chemistry starter pack / khimia_gurov

Наука есть тесное единство фактов с теорией

А.М. Бутлеров

УДК 54(075.8) ББК 24.1

Х 465

Р ецензенты:

д-р хим. наук, проф. С.Н. Соловьев; кафедра химии Московского инженерно-физического института

(государственного университета), зав. кафедрой д-р хим. наук, проф. В.В. Сергиевский

Химия: Учебник / А.А. Гуров, Ф.З. Бадаев, Л.П. Овчаренко,

Х465 В.Н. Шаповал. — 3-e изд., испр. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 784 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-3049-9

Учебник состоит из девяти разделов, первые восемь включают в себя теоретический материал и практические занятия. В девятом разделе изложены основы техники лабораторных работ. Такая структура учебника позволяет рассматривать его как совокупность учебника, практикума и задачника.

Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов технических университетов и вузов. Может быть полезен преподавателям и специалистам-химикам.

УДК 54(075.8) ББК 24.1

♥ Коллектив авторов, 2004; 2007, с изменениями ISBN 978-5-7038-3049-9 ♥ Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Бау-

мана, 2004; 2007, с изменениями

От авторов

Химия как одна из фундаментальных естественнонаучных дисциплин играет важную роль в подготовке высококвалифицированных специалистов. Преподавание химии в технических вузах, как правило, проводится на первых годах обучения, а количество часов ограничено. Студенты младших курсов еще не имеют необходимой физико-математической подготовки для изучения современной химии, которая накопила большой объем информации и стала не описательной, а количественной наукой со сложным математическим аппаратом. Соответственно многие фундаментальные вопросы излагаются упрощенно, основные закономерности даются в виде готовых положений и формул, без выводов и строгого обоснования. Перед преподавателем химии, таким образом, стоит проблема доступно объяснить концептуально сложные и важные понятия, такие как волновая функция, химическая связь, термодинамические функции и многие другие, которые формируют общее научное и техническое мировоззрение студента.

Курс химии в высших учебных заведениях тесно связан с другими дисциплинами, например, физикой, математикой, биологией, геологией, поэтому его преподавание в большинстве технических вузов подразделяют на два этапа. На первом, независимо от будущей специальности, профиля факультета, учебного заведения излагается большая часть материала (до 80 %), которая является общетеоретической и включает такие разделы, как строение вещества, закономерности протекания химических процессов, свойства растворов, электрохимические явления и процессы и др. Второй этап связан с изучением химических свойств конкретных элементов (чаще всего металлов) и их соединений, а также рассмотрением прикладных химикотехнологических вопросов и формируется уже с учетом профиля и специализации вуза.

Теоретический материал в учебнике излагается кратко и доступно, с учетом современных физико-химических представлений и последних достижений физики и химии. Большое внимание в нем уделяется практическим занятиям, которые позволяют лучше усвоить теоретический материал. Практические занятия включают в себя примеры решения задач, достаточное количество разнообразных задач различного уровня сложности, лабораторные работы. Условия большинства задач содержат наборы из различных вариантов, что существенно расширяет объем фактологических знаний. Необходимые для решения справочные данные представлены в приложениях.

1 ♦ Понятия вещества и химической реакции

—————————————————————————————

Объектом изучения в химии является вещество — материальное образование, состоящее из элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.). Индивидуальные вещества, характеризующиеся определенными свойствами, могут превращаться в другие соединения, состоящие из тех же частиц, посредством химических реакций (от лат. re — приставка, обозначающая обратное действие, и action — действие), для осуществления которых часто требуются определенные условия — температура, давление, облучение, протекание электрического тока, наличие растворителя и др. Химические реакции могут сопровождаться выделением или поглощением теплоты, изменением агрегатного состояния веществ, световыми и шумовыми эффектами и т.п. Химическая активность веществ, т.е. их реакционная способность, зависит от природы соединений и условий протекания реакции. Чтобы ориентироваться в многообразии химических веществ и процессов, необходимо изучить основные понятия и законы химии.

1.1. Основные определения

Молекула — наименьшая частица индивидуального вещества, обладающая его основными свойствами и способная к самостоятельному существованию. Она состоит из атомов — наименьших частиц вещества, которые нельзя разделить на составные части химическим путем. Атом представляет собой электронейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом. Каждый известный химический элемент имеет в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева свой символ и порядковый номер, соответствующий заряду его ядра. В свободном состоянии химические элементы находятся в виде простых веществ.

