лекции по нерганической химии

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Шукаев И. Л.

ЛЕКЦИИ ПО ОБЩЕЙ ХИМИИ

Часть 1 ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СТРОЕНИЕ АТОМА

Методическое пособие для студентов 1 курса геологических специальностей

Ростов-на-Дону

2001

2

Шукаев И. Л.

ЛЕКЦИИ ПО ОБЩЕЙ ХИМИИ Часть 1

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СТРОЕНИЕ АТОМА Методическое пособие

для студентов 1 курса геологических специальностей

Печатается по решению кафедры общей и неорганической химии Ростовского

государственного университета.

Протокол N 2 от 4 июня 2001 г.

Ответственный редактор − д.х.н., профессор Т. Г. Лупейко.

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… 3

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ …………………………………. 10

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА ………………………………………. 28

3

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ХИМИИ

Наша первая задача − выяснить, какими вопросами занимается химия и зачем она нужна геологам.

Химия − это наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Другими словами, химия изучает строение вещества на уровне атомов и свойства

вещества, вызванные взаимодействием атомов.

Химическое вещество имеет определённый качественный и количественный

состав, отражаемый его химической формулой. Примеры индивидуальных веществ: вода (H2O), железо (Fe), сера (S8), сахар (C12H22O11), кислород (O2).

Отличают: простые вещества − состоят из атомов только одного элемента

(графит, сера, ртуть, железо); сложные вещества − состоят из атомов двух и более элементов (вода, поваренная соль, сахар, этиловый спирт).

Очень распространены смеси веществ. Один пример: воздух (азот N2, кислород O2 и понемногу других газов). Другой пример: минеральная вода (вода H2O и растворённые в ней соли, обычно преобладают хлорид натрия NaCl и гидрокарбонат кальция Ca(HCO3)2).

Горные породы иногда состоят из одного вещества (минерала). Так, известняк состоит из карбоната кальция CaCO3 (кальцита). Но чаще в состав породы входят несколько минералов: к примеру, гранит состоит из кварца, слюды и полевого шпата.

По какому признаку в смеси веществ можно провести границу между ними?

Вхимии обычно считают, что внутри одного вещества атомы прочно связаны друг

сдругом (иначе говорят − сильно взаимодействуют), а взаимодействие между атомами разных веществ намного слабее.

Итак, веществами в химии называют большие коллективы сильно взаимодействующих атомов.

Химической реакцией называют превращение одних веществ в другие.

Другими словами, в ходе реакции происходит изменение состава веществ.

При этом некоторые связи между атомами разрываются, зато образуются новые

связи. Например, карбид кальция взаимодействует с водой, превращаясь в гашёную

известь и ацетилен:

6

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Основной объект химии − атом. По современным взглядам, атом − сложная частица, имеющая диаметр несколько десятимиллиардных долей метра (короче:

порядка 10–10 м) и массу порядка 10–24−10–25 кг.

Атомы состоят из более мелких частиц (субатомных или элементарных):

протонов, нейтронов, электронов. Электромагнитное взаимодействие происходит благодаря фотонам. Бывают и другие элементарные частицы.

Атомы заполнены элементарными частицами неравномерно. В них есть

маленькое ядро (диаметром порядка 10–13 м), где сосредоточено более 99,9%

массы. Ядро состоит из протонов p+ и нейтронов n0, имеет положительный заряд, равный числу протонов.

Электроны e− имеют отрицательный заряд и расположены вокруг ядра. Они определяют размер атома и участвуют в образовании химических связей. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.

Вид атомов с одинаковым числом протонов в ядре называют химическим элементом.

Известно более 100 химических элементов. Они имеют названия и с 19 века обозначаются символами. Иногда слева от символа пишут 2 индекса: вверху −

массовое число (A= число протонов + число нейтронов = Z+N), внизу − заряд ядра, он же порядковый номер элемента (Z= числу протонов). Например, 168S.

