Химия – естественнонаучная дисциплина. Предмет химии. Основные понятия: система (открытая, закрытая, изолированная), состояние системы, параметры состояния, уравнение состояния; вещество, физические и химические превращения веществ; химические формулы и реакции. Моль.

Пожалуй, единственное, что постоянно в нашем мире, – это изменения. Многочисленные примеры изменений дает все окружающее нас: листва деревьев осенью меняет цвет, железо ржавеет, снег тает, из семян вырастают цветы. Мы вырастаем, стареем. Живые растения и животные подвергаются непрерывным изменениям, и даже мертвые растения и животные продолжают изменяться в процессе распада.

Понимание изменений тесно связано с пониманием природы и строения материи (вещества). Материя является физическим материалом Вселенной; это

– нечто, занимающее пространство и имеющее массу.

Химия как наука имеет дело прежде всего с веществом и происходящими с ним изменениями. Наука о свойствах вещества и его превращениях имеет двойственное происхождение. Во-первых, зарождение химии связано с такими старинными ремеслами, как выплавка металлов, пивоварение, дубление кожи и крашение. Поэтому происхождение слова «химия» чаще всего связывают с наименованием Древнего Египта – «Хем», что означает «черный», «темный» (очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил); смысл же названия – «египетская наука». Во-вторых, можно проследить ее происхождение от древнегреческой философии, которая задавалась вопросами об основных свойствах материи. Однако помимо этого химия – продукт врожденной человеческой любознательности и стремления понять окружающий мир безотносительно к практическому применению знаний. В результате естественного процесса, а не преднамеренного действия, знания человека о

3

самом себе и об окружающем его мире постепенно составили ряд дисциплин (физических и биологических), среди которых химия занимает центральное положение. Она трансформирует знания физики и математики и передает их другим наукам.

Современная химия составляет обширнейшую область человеческих знаний, объекты и методы исследования которой настолько разнообразны, что многие ее разделы являются по существу самостоятельными научными дисциплинами. Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и химия высокомолекулярных соединений. Четких границ между этими разделами не существует. Например, координационные и элементорганические соединения, представляют собой объекты, находящиеся в сфере исследований как неорганической, так и органической химии.

Важнейшие особенности современной химии:

1)дифференциация главных разделов химии на отдельные, во многом самостоятельные научные дисциплины. Так, например, на ряд дисциплин подразделяется физическая химия (химическая термодинамика, химическая кинетика, термохимия, учение о катализе, электрохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия);

2)интеграция химии с другими науками. В результате этого процесса возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, геохимия и космохимия;

3)появление новых, главным образом, физико-химических и физических методов исследования (структурный рентгеновский анализ, масс – спектрометрия, методы радиоспектроскопии и др.).

Как естественнонаучная дисциплина химия использует определенные понятия и определения. Понятия атом, молекула, химический элемент, вещество простое и сложное и др. известны из школьного курса химии, определения их можно взять из учебников. Чтобы перейти к изложению основ

4

химии, необходимо дать определения исходных понятий: система, состояния системы, параметры состояния системы и др.

Итак, система – это мысленно выделенная из среды совокупность материальных объектов. В зависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной и различного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т. е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота и некоторыми другими. Исходя из характера взаимодействия различных систем с окружающей средой, их подразделяют на открытые, закрытые и изолированные системы.

Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Например, к открытой системе можно отнести стакан с водным раствором сахара. В результате постепенного испарения воды из раствора в окружающую среду и теплообмена будет изменяться как масса системы, так и ее энергия.

Закрытой системой называют систему, в которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но она может обмениваться с ней энергией. Примером такой системы может служить раствор сахара, помещенный в стакан, закрытый пробкой.

Изолированной системой называют такую систему, объем которой остается постоянным и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой. К такому типу систем можно отнести водный раствор сахара, помещенный в закрытый стакан, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала. Понятие изолированная система является абстрактным (идеализированным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называется состоянием системы. В химии обычно рассматриваются те свойства, которые могут быть однозначно выражены через функции температуры, давления и концентрации веществ системы. Такие свойства

5

называются термодинамическими; они являются частью общих свойств (физических и химических) системы. К термодинамическим свойствам системы относят теплоемкость, внутреннюю энергию, энтропию и т. п.

Давление, температуру, объем и концентрацию компонентов обычно выбирают в качестве параметров состояния системы.

Давление, физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого (например, жидкость на стенки сосуда, газ в цилиндре двигателя на поршень).

Температура, физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Теоретически температура определяется на основании второго начала термодинамики как производная энергии тела по его энтропии. Таким образом, определенная температура всегда положительна; ее называют абсолютной температурой или температурой по термодинамической температурной шкале (термодинамическая температура). Единица абсолютной температуры в СИ – кельвин (К). Часто температуру измеряют в шкале Цельсия (t, 0С), она связана с Т(К) равенством t=Т-273,15К.

Для измерения объема в СИ используется единица, являющаяся производной метра, – кубический метр, 1 м3. Однако для большинства химических экспериментов эта единица слишком велика, поэтому обычно пользуются ее тысячной долей, 10-3 м3, называемой литром, либо миллионной долей, 10-6 м3, кубическим сантиметром. Кубический сантиметр – это то же самое, что и один миллилитр. Большая часть приборов для измерения объема градуирована в миллилитрах.

Концентрация – относительное количество данного компонента в системе (смеси, растворе, сплаве). Применяются различные способы выражения концентрации. Согласно Международной системе единиц (СИ) к концентрации следует относить только массовую и молярную концентрации.

