Реферат Курсовая Конспект
По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ - раздел Химия, Воронежский Институт Высоких Технологий Факультет За...
|
ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Факультет заочного обучения
Е. В. Семенова
КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Химия»
Литература
1. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.
3. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высш. шк. – 1997, 550 с.
Лекция 2 (2 ч)
Тема 1. Строение вещества. Периодическая
система элементов Д. И. Менделеева
Изучаемые вопросы:
1.1. Современная модель строения атома
1.2. Квантовые числа
1.3. Строение многоэлектронных атомов
1.4. Периодические свойства элементов
1.5. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
Квантовые числа
Главное квантовое число (n) определяет энергию и размеры электронных орбиталей, удаленность уровня от ядра. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3... до ¥) и соответствует номеру периода. Число n показывает, сколько подуровней имеет каждый уровень, и какой энергетический уровень является внешним. Чем больше n, тем выше энергия. Оболочки (уровни) имеют буквенные обозначения
n = 1 2 3 4 5 6 7
K L M N O P Q
Пример. Элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны раcпределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).
Орбитальное (побочное или азимутальное (l)) квантовое число определяет форму атомной орбитали и характеризует энергетические подуровни. Величина l принимает целочисленные значения от 0 до (n – 1) и может обозначаться буквами.
Подоболочка (подуровень) s р d f g
Лекция 3 (2 ч)
Тема 2. Химическая связь и взаимодействия между молекулами
Вопросы:
2.1. Общая характеристика химической связи.
2.2. Типы химической связи.
2.3.Типы межмолекулярных взаимодействий.
2.4. Пространственная структура молекул.
Рис. 3. Изотерма реального газа
Таблица 3.
Уравнение (4.17) является условием возможности самопроизвольного течения реакции в прямом направлении.
Химическая реакция не может протекать самопроизвольно, если свободная энергия возрастает
DG (DF) > 0 (4.18)
Уравнение (4.18) является условием невозможности самопроизвольного течения реакции в прямом направлении, но служит термодинамическим условием возможности самопроизвольного протекания обратной реакции. Наконец, если
DG (DF) = 0 (4.19)
То реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, то есть, реакция обратима.
Таблица 4.
Кинетические уравнения реакци первого и второго порядка
К реакциям первого порядка относятся такие, которые описывают уравнением вида u = kС или
(5.9)
Если обозначить через а – начальную концентрацию вещества до реакции, а через (а – х) концентрацию вещества в момент времени t от начала реакции и х – количество прореагировавшего вещества, то
или
(5.10)
Интегрируя уравнение, получим
- ln(а – х) = kt + const, (5.11)
где const – постоянная интегрирования, которая определяется из условия, что в начале опыта t = 0 и x = 0. Подставив эти значения в уравнение (5.11), найдем: const = - ln a. Подставляя эту величину в уравнение (5.11), получим:
- ln(а – х) = kt - lnа, (5.12)
Откуда
или (5.13)
Это уравнение дает возможность вычислить концентрацию реагирующего вещества в любой момент времени по известной величине константы скорости, или найти константу скорости реакции при заданной температуре путем определения концентрации в любой момент времени.
Из уравнения (5.13) следует, что размерность константы скорости реакции первого порядка будет t-1 (например, мин-1 или с -1).
Скорость реакции первого порядка не зависит от объема (разбавления), в котором протекает реакция. Иными словами, в единицу времени превращению подвергается одна и та же часть вещества.
Наряду с константой скорости, реакции характеризуют периодом полураспада (t1/2) – временем, за которое прореагировало половина вещества:
(5.14)
Из уравнения (5.14) следует, что константа скорости реакции первого порядка обратно пропорциональна периоду полураспада.
По закону реакций первого порядка протекают в основном физические процессы: диффузия, растворение, радиоактивный распад; и некоторые химические реакции: гидролиз полисахаридов и т.д.
К реакциям второго порядка относятся реакции соединения типа А + В → С или обмена А + В → С + D, а так же реакции разложения и др. Скорость реакции второго порядка определяется уравнением:
(5.15)
где k – константа скорости, a и b – число молей веществ А и В в начальный момент времени, х – число прореагировавших молей.
Здесь возможны два случая. Первый случай, когда вещества а и b вступают в реакцию в эквивалентных количествах (a = в) и второй, когда (a ≠ в). Рассмотрим оба случая.
Первый случай (a = в). Уравнение (5.15) принимает вид
(5.16)
Разделяя переменные и проводя интегрирование, получим
(5.17)
Откуда
1/(а – х) = kt + const. (5.18)
При t = 0, x = 0
const = 1/а (5.19)
Подставив уравнения (5.19) в (5.18), получим
(5.20)
Размерность константы скорости реакции первого порядка [мин-1(моль/дм3)-1]. В данном случае скорость реакции зависит от разбавления раствора или его концентрации.
Второй случай (a ≠ в). Если для реакции взяты неэквивалентные количества реагирующих веществ, то
(5.21)
После разделения переменных получим это уравнение в другом виде:
(5.22)
Выражение, стоящее в левой части уравнение (5.22), можно представить как
.
После подстановки этого выражения в уравнение (5.22) получим
(5.23)
Поле интегрирования
(5.24)
Поскольку при t = 0, x = 0, постоянная интегрирования равна
(5.25)
Таким образом, подставляя это выражение в уравнение (5.24), найдем
Откуда
k = 1/t • 2,303/(а – в)[ln(в(а – х)/а(в – х)] (5.26)
Это и есть кинетическое уравнение реакции второго порядка при условии (a ≠ в).
