KelinaZagXimiya
.pdf
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник
Миколаїв
НУК
2004
УДК 54
ББК 24.1
Ос 72
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник, лист № 14/18.2-901 від 26.05.2003 р.
Рецензенти:
М.В. Никипанчук, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри загальної хімії Національного університету "Львівська політехніка"; В.І. Нікітін, кандидат хімічних наук, доцент, декан хімічного факуль-
тету Одеського національного університету
Ос 72 Основи загальної хімії: Навчальний посібник / С.Ю. Кельїна,
О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська. – Миколаїв: НУК, 2004. – 192 с.
ISBN 966–321–016–8
Наведено теоретичні довідки, необхідні для вивчення курсу хімії з відповідної програми, приклади розв'язання задач, контрольні питання і задачі для самоконтролю, зміст програми заочного навчання.
Посібник призначений для студентів інженерно-технічних спеціальностей заочних відділень технічних університетів.
УДК 54
ББК 24.1
ISBN 966–321–016–8 |
© Кельїна С.Ю., Невинський О.Г., |
|
Лічко О.І., Яновська О.В., 2004 |
|
© Видавництво НУК, 2004 |
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
ЗМІСТ |
|
Передмова.........................…….........................…........................... |
5 |
Програмазхіміїдлязаочноїформинавчання...................…........ |
7 |
Розділ1. Основихімічнихзнань..................................................... |
11 |
1.1. Основніхімічніпоняття...................................……....…..... |
11 |
1.2. Класинеорганічнихсполук................................................ |
14 |
1.3. Розв'язаннятиповихзадачзелементарноїхімії................ |
23 |
Розділ2. Хімічнізакони.................................................................... |
28 |
2.1.Фундаментальнізаконихімії.....................................….... 28
2.2.Газовітастехіометричнізакони...................….................. 29
Розділ3. Будоваречовини................................................................ |
39 |
3.1. Будоваатомівіперіодичнийзакон...................................... |
39 |
3.2. Хімічнийзв'язок................................................................... |
55 |
3.3. Міжмолекулярнавзаємодія.....…....................................... |
66 |
3.4. Комплекснісполуки............................................................ |
70 |
Розділ4. Загальнізакономірностіхімічнихпроцесів..................... |
76 |
4.1. Термохіміятаелементихімічноїтермодинаміки............... |
76 |
4.2. Хімічнакінетика................................................................... |
90 |
4.3. Хімічнарівновага…............................................................... |
96 |
Розділ5. Розчини.............................................................................. |
99 |
5.1.Загальніпоняттяпророзчини..............................…............ 99
5.2.Розчининеелектролітів............................................…......... 105
5.3.Розчиниелектролітів...........................….............................. 107
5.4.Гідролізсолей........................................................…............. 113
5.5.Добутокрозчинності............................................…............. 117
3
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська |
|
Розділ 6. Окисно-відновні процеси та елементи електрохімії ..... |
120 |
6.1. Окисно-відновніпроцеси….............................................. 120 |
|
6.2. Електродитаелектродніреакції....................................... |
128 |
6.3. Гальванічніелементи........................................................ |
131 |
6.4.Електроліз..................................…................................…. 145
6.5.Корозіяметалів................................….............................. 157
6.6. Захист металів від корозії в суднобудуванні ................... |
168 |
Розділ7. Загальнівластивостіметалів.......................................... |
177 |
Рекомендованалітература............................................................... |
190 |
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
ПЕРЕДМОВА
Вивчення курсу хімії має винятково важливе значення в загальноінженернійінауковійпідготовцістудентатехнічногоуніверситету.
Основною навчальною метою викладання курсу хімії в технічному університеті є набуття студентами міцних знань та практичних навичок, що надають можливість для подальшого опанування спеціальних дисциплін.
Цейпосібникпідготовленийвідповіднодовимогпрограмизхімії для студентів інженерно-технічних спеціальностей.
Мета цього видання – забезпечити студентів науково-методич- ною літературою, в якій в стислій формі викладені основні розділи навчальної програми курсу. Матеріал поданий з урахуванням вимог спеціальних дисциплін, які викладаються в університеті. Посібник не є альтернативою існуючим підручникам з хімії, тому поряд з ним корисно мати один з підручників, які рекомендує методична рада кафедри.
Загальнотеоретичну базу посібника складають сучасні уявлення про будову речовини, основи хімічної термодинаміки і методів хіміко-термодинамічних розрахунків, кінетику хімічних процесів, теоріїобміннихтаокисно-відновнихреакцій. Наційбазірозглянуто основні хімічні системи і процеси, що мають прикладний характер. У першу чергу, це хімія металів, розчинів і комплексних сполук, а також електрохімічні процеси.
Особливуувагувпосібникуприділенокількіснійстороніхімічних закономірностей, тому в кожному розділі наведені приклади типо-
5
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
вих задач і методи їх розв'язання, а також запропоновані задачі та вправи для самостійного розв'язання й самоконтролю. Уміння роз- в'язуватиїхсвідчитьпроякістьзасвоєнняматеріалу. Дляпідвищення ефективності навчання та перевірки знань в кінці кожного розділу подано контрольні теоретичні питання.