6

Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве параметров выбраны Р, V и Т, то уравнение состояния можно записать в общем виде:

f (P, V,T) = 0

Так, для ν молей идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона

PV = νRT

Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях, определенными физическими свойствами (Н2О, Fe, S, СаО, О2) в химии называют веществом. Вещество может существовать в трех формах или состояниях: газообразном, жидком и твердом. Состояние, в котором находится вещество, определяется его температурой и давлением. Большинство веществ, находящихся в твердом состоянии, могут быть переведены в жидкое при их нагревании до температуры плавления, а при дальнейшем нагревании до температуры кипения они переходят в газообразное состояние.

Существует множество разнообразных физических и химических превращений. Железо превращается в ржавчину, мыло растворяется в воде и образует пену, вода замерзает зимой, превращаясь в лед, который тает весной и снова превращается в воду; кислоты нейтрализуются щелочами, растения взаимодействуют с питательными веществами почвы, воздухом, водой и солнечным светом, и в результате сложных превращений получаются пищевые продукты, которые мы едим.

Превращения, не изменяющие химического состава вещества, называются физическими превращениями. Например, плавление льда не изменяет химического состава молекул воды, хотя при этом изменяются связи между молекулами. При кипячении воды эта жидкость переходит в пар, при этом молекулы отделяются друг от друга. Сами молекулы воды при плавлении или кипячении не изменяются, таким образом, здесь мы имеем дело с физическими превращениями.

7

При химических превращениях происходит изменение состава вещества, химические связи в молекулах разрушаются или перестраиваются и образуются новые вещества. Состав оксида железа существенно отличается от железа и кислорода, из которых образуется ржавчина. При брожении сахара его молекулы разрушаются, давая диоксид углерода и этиловый спирт. Эти процессы относятся к химическим превращениям, потому что в результате получаются новые вещества.

Формула химического соединения представляет собой символическую запись отношения, в котором атомы различных элементов образуют это соединение. Соотношение атомов различных элементов в соединении указывается численными индексами после символа каждого элемента, входящего в соединение. Отсутствие индекса у символа элемента в формуле соединения указывает, что в мельчайшей частице этого соединения содержится один атом данного элемента. Например, диоксид углерода имеет формулу СО2, которая показывает что это соединение состоит из углерода и кислорода в отношении 1 атом углерода на 2 атома кислорода. Другие соединения (NaCl, AlF3) состоят из электрически заряженных частиц, называемых ионами. Ни в одном из ионных соединений нельзя обнаружить молекул NaCl и AlF3.

Формулы соединений, состоящих из гигантских молекул (молекул в которых содержится огромное количество атомов), выражают простейшее соотношение атомов в данном веществе. Диоксид кремния SiО2 представляет собой трехмерный каркас, состоящий из атомов кремния и кислорода в соотношении один к двум. В этом случае кристалл кварца можно рассматривать как одну гигантскую «молекулу», содержащую число атомов порядка 1023.

Химическими реакциями называют превращения одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). Они происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов, под действием света и т. п. Химические реакции изображают с

8

помощью химических уравнений, учитывающих законы сохранения массы и зарядов.

Наряду с единицами массы и объема, в химии пользуются единицей количества вещества, называемой молем. Моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Структурными единицами могут быть атомы, молекулы, ионы, электроны и другие частицы даже условные. Например, 1/5 молекулы КМnO4 – эквивалент КМnO4 при окислительно-восстановительном титровании в кислых растворах. Число атомов в 1 моле 12С равно числу Авогадро 6,02.1023; такое же число молекул и ионов содержится соответственно в 1 моле О2, N2 и т. д. и в 1 моле Са2+, Na+, Cl- и др. Число молей в m г вещества,

например, для Н2О (М(Н2О)=18,015), составляет m/18,015; для Na (ат. м. 22,990)

– m/22,990; в газе объемом V при давлении Р и абсолютной температуре Т содержится PV/RT молей вещества (R – универсальная газовая постоянная).

9

1 Основные законы химии

Закон сохранения массы, стехиометрия. Закон постоянства состава. Эквивалент.

Закон эквивалентов.

Закон кратных отношений. Закон Авогадро.

М.В. Ломоносов и Антуан Лавуазье были первыми, кто изучал химические процессы на основании тщательных количественных наблюдений. Их исследования легли в основу закона сохранения массы – одного из важнейших законов химии – суммарная масса всех продуктов реакции совпадает с суммарной массой всех реагентов. В химических реакциях не происходит измеримых изменений массы, атомы не создаются вновь и не разрушаются, они претерпевают некоторые изменения лишь в наружных электронных оболочках; ядро и внутренние оболочки атомов при этом не изменяются.

Закон сохранения массы напоминает нам, что в действительности ничто не исчезает бесследно. Когда мы спускаем стоки в озеро, они растворяются в воде и вроде бы исчезают, но на самом деле остаются частью окружающей среды. Они могут подвергнуться химическому превращению или остаться без изменений; возникнуть вновь как токсичные вещества в рыбе или в питьевой воде либо незаметно лежать на дне водоема. Но какова бы ни была их судьба, суммарная масса сброшенных веществ остается прежней.

Известно, что между массой и энергией существует соотношение, которое постулируется как закон сохранения массы – энергии. Математическое выражение этого фундаментального закона было дано Эйнштейном:

Е = mc2 ,

где Е и m – значения энергии и массы; с – скорость света.

10