Определить, какого порядка данная реакция можно, используя метод подстановки. Для этого из реакционной смеси отбирают пробы через определенный промежуток времени и анализируют на содержание исходных веществ. Затем полученные значения подставляют в кинетические уравнения первого или второго порядка. И тем уравнением, где константа скорости в ходе процесса не меняется, определяется и порядок реакции.
Лекция 9 (2 ч)
Тема 6. Химическое равновесие
Вопросы:
6.1. Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия.
6.2. Константа химического равновесия.
6.3. Факторы, влияющие на химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье.
6.4. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды.
6.5. Понятие о химическом сродстве веществ. Уравнения изотермы, изобары и изохоры химических реакций.
Лекции 10-12 (6 ч)
Тема 7. Растворы. Дисперсные системы
Вопросы:
7.1. Сольватная (гидратная) теория растворения.
7.2. Общие свойства растворов.
7.3. Типы жидких растворов. Растворимость.
7.4. Свойства слабых электролитов.
7.5. Свойства сильных электролитов.
7.6. Классификация дисперсных систем.
7.7. Получение коллоидно-дисперсных систем.
7.8. Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация.
7.9. Свойства коллоидно-дисперсных систем.
Откуда
p = CRT, (7.11)
где p – осмотическое давление, Па; С – молярная концентрация раствора, моль/дм3.
Осмотическое давление – это давление, которое наблюдается в растворах и вызывается ударами частиц растворенного вещества о стенки сосуда. Его измеряют с помощью приборов, называемых осмометрами. Простейший осмометр состоит из широкого сосуда с растворителем и осмотической ячейки с раствором, дно ячейки затянуто полупроницаемой мембраной. Мембраны способны пропускать частицы растворителя и задерживать частицы растворенного вещества.
В осмометре действуют две противоположно направленные силы: сила осмотического давления, которая способствует всасыванию растворителя внутрь осмометра, и гидростатическое давление столба жидкости в осмометре, которая препятствует, и в конечном счете, прекращает осмотическое всасывание растворителя. В момент равновесия осмотическое давление можно рассчитать по уравнению:
p = rh, (7.12)
где r – плотность раствора; h – высота поднятия коллоидного раствора в осмометре.
Для растворов электролитов осмотическое давление, определенное на осмометре всегда больше, чем рассчитанное по уравнению (7.11). Это связано с тем, что в электролитах молекул диссоциируют на ионы, то есть, увеличивается общее число частиц в растворе, а, следовательно, и осмотическое давление. Поэтому Вант-Гофф ввел изотонический коэффициент (i), который показывает во сколько раз осмотическое давление, определенное опытным путем больше рассчитанного:
i = pоn/pвыч. (7.13)
Вычисляют изотонический коэффициент по уравнению Аррениуса:
i = 1 + (k – 1)a, (7.14)
где k – число ионов, на которое диссоциирует электролит (например, для AlCl3 = Al+3 + 3Cl-, k = 4); a – степень диссоциации электролита, которая показывает долю продиссоциированных молекул электролита.
a = число частиц, подвергнутых диссоциации
общее число частиц в растворе
Изотонический коэффициент меняется в пределах от 1 до 5 и относится только к растворенному веществу. Для разбавленных растворов электролитов уравнения (7.8; 7.9 и 7.11) имеют вид:
(7.15)
Dtз = iEкСm и Dtк = iEэСm, (7.16)
p = iCRT. (7.17)
Законы Рауля и Вант-Гоффа соблюдаются лишь в разбавленных растворах. По мере повышения концентрации растворенного вещества возрастают отклонения от законов идеальных растворов. Эти отклонения обусловлены различного вида взаимодействиями между частицами растворенного вещества, а также растворенного вещества и растворителя. Учет влияния на свойства растворов этих взаимодействий очень сложен и не всегда практически осуществим. Поэтому было предложено сохранить для описания свойств растворов все общие закономерности, применимые к идеальным растворам, но вместо входящих в них концентраций компонентов ввести активность. Активность (а)связана с концентрацией следующим соотношением:
а = gС, (7.18)
где g – коэффициент активности, который формально учитывает все виды взаимодействия частиц в данном растворе, приводящие к отклонению от свойств идеального раствора. Его вычисляют по экспериментальным данным или, используя теоретические методы расчета, с некоторыми из них познакомимся далее.
Таким образом, общие свойства растворов выражаются законами Рауля и Вант-Гоффа. В реальных растворах вместо концентраций используется активность.
Классификация дисперсных систем
Дисперсные системыпредставляют собой гетерогенную систему, в которой одно вещество в более или менее раздробленном состоянии равномерно распределено в массе другого вещества. Раздробленное вещество в этом случае называется дисперсной фазой, а среда, в которой оно распределено – дисперсионной средой. Например, взмученная в воде глина состоит из взвешенных мелких частиц глины – дисперсной фазы и воды – дисперсионной среды.
Дисперсные системы характеризуются степенью дисперсности – величиной обратной величине размера (диаметра) дисперсных частиц. Чем больше размер частиц, тем меньше степень дисперсности.
Дисперсные системы классифицируются по следующим признакам: по степени дисперсности (или размеру частиц); агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды; интенсивности взаимодействия частиц на поверхности раздела между фазами.
Рассмотрим классификацию по степени дисперсности (или размеру частиц). В зависимости от размера частиц (степени дисперсности) все дисперсные системы делятся на три группы:
1) грубодисперсные или микрогетерогенные системы, имеющие размер частиц 10-5 – 10-7 м и более. Такие системы гетерогенны, неустойчивы, не проходят через тонкие бумажные фильтры; сравнительно быстро оседают (или всплывают); не диализируют и не диффундируют, видимы в обычный микроскоп. Примеры: суспензии, эмульсии, пены;
2) полидисперсные или ультрамикрогетерогенные системы, имеющие размер 10-7 – 10-9 м. Такие системы гетