Вопрос 1 «Предмет и задача химии. Значение химии»
Химия — наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях. Три главные задачи: 1)исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакционной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и каталитических явлений. 2)осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного осуществления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений. 3)анализ. Эта традиционная задача химии приобрела особое значение. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воздействия человека на природу.
Различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, образованных посредством химических связей углерода с углеродом и другими органогенными элементами: водородом, азотом, кислородом, серой, хлором, бромом и йодом. Элементоорганическая химия находится на стыке неорганической и органической химии. Эта «третья» химия относится к соединениям, включающим химические связи углерода с остальными элементами периодической системы, не являющимися органогенами.
Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических законов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, предоставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдельных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности.
Химическая отрасль — одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и электронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффективности существующих производств.
Вопрос 2. Строение атома. Модели атома (Морозова, Резерфорда, Бора). Теория Бора. Уравнение Планка. Принцип неопределенности Гейзенберга. Волновая функция.
Все вещества состоят из атомов.. Атом — система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Тип атома определяется составом его ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами..
При химическом взаимодействии атомов образуются молекулы. Молекулы
бывают одноатомные (молекулы гелия Не), двухатомные (азота N2), многоатомные (воды Н2О,) и полимерные (содержащие до сотен тысяч и более атомов — молекулы металлов в компактном состоянии, белков, кварца).
Вопрос 5. Периодический закон и Периодическая система Д.И. Менделеева. s-, p-, d-, f-элементы. Периодичность изменения свойств элементов: относительная электроотрицательность, потенциал ионизации, сродство к электрону, радиус атома, восстановительная и окислительная способность элементов.
Периодический закон Д.И. Менделеева:
строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра и определяются периодически повторяющимися однотипными электронным конфигурациями их атомов.
Периодическая система элементов состоит из периодов и групп
Период – это совокупность элементов с одинаковым значением энергии.
Группа – вертикальный ряд элементов имеющих одинаковое число электронов на внешнем эл. слое.
Заряд ядра равен порядковому номеру элемента в системе. Элементы образуют 7 периодов. В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы это группы элементов сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (например, возрастает химическая активность) Элементы с 58 по 71, а также 90 – 103 образуют 2 семейства – лантаноиды и актиноиды. Периодичность свойств элементов обусловлено периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элементов в системе связаны его химические и многие физические свойства.
Группу элементов делят на главную и побочную при этом под каждым элементом находится по возможности элементы с похожими свойствами, например такие элементы как водород, литий, натрий, калий составляют главную подгруппу элементов, а входящие в медь, серебро, золото образуют побочную подгруппу.
Экспериментальное изучение электронных конфигураций атомов и положения атомов в периодической системе позволяет сделать ряд выводов, придающих физический смысл номеру периода, группы и типу подгруппы и существенно облегчающих запись электронных конфигураций атомов. Среди таких выводов:
1. Номер периода совпадает с
— количеством заполняющихся электронных оболочек атома;
— главным квантовым числом внешней, заполняющейся электронами, оболочки;
— главным квантовым числом, заполняющейся s-подоболочки;
— главным квантовым числом, заполняющейся р-подоболочки;
— главным квантовым числом +1 заполняющейся d-подоболочки (в больших периодах);
— главным квантовым числом +2 заполняющейся f-подоболочки (в 6-м и 7-м периодах).
2. Каждый период начинается двумя s-элементами и, кроме 1-го, заканчивается шестью р-элементами. В 7-м периоде р-элементов нет, так как период не достроен. В больших периодах между s- и р-элементами размещаются десять d-элементов. В 6-м и 7-м периодах за первыми d-элементами (La и Ас) находятся 14 f-элементов.
3. У атомов элементов главных подгрупп на внешней электронной оболочке находится число электронов, численно совпадающее с номером группы.
4. У большинства атомов элементов побочных подгрупп на внешней оболочке находится 2 электрона, у атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au — по 1-му электрону, а атом Pd — не имеет электронов на внешней s-подоболочке.
Энергия ионизации атома– это энергия, которая необходима для отрыва электрона от невозбужденного атома.
