Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

ВОЛГОДОНСКИЙ ИНСТИТУТ

Лекции

по курсу «Общая ХИМИЯ»

для всех специальностей

(34 часа лекций)

Волгодонск 2007 г.

Лекция 1.Введение.

Основные понятия и количественные законы химии. Фактор эквивалентности. Его нахождение для реакций ионного обмена и окислительно-восстановительных процессов. Вычисление эквивалентных масс и эквивалентных объемов. Закон эквивалентов. Его применение.

1.Основные понятия химии..

Химия – наука о веществах и законах, по которым происходят превращения одних веществ в другие. Вещество и поле - две формы существования материи. Вещество – форма материи, которая обладает собственной массой, т.е. массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др.Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Поле – форма существования материи, которая тесно связана с энергией. Важнейший закон природы - закон сохранения массы и энергии был сформулирован в 1760 г. М.В. Ломоносовым. Современная формулировка: в изолированной системе сумма масс и энергий постоянна. Изолированной системой является та система, у которой нет обмена с окружающей средой ни массой, ни энергией. Между массой и энергией существует взаимосвязь согласно уравнению Е = mc². Объект изучения химии – элементы и их соединения. Элемент – определенный вид атомов, обладающих определёнными зарядами ядер. Атом – мельчайшая частица элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атомы складываются в молекулы. Молекулой называется наименьшая частица вещества, которая может существовать самостоятельно, обладает химическими свойствами данного вещества и состоит из атомов одного или нескольких элементов. Молекулы, состоящие из атомов одного элемента, образуют простые вещества (Cu, H₂, O₃). Простые вещества образованы атомами одного химического элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, например, сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав, постоянный или меняющийся в разных пределах. Молекулы, состоящие из атомов различных элементов, образуют сложные вещества ( HCl, Н₂O, C₁₇H₃₅, COOH ) Химические свойства вещества характеризуют их способность участвовать в химических реакциях, т.е. превращениях одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать не только состав, но и строение веществ.

Например:

Н3РО4

В химии существует очень важное понятие - количество вещества. Количество вещества – число структур единиц молекул, атомов. ионов и т. д. в системе. Единицей количества вещества является моль.

Моль – это количество вещества системы, равное 6,022.1023 структурных единиц данного вещества. Количество структурных единиц равно количеству атомов, содержащихся в 0,012 кг ₆C¹². При использовании термина "моль" следует указывать частицы (моль молекул, атомов...). Масса одного моль вещества называется молярной массой, размерность: кг/моль или г/моль. Объем одного моль вещества называется молярным объемом, размерность: м³/моль или л/моль. При нормальных условиях (273,15 К(0°С); 1,0133·10⁵Па (760 мм рт.ст.). 1 моль различных газов занимает объем 22,4 л.

2. Основные количественные законы химии

1) Закон постоянства состава. Химически чистые вещества имеют один и тот же количественный состав независимо от того, каким способом они получены.

2) Закон кратных отношений. Если два элемента образуют между собой несколько различных соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как простые целые числа.

Например, массовые соотношения С:О в CO и CO₂ равны 12:16 и 12:32. Следовательно, массовые соотношения углерода, связанные с постоянной массой кислорода в CO₂ и CO, равно 2:1.

3) Закон эквивалентов. Все вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах.

Эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять или быть каким-либо другим способом эквивалентной одному иону водорода.

3. Фактор эквивалентности. Эквивалентные массы и эквивалентные объемы.

Безразмерная величина, показывающая, какая часть моля элемента или вещества Х эквивалентна 1 моль атомарного водорода(одному иону водорода.) называется фактором эквивалентности f_э (Х):

3.1Фактор эквивалентности химического элемента х в его соединениях равен:

f_э (Х) = 1:|с.о.| ,

где с.о. – степень окисления элемента Х в данном соединении.

Масса одного эквивалента (эквивалентная масса) М_э(Х), г/моль, определяется по формуле:

М_э(Х) = f_э (Х)·М(Х). (1.1)

Если в реакции участвуют газы, то могут быть найдены их эквивалентные объемы V_э, л/моль (при н.у.) по формуле:

V_э(Х) = f_э (Х)·22,4л . (1.2)

Пример 1. Найти величины факторов эквивалентности и эквивалентных масс для азота в следующих веществах: NН₃, НNО₃, NО₂.

Решение. Для определения фактора эквивалентности химического элемента необходимо определить его степень окисления. Степень окисления – это условный заряд атома элемента в молекуле, рассчитанный исходя из ее электронейтральности и на основе предположения, что молекула состоит из ионов. Водород и кислород в большинстве сложных веществ имеют постоянные степени окисления: водород - +1, кислород -2; но есть исключения. В гидридах активных металлов степень окисления водорода равна -1(NаН^-1), в пероксидах водорода и металлов степень окисления кислорода равна -1(Н₂О₂ ^-1), во фториде кислорода - +2(О⁺²F₂).

Тогда степень окисления азота в NН₃ равна -3, f_э (N) = 1:3,

М_э(N) =14:3=4,67 г/моль.

Соответственно, для НNО₃ степень окисления азота равна +5, f_э (N) = 1:5, М_э(N) =14:5=2,8 г/моль.

В NО₂ степень окисления азота равна +4, f_э (N) = 1:4, М_э(N) =14:4=3,6 г/моль.

3.2.Фактор эквивалентности вещества х, участвующего в окислительно-восстановительном процессе, равен:

f_э (Х) = 1: N_е, (1.3)

где N_е – количество электронов, которые теряет или присоединяет одна молекула вещества Х.

Пример 2. Найти величину фактора эквивалентности, эквивалентные массу и объем для сероводорода Н₂S, взаимодействующего с кислородом с образованием диоксида серы SO₂ и паров воды.

Решение. В данном химическом процессе степень окисления серы изменяется от -2 (Н₂S) до +4 (SO₂). Следовательно, молекула Н₂S теряет 6 электронов, т.е. f_э (Н₂S) = 1:6; М_э(Н₂S) = 34:6 = 5,66г/моль; V_э(Н₂S) = 22,4:6 = 3,73л/моль.

3.3.Фактор эквивалентности вещества х, участвующего в ионообменном процессе, равен:

f_э (Х) = 1: (N_i·|z_i|), (1.4)

где N_i и z_i - соответственно число и заряд ионов, которыми обменивается молекула реагирующего вещества со своим партнером.

Пример 3. В нижеприведенных схемах реакций определите факторы эквивалентности исходных веществ:

а) LiOH + H₃PO₄ →Li₂HPO₄ + H₂O

Молекула LiOH теряет в данной реакции один однозарядный ион ОН^- , поэтому f_э (LiOH) = 1: (1·|-1|) = 1 ; молекула H₃PO₄ обменивается двумя однозарядными ионами Н⁺ , поэтому f_э (H₃PO₄) = 1: (2·|+1|) = 1:2.

Пример 4. Выразить эквивалентную массу оксида, гидроксида, сульфата и хлорида металла.

Решение. Эквивалентная масса вещества в общем случае определяется по формуле (1.1). В частном случае ее можно представить как сумму эквивалентных масс составных частей молекулы или кристалла вещества.

1) Эквивалентная масса оксида равна сумме эквивалентных масс элемента и кислорода:

(1.5)

2) В состав гидроксида входят атомы металла и гидроксильные группы:

(1.6)

3) В молекулу сульфата металла входят ионы данного металла и сульфатные группы (SO₄)^2-:

(1.7)

4) Эквивалентную массу хлорида металла определяют по аналогии с предыдущими случаями:

(1.8)

4. Закон эквивалентов: количества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ равны между собой.

Следствие из закона эквивалентов. Массы (объемы) реагирующих друг с другом или образующихся в результате реакции веществ пропорциональны их эквивалентным массам М_э (эквивалентным объемам для газов V_э).

m₁: М_э1 = m₂: М_э2 = V₁: V_э1= V₂: V_э2.