Основний вид навчальних занять студента – самостійна робота над матеріалом. У курсі хімії вона складається з наступних елементів: вивченнядисциплінизапідручниками, посібникамитаметодичними вказівками, відвідування лекцій, виконання лабораторних робіт та їх захисту, виконання та захисту контрольної роботи і, нарешті, складання іспиту (або заліку) з усього курсу.
При вивченні курсу хімії студент повинен виконати контрольну роботу, щоохоплюєосновнітемикурсу. Розв′язаннязадачтавідповіді на теоретичні запитання повинні бути стислі й чітко обґрунтовані, треба наводити весь хід розрахунків та математичні перетворення. Варіант, зміст і обсяг контрольної роботи, порядок її виконання та оформлення визначаються окремим методичним збірником. У зазначений термін робота повинна бути подана до деканату на рецензування. У разі, якщо контрольна робота не зарахована, її треба виконати повторно, відповідно до вказівок викладача-рецензента, і подати знов на рецензування разом з незарахованою роботою.
Уперіоднастановнихчилабораторно-екзаменаційнихсесійпро- водяться лекції з найбільш важливих розділів курсу. Консультації проводяться в письмовій чи усній формі на кафедрі хімії.
Для глибокого вивчення хімії як науки, що базується на експерименті, необхідно виконати в повному обсязі лабораторний практикум. Склад лабораторних робіт (починаючи від теоретичної підготовки, порядкувиконання, розрахунківтаоформлення, закінчуючи запропонованими вправами для самоконтролю знань) поданий в комплексі методичних вказівок, що надаються студенту окремо. Для захисту необхідно вміти: викладати теоретичні основи роботи, хід виконання дослідів, пояснити результати роботи та зробити висновкизних, складатирівнянняреакційіробитипонихрозрахунки. Зарахована робота оцінюється, оцінка виставляється в журналі викладача.
До іспиту (заліку) допускаються студенти, які виконали лабораторнийпрактикумуповномуобсязійуспішнонаписаликонтрольну роботу.
6
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
ПРОГРАМА З ХІМІЇ ДЛЯ ЗАОЧНОЇ ФОРМИ НАВЧАННЯ
Вступ
Хімія – наука про речовини та їх перетворення. Поняття про матерію(речовина, поле). Значенняхіміїувивченніприроди, розвитку технологічних процесів і вирішенні екологічних проблем.
Основні хімічні поняття: атом, молекула, відносні атомна та молекулярна маси, хімічний елемент, хімічна сполука, моль і молярна маса. Фундаментальні теорії і закони: атомно-молекулярна теорія, закон збереження маси та енергії, періодичний закон, теорія хімічної будови. Газові та стехіометричні закони: закон Авогадро, рівнянняМенделєєва–Клапейрона, законзбереженнямаси, законсталості складу. Поняття про еквівалент та закон еквівалентів. Обчислення еквівалентів і молярних мас еквівалентів різних речовин.
1.Будова речовини
1.1.Будова атомів і систематика хімічних елементів
Складність будови атомів та її експериментальне доведення.
Першімоделіатома. Рентгенівськевипромінювання. Атомніспектри. Квантова теорія світла Планка. Основні положення теорії будови атома Н. Бора. Хвильова природа електрона. Рівняння де Бройля. Принцип невизначеності Гейзенберга. Хвильове рівняння Шредингера. Хвильова функція. Атомна орбіталь. Квантові числа. Принцип Паулі. Правило Хунда.
Послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів багатоелектроннихатомів. Електроннаструктураатомівівластивості елементів.
Періодичний закон Д.І. Менделєєва та періодична система елементів. Класифікація елементів за електронними структурами атомів: простітаперехідні; s-, p-, d-, f-елементи. Сучаснеформулювання періодичного закону і його значення.
Періодичність властивостей атомів елементів: радіуси атомів та іонів, енергія іонізації, спорідненість до електрона, електронегативність.
7
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
1.2. Хімічний зв'язок
Загальні положення про хімічний зв'язок. Енергія та довжина зв'язку. Ковалентний зв'язок. Метод валентних зв'язків. Гібридизація атомних орбіталей та просторова конфігурація молекул. Метод молекулярнихорбіталей. Координаційнийзв'язок. Полярністьхімічного зв'язку. Дипольний момент. Іонний зв'язок.
Міжмолекулярна взаємодія. Водневий зв'язок. Комплексні сполуки.
2.Загальні закономірності перебігу хімічних процесів
2.1.Енергетика та напрямок хімічних реакцій
Типи термодинамічних систем: відкрита, закрита, ізольована.
Параметритарівняннястанусистеми. Термодинамічніфункціїстану. Першийзаконтермодинаміки. Внутрішняенергіятаентальпіясистеми. Теплові ефекти хімічних реакцій. Термохімічні рівняння. Закон Гесса. Термохімічнірозрахунки. Стандартнітеплоти(ентальпії) утворення та згоряння хімічних сполук.
Другий закон термодинаміки. Поняття про ентропію. Зміна ентропії в хімічних процесах і фізичних перетвореннях. Енергія Гіббса і стійкість хімічних сполук. Напрямок перебігу хімічних процесів.
2.2. Хімічна кінетика. Каталіз. Хімічна рівновага
Спільне і відмінне між хімічною кінетикою і хімічною термодинамікою. Гомогенні та гетерогенні системи. Швидкість хімічних реакцій. Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрацій реагуючих речовин. Порядок та молекулярність реакцій. Прості (елементарні) та складні хімічні реакції: паралельні, послідовні, ланцюгові. Залежність швидкості хімічних реакцій від температури. Рівняння Арреніуса. Енергія активації. Розподіл Максвелла–Больцма- на. Сутність каталізу. Гомогенний і гетерогенний каталізи.
Оборотність хімічних реакцій. Хімічна рівновага. Закон діючих мас.
Константарівновагихімічнихреакцій, їїзв'язокзенергієюГіббса. Вплив зовнішніх факторів: температури, тиску, концентрації, каталізатора на зміну рівноваги. Принцип ле Шательє.
8
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
3. Розчини
Загальні уявлення про дисперсні системи. Розчини. Тепловий ефект розчинення. Зміна енергії Гіббса. Способи вираження складу розчинів. Розчинність. Розчини неелектролітів. Закони ідеальних розчинів: закон Генрі, тоноскопічний, ебуліоскопічний та кріоскопічний закони Рауля. Осмос. Осмотичний тиск. Закон Вант-Гоффа.
Розчини електролітів. Їх властивості. Електролітична дисоціація. Ізотонічнийкоефіцієнт. Ступіньдисоціації. Сильнітаслабкіелектроліти. Константа електролітичної дисоціації. Закон розбавлення Оствальда.
Поняття про активність та леткість. Властивості розчинів сильних електролітів. Дисоціація води. Іонний добуток води. Водневий показник. Реакції в розчинах електролітів. Іонні рівняння. Теорії кислот та основ. Гідроліз солей. Добуток розчинності.
4. Окисно-відновні та електрохімічні процеси
Окисно-відновніхімічніреакції. Ступіньокиснення тайогозв'я- зокзелектронноюбудовоюатома. Окисникиівідновники. Рівняння окисно-відновних реакцій. Окисно-відновні потенціали і напрямок перебігу окисно-відновних реакцій.
Катодні та анодні електрохімічні реакції. Поняття про подвійний електричний шар. Водневий електрод. Стандартні електродні потенціали. Ряд напруг. Рівняння Нернста. Механізм дії гальванічного елемента. Електрорушійна сила, її зв'язок з енергією Гіббса. Концентраційні гальванічні елементи. Акумулятори. Паливні елементи.
Електролізрозплавівтарозчинівелектролітів. Напругарозкладу. Поляризація і перенапруга. Електроліз водних розчинів кислот, лугів та солей. Процеси на катоді та аноді. Закони Фарадея. Вихід за струмом. Практичне застосування електролізу: одержання і рафінуванняметалів, нанесеннягальванічнихпокрить, одержанняводню, кисню та інших речовин.
5. Корозія та захист металів
Термодинамікакорозійнихпроцесів. Збиткивідкорозії. Забруд-
9
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
неннядовкіллявнаслідоккорозії. Класифікаціякорозійнихпроцесів: за механізмом реакцій, за умовами перебігу, за типом корозійних порушень. Поняття швидкості корозії. Хімічна корозія металів, залежність ії швидкості від складу металу, температури, складу корозійного середовища.
Електрохімічна корозія металів. Умови її виникнення. Електрохімічні реакції на катодних та анодних ділянках. Киснева і воднева деполяризації. Залежністьшвидкостікорозіївідтемператури, складу електроліту та ін.
Методи захисту металів від корозії: легування, нанесення захисних покрить (металевих, неметалевих, лакофарбових); катодні та анодні металеві покриття; обробка агресивного середовища. Електрохімічніметодизахисту: протекторний, катодний. Інгібітори корозії. Економічне значення захисту металів від корозії.
6. Загальна характеристика металів та їх сполук
Класифікація металів: за електронною будовою атомів – прості (типові) та перехідні; s-, p-, d-, f-метали; за фізичними характеристиками; у промисловості. Структура металів та металевий зв'язок. Поширеність металівуприроді. Методидобування металів: пірометалургійний, гідрометалургійний, електрометалургійний.
Фізичні і хімічні властивості металів та їх сполук залежно від положення в періодичній системі елементів. Сплави.
d-Метали, будова атомів та їх положення в періодичній системі. Методидобуванняd-металів. Фізичнівластивості. Хімічнівластивості d-металів та їх сполук: ступені окиснення, кислотно-основні та окисно-відновні властивості. Використання в техніці.
10