Энергия необходимая для удаления 1 моля электронов от одного моля атомов какого-либо элемента наз. первой энергией ионизации. Характеризует восстановительную способность элементов. Первая энергия определяется электронным строением элементов, и ее изменение имеет периодический характер. Наименьшее значение имеют щелочные элементы, находящиеся в начале периода. Наибольшее – благородные газы, находящиеся в конце периода.
Сродство к ℮ - это энергия, которая выделяется при присоединении ℮ к нейтральному атому, т.е. при превращении атома в анион (-): э0+℮→э-+Еср.
Электроотрицательность (ЭО) – это способность атома притягивать к себе ℮.
При движении слева направо по периодам:
1) R атомов ↓;
2) энергия ионизации ↑;
3) ЭО ↑.
4) Сродство к ℮↑
При движении сверху вниз по группам:
1) R атомов ↑;
2) ЭО ↓.
3) энергия ионизации ↓;
4) Сродство к ℮.↓
Число электронов, отданное восстановителем равно числу электронов, получаемых окислителем
Вопрос 12. Комплексные соединения: строение, характер связи, диссоциация. Классификация комплексных соединений.
Соединения сложного состава, у которых можно выделить центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды), называются комплексными соединениями.
По координационной теории Вернера в каждом комплексном соединении различают внутреннюю и внешнюю сферы. Внутреннюю сферу называют комплексом. При написании химических формул комплексных соединений внутреннюю сферу заключают в квадратные скобки.
Центральный атом внутренней сферы комплексного соединения, вокруг которого группируются ионы или молекулы, называется комплексообразователем. Частицы, непосредственно связанные с комплексообразователем, называются лигандами. Число лигандов в комплексе называется координационным числом комплексообразователя. Координационное число показывает число мест во внутренней сфере комплексного соединения или число мест вокруг комплексообразователя, на которых могут разместиться лиганды. Координационные числа разных комплексообразователей имеют значения от 2 до 12.
Заряд комплекса численно равен суммарному заряду внешней сферы и противоположен ему по знаку. Различают катионные, анионные и нейтральные комплексы. Комплекс с положительным зарядом называют катионным, с отрицательным зарядом — анионным, с нулевым зарядом — нейтральным.
Заряд комплексообразователя равен и противоположен по знаку алгебраической сумме зарядов всех остальных ионов.
Комплексообразователи.Способность элемента к образованию комплексных соединений относится к важнейшим его химическим свойствам. Она зависит от строения внешнего электронного уровня атома элемента и определяется его положением в периодической системе Д. И. Менделеева. Как правило, комплексообразователями являются атомы или чаще ионы металлов, имеющие достаточное число свободных орбиталей. При образовании химических связей с лигандами комплексообразователи выполняют роль акцепторов. Возможность участия тех или иных орбиталей центрального атома в комплексообразовании меняется от периода к периоду.
Способность элементов к комплексообразованию от периода к периоду растет. При последовательном переходе от одного периода к другому растет координационное число элементов.
Лиганды.Лигандами в комплексных соединениях могут служить анионы F-, ОН", CN_, SCN-, N0^, С023 ", С2ОтГ и др.; нейтральные молекулы Н20, NH3, CO, NO, F2, N2H4, NH2—СН2— —СН2—NH2 (этилендиамин) и т. д. Почти все лиганды обладают одной или несколькими неподеленными парами электронов (NH3, Н20, F~, ОН"). Иногда роль лигандов играют молекулы, не содержащие неподеленных пар электронов, но имеющие электроны, участвующие в образовании л-связи. Донорные свойства лигандов реализуются за счет s- и р-атомных орбиталей, а акцепторные— за счет вакантных р- и d-орбиталей.
Вопрос 16. Свободная энергия Гиббса. Самопроизвольность протекания реакций.
По-другому наз-ся изобарный, изотермический потенциал. Обозначается ∆G [к дж/моль]. Энергия Гиббса простых веществ=0. Энергия ∆ Гиббса при простой температуре ∆Т=0,
∆G=∆H 0298-Т∆S298(х.р)
Вопрос 17. Химическая кинетика. Закон действующих масс гомогенных и гетерогенных систем. Скорость прямой и обратной реакции. Константа скорости химической реакции. Порядок и молекулярность реакции.
Химическая кинетика- это раздел химии, изучающий скорости хим. реакций. Основной задачей хим. кинетики явл. управление хим. процессом с целью обеспечения большой скорости и максимального высокого выхода целевого продукта. Все хим. реакции имеют сложный механизм.
Механизм реакции – это последовательность протекания промежуточных стадий реакций в результате которой происходит образование конечных веществ.
Лимитирующая реакция – это самая медленная стадия (реакция).
Закон действующих масс:При постоянной температуре скорость хим. реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в степенях их стехиометрических коэффициентов.
аА + вВ ↔ сС + dD
υпрям=k[A]a[B]b n=a+b
υобр= k[C]c[D]d n=c+d
[] – концентрация, a,b – коэф. при соотв. значении молекул.
k – прямой и обратной реакции – константа пропорциональности и наз. она константой скорости хим. реакции.КС хим. реакциичисленно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ равных 1 моль/литр, т.е. КС равна удельной скорости реакции.
Скорость хим. реакций– это число элементарных актов, происходящих в единицу времени в единицу объема (гомо) или на единицу поверхности (гетеро).
аА + вВ ↔ сС + dD
Реакции, протекающие слева направо и отражающие процесс взаимодействия исходных веществ наз. прямой реакцией. Реакции идущие в обратном направлении наз. обратной.
Скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации любого вещества в единицу времени.
vгом=C2-C1/t2-t1=+ - ∆C/∆t
Знак «-» показывает, что происходит уменьшение исх. веществ.
«-» - прямая реакция;
«+» - обратная реакция, показывающая увеличение продуктов реакции
v=+ - dC/dt – истинная скорость хим. реакции.
Скорость гетерогенной реакцииопределенна количеством вещества вступившего в реакцию или получившегося в результате реакции за единицу времени на единицу поверхности раздела.
vгетер=C2-C1/t2-t1=+ - ∆Cs/∆t; v=+ - dCs/dt
Порядок реакцииэто сумма показателей степеней концентраций реагентов в кинетическом уравнении реакции.
Молекулярность реакции – это минимальное число молекул участвующих в элементарных химических процессах. Молекулярность определяется числом молекул, одновременным взаимодействием которых осуществляется элементарный акт химического превращения.
Существуют мономолекулярные реакции – это реакции, в которых акт хим. превращения представляет собой хим. превращение 1 молекулы (р-ции диссоциации), Бимолекулярные реакции – это реакции в которых элементарный акт осущ. при столкновении 2 молекул. И редко Тримолекулярные реакции – столкновение 3 молекул.
Константа скорости реакции К не зависит от концентрации реагентов, но зависит от их природы и температуры. Физический смысл константы скорости: К численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных 1моль/л.
Вопрос 23. Законы растворов???Закон Вант-Гоффа.Закон Генри
Вопрос 26. Сильные электролиты(примеры). Активность ионов в растворах сильных электролитов. Коэффициент активности. Ионная сила.
Сильным считается электролит у которого степень диссоциации =1 . к ним относятся HCl, HBr, HNO3.
Активность- эффективная концентрация компонентов с учетом различных взаимодействий между ними в растворе, т.е. с учетом отклонения поведения системы от модели идеального газа. Активность a связана с концентрацией следующим соотношением: a= γ*C, где γ- коэффициент активности.
Коэффициент активности формально учитывает все виды взаимодействия частиц в данном растворе, приводящие к отклонению от свойств идеального газа.
Ионная сила раствора- это полусумма произведений концентрации всех ионов на квадрат их заряда.
Правило ионной силы: ионы одинаковой зарядности не зависимо от их природы в разбавленных растворах с одинаковой ионной силой имеют равные коэффициенты активности.
Вопрос 36. Электролиз расплавов и растворов на растворимых и нерастворимых электродах. Последовательность разряда ионов при электролизе на аноде и катоде.
При электролизе энергия электрического тока превращается в химическую энергию, иначе говоря, осуществляется процесс, обратный по характеру происходящему в гальваническом элементе. Как и в случае гальванического элемента, на аноде происходит окисление, а на катоде – восстановление. Но при электролизе анодом является положительный электрод, а катодом – отрицательный.
Характер протекания электродных процессов при электролизе зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются состав электролита, материал электродов и режим электролиза (температура, плотность тока и т.д.).
Различают электролиз расплавов и растворов электролитов.
Электролиз расплава:Н-р NaCl
1. восстановление ионов Na на катоде 2. окисление хлорид-ионов на аноде. При прох.тока изм-ся потенциалы электродов. Возникает электродная поляризация. Потенциал катода стан-ся более отриц-м, анода - положит-м.
Электролиз раствора:
Характер окислительных процессов зависит от материала электрода — инертные(нерастворимые) и растворимые(активные).
Процессы:
На аноде: 1. в первую очередь окисляются простые анионы в порядке возрастания их потенциалов, не превышающих 1,5В
2. при электролизе водных растворов содержащих кислотосодержащие анионы на аноде окисляется вода по реакции 2H2O=O2+4H++4e-
А при использовании растворимых анодов электроны отдает сам анод за счет окисления Ме.
На катоде: 1. в первую очередь окисляются катионы Ме, имеющие стандартный электродный потенциал > чем у водорода 2. катионы Ме с малым станд. потенциалом от Li до Al не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды 2Н++2е-=Н2↑ 3. катионы Ме, имеющие ст.эл.пот. < чем у водорода и > чем у Al восст-ся вместе с водой.
На аноде в первую очередь окисляются ионы с наименьшим электродным потенциалом, а на катоде — с наибольшим.
I = I/S.
Величину поляризацию электрода можно определить по разности между потенциалом при прохождении тока Еi и равновесным потенциала Eр. Скорость электрохимической реакции может быть увеличена повышением поляризации; или поляризация одного и того же электрода тем выше, чем больше плотность тока.
Любая электрохимическая реакция протекает минимум в три стадии: а) подвод реагентов к электроду; б) собственно электрохимическая реакция, которая может включать в себя и химические реакции; в) отвод продуктов реакции от электрода. Если бы все эти стадии протекали мгновенно, то потенциал электрода при прохождении тока не изменялся бы и соответственно поляризация была бы равна нулю. Однако все три стадии протекают с конечными скоростями, причем одна из них лимитирует всю реакцию и для ее ускорения необходимо изменение потенциала электрода, т. е. поляризация. Следовательно, возникновение поляризации обусловлено замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса. Соответственно в зависимости от характера замедленной стадии на электроде возникает или концентрационная, или электрохимическая поляризация.
Концентрационная поляризация. Изменение потенциала электрода вследствие изменения концентрации реагентов в приэлектродном слое при прохождении тока называется концентрационной поляризацией.
Электрохимическая поляризация (перенапряжение).Изменение потенциала, обусловленное замедленностью собственно электрохимических стадий реакций, называется электрохимической поляризацией (перенапряжением). Замедленность электрохимических стадий объясняется существенной перестройкой структуры реагирующих частиц в ходе реакции. Как и при химической реакции, электрохимические процессы происходят лишь тогда, когда реагирующие частицы обладают энергией, которая больше или равна энергии активации.
Скорость электрохимических реакций, как и химических, может быть увеличена повышением температуры и применением катализатора. При повышении температуры растет доля активных молекул, при применении катализатора снижается энергия активации. Энергия активации электрохимической реакции может быть также снижена при изменении потенциала электрода по сравнению с его равновесным потенциалом, т. е. при поляризации. А так как при уменьшении энергии активации растет скорость реакции, то увеличение поляризации приводит к ускорению электрохимической реакции, т. е. к повышению плотности тока. И чем больше энергия активации процесса, т. е. чем медленнее процесс протекает в прямом и обратном направлениях при равновесии, тем большая поляризация требуется для обеспечения определенной скорости электрохимического процесса, выражаемой через плотность тока. Связь между электрохимическим перенапряжением ∆ЕЭЛ и плотностью тока выражается уравнением Тафеля:
∆Еэд=±(а + b lgi)
Знак «+» относят к анодному перенапряжению, а знак «—» — к катодному.
Электрохимическое перенапряжение может быть снижено применением электродов-катализаторов. Электрохимическая поляризация уменьшается с увеличением температуры и концентрации реагента и не зависит от перемешивания раствора, так как плотность тока при одном и том же токе снижается с увеличением поверхности электрода, то перенапряжение может быть снижено увеличением площади электродов.