Изотопами называются атомы с одинаковым зарядом ядра и разным числом нейтронов (и поэтому − разной массой).

Обычно в природе химические элементы представлены в виде смеси изотопов,

поэтому в Периодической системе некоторые атомные массы сильно отличаются от целых чисел.

Поскольку атомы очень маленькие, их чаще всего рассматривают большими наборами. Обычно количество вещества измеряют в молях.

Моль − это 6,022•10+23 объектов. Данное число называют ещё числом Авогадро

NA. Число молей n называют количеством вещества, n = N/NA , где N − число объктов.

1 моль атомов водорода имеет массу примерно 1 грамм. Удобно то, что масса

моля атомов в граммах почти точно равна массовому числу.

7

Может быть, вы помните из курса физики другое определение моля: моль − это количество структурных единиц, равное числу атомов в 12 граммах изотопа углерода-12. Это количество, конечно же − число Авогадро.

Соотношение изотопов углерода-12 и углерода-14 используется для установления возраста ископаемых остатков в биологии и археологии. Это называется радиоуглеродным методом.

Подобные методы применяют и для выяснения возраста горных пород. Так, собственно, и установлены возраст Земли и её геологическая история.

Химические элементы распространены неодинаково. Во Вселенной в целом преобладают водород H и гелий He, они сосредоточены в звёздах. В земной коре преобладают кислород O и кремний Si.

Напомню важный для химии закон Авогадро: при одинаковых условиях одинаковые количества разных газов занимают одинаковые объёмы. Следствие:

один моль любого газа занимает при так называемых нормальных условиях (0оС и 1 атм) объём 22,4 л (иначе говоря, молярный объём Vm=22,4 л/моль).

Закон Авогадро является следствием уравнения Менделеева-Клапейрона − p V = n R T

(n − число молей, n = m/M, m − масса, M − масса 1 моля вещества; R − газовая постоянная, R = 8,3144 Дж/(моль К); T − абсолютная температура).

Теперь мы имеем 3 выражения для количества вещества: n = N/NA = m/M = V/Vm, последнее особенно удобно для газов.

Для реальных газов уравнение Менделеева-Клапейрона хорошо работает при низких давлениях. Атмосферное давление можно ещё считать низким, а в недрах

Земли газы сжимаются до десятков и сотен тысяч атмосфер и перестают

подчиняться этому уравнению.

Закон Авогадро позволяет по плотности газа ρ оценить его молярную массу M:

ρ= m/V = pR MT ; ρ1/ρ2 = M1/M2 = D.

Величину D называют относительной плотностью газа. Обычно в качестве

газа сравнения используют водород с М= 2 г/моль или воздух с М= 29 г/моль.

8

ПРИМЕР. Плотность газа по воздуху равна 2. Найдём его молярную массу: Mгаза =

D Mвоздуха = 2 29 г/моль = 58 г/моль.

Может получиться так, что в веществе атомы соединяются прочными связями в

группы, а между этими группами связь полностью или почти отсутствует.

Тогда говорят, что вещество имеет молекулярное строение.

Молекулой называют группу прочно связанных атомов, способную двигаться

как единое целое. Например, участвовать в тепловом движении. Молекулы бывают одноатомные (например, у аргона Ar), двухатомные (у кислорода O2, водорода H2,

азота N2, хлора Cl2), трёхатомные (у воды H2O, углекислого газа CO2) и так далее. Молекула сахара C12H22O11 содержит 45 атомов, а белки, например, гемоглобин,

который переносит кислород в крови − десятки тысяч. Обычно молекулами считают

только нейтральные частицы.

Если в частице вещества атомного или молекулярного размера число

протонов отличается от числа электронов, то такая частица имеет электрический заряд и называется ионом. При растворении поваренной соли в

воде, например, получаются положительно заряженные ионы (катионы) натрия и отрицательно заряженные ионы (анионы) хлора: Na+ и Cl−.

Очень многие вещества не состоят из молекул. Так, структура графита содержит бесконечные плоские сетки из атомов углерода. Из отдельных ионов состоят все соли.

Немолекулярны почти все вещества, слагающие земную кору: кварц, слюды,

шпаты, оливин и другие минералы. По сути дела, из молекул состоят только вода и вещества нефти.

Одинаковые по виду формулы веществ совсем не означают одинакового устройства. Углекислый газ CO2 − молекулярное вещество, а кварц SiO2 −

немолекулярное.

Условно строение этих веществ в твёрдом состоянии показано на схеме. В кварце на самом деле сетка связей распространяется бесконечно в трёх пространственных измерениях.

Как видно, формулы отражают состав, а не строение веществ. Группа SiO2 называется не молекулой, а формульной единицей. Молярной массой для немолекулярных веществ фактически называют массу числа Авогадро формульных единиц, поэтому правильнее было бы называть её формульной массой.

Для молекулярных веществ и некоторых немолекулярных выполняется закон постоянства состава: соотношения между массами элементов, входящих в состав соединения не зависят от способа получения этого соединения. Вещества постоянного состава называют дальтонидами.

Так, воду можно получить:

-взрывом смеси водорода и кислорода: 2H2+O2 → 2H2O;

-реакцией нейтрализации: NaOH+HCl → H2O+NaCl;

-термическим разложением гидроксидов: Cu(OH)2 → H2O+CuO;

-обугливанием сахара: C12H22O11 → 11H2O+12C

имногими другими способами.

Большинство немолекулярных веществ, в том числе, почти все минералы, имеет переменный состав, зависящий от способа получения. Вещества переменного

состава называют бертоллидами.

Так, в оливине (Mg,Fe)2SiO4 переменным является соотношение между магнием и

железом(+2). В частности, возможны чисто железистый фаялит Fe2SiO4 и чисто магниевый форстерит Mg2SiO4.

Таким образом, сейчас закон постоянства состава имеет только историческое значение − он способствовал формированию современных понятий "атом", "молекула", "уравнение реакции".

10

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

3. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика изучает передачу тепла от одних макроскопических объектов к другим. “Макроскопические объекты” − означает большие в сравнении с размером атомов и молекул.

Представьте, что мы рассматриваем какой-нибудь большой коллектив животных, например, стаю воробьёв. При этом нельзя уследить за каждым отдельным животным, но можно говорить о стае в целом. Например − стая снялась и улетела. Даже если при этом один воробей заснул и остался. Термодинамика рассматривает вещество примерно в таком же стиле.

Термодинамика анализирует поведение больших коллективов атомов и

молекул, в которых действуют статистические закономерности. Типичное число частиц в коллективе − порядка числа Авогадро (6,02 10+23). Движение и энергетическое состояние каждой отдельной частицы не рассматривается. Минимальный размер коллектива − около 10−8−10−7 м по диаметру и 10+5−10+8 по числу частиц.

Примеры процессов, которые анализируются термодинамикой: кипение воды, работа двигателя внутреннего сгорания, работа холодильника, тепловые эффекты химических реакций.

Введём некоторые важные понятия, широко применяемые в термодинамике.

Системой называют набор объектов, мысленно или реально отделённых от

остального мира. То, что вне системы, называется внешней средой. Между системой и внешней средой может происходить обмен веществом и энергией. Если такого обмена нет, систему называют изолированной.

По внутреннему строению системы могут быть однородными (гомогенными) и неоднородными. В однородных системах любые части диаметром порядка 10−8−10−7 м и более имеют одинаковый состав и строение. Часто неоднородность так велика, что можно провести чёткую границу: поверхность раздела. Представьте, например,

плавающую льдину. Систему, в которой есть поверхности раздела, называют

гетерогенной.

Внимание, теперь сложное определение: фазой называют совокупность

однородных частей системы, отделённых от других её частей поверхностью