Простыми называют вещества, состоящие из атомов одного элемента. Их обозначают химической формулой Аn, где А — символ химического элемента; n — число атомов в молекуле. Среди простых веществ выделяют металлы, составляющие большинство известных элементов, и неметаллы. К неметаллам относятся простые вещества таких элементов, как водород H, бор B, углерод C, кремний Si, азот N, фосфор P, мышьяк As, кислород O, сера S, селен Se,

Стехиометрия.

2 ♦ Закономерности изменения и способы определения количества вещества

—————————————————————————————

Раздел химии, в котором рассматривают количественные (массовые, объемные) соотношения между реагентами и продуктами реакций, а также количественный состав веществ, называют стехиометрией (от греч. stoicheion — основа, элемент, metreo — измеряю). Она базируется на законах, обусловленных строением вещества. Именно определение массовых соотношений элементов в соединениях и веществ в химических реакциях привело к открытию Периодического закона химических элементов Д.И. Менделеева и созданию атомно-молеку- лярной теории строения вещества. Стехиометрия имеет фундаментальное значение, так как является основой количественного анализа, позволяет вычислить расход реагентов, выход продуктов и эффективность химических процессов.

2.1.Основные определения

Встехиометрии используют следующие понятия.

Формульная единица вещества — реально существующие час-

тицы: атомы (S, C, Fe), молекулы (Н2О, СО2), ионы ( Са2+, СО32–), радикалы (ОН, NO2 ) и другие частицы вещества.

Моль — количество вещества, содержащее столько формульных единиц, сколько атомов содержится в0,012 кгизотопауглерода 126 С.

Постоянная Авогадро NA — число частиц в 1 моль любого вещества; NA ≈ 6,022 · 1023 моль–1.

Молярная масса М — масса 1 моль вещества. Молярная масса численно совпадает с массами атомов и молекул, выраженными в атомных единицах массы, и измеряется в граммах на моль (г/моль).

Молярный объем VМ — объем 1 моль газа, измеряется в литрах на моль (л/моль).

Химический эквивалент Э — реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом равноценна одному атому (иону) водорода в обменных (кислотно-основных) реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Число эквивалентности (эквивалентное число) zэкв показыва-

ет, сколько химических эквивалентов содержит одна формульная единица вещества.

4 ♦ Химическая связь и строение вещества

—————————————————————————————

Понятие химической связи является основополагающим в современной химии, поскольку физико-химические свойства веществ определяются их химическим и кристаллохимическим строением. Все химические процессы обусловлены преобразованием связей между частицами (атомами, молекулами, ионами, их группировками и комплексами), происходящими в результате перераспределения электронной плотности между двумя и более центрами. Изучение природы взаимодействий атомов позволяет представить механизм образования и строение молекул и других частиц, что, в свою очередь, дает возможность предсказать их реакционную способность, определить условия синтеза веществ с заданными свойствами.

4.1. Основные характеристики химической связи

Химическая связь — совокупность взаимодействий атомов, приводящая к образованию устойчивых систем (молекул, комплексов, кристаллов и др.). Химическая связь возникает, если в результате перекрывания электронных облаков атомов происходит уменьшение полной энергии системы. Мерой прочности химической связи между атомами А и В служит энергия связи ЕА–В, которая определяется работой, необходимой для разрушения данной связи. Так, для атомизации 1 моль газообразного водорода требуется затратить энергию Е = = 436 кДж, следовательно, образование молекулы Н2 из атомов

Н + Н = Н2

сопровождается выделением такого же количества энергии, т.е.

ЕН–Н = 436 кДж/моль.

Для молекул типа АВn, имеющих равноценные связи, например, CH4, NH3 и Н2О, используют понятие средней энергии связи

ЕА−В. Поскольку для атомизации 1 моль метана СН4 = С + 4Н

требуется затратить Е = 1647 кДж, то ЕC−H = 1647 : 4 ≈ 412 кДж/моль.

Если в состав молекул входит большее число элементов, то каждому типу связи в первом приближении приписывают значения, определенные для молекул с однотипными связями. Значения энергии связи для органических молекул определены точнее, чем для неорганических, так как большее разнообразие органических молекул характеризуется меньшим числом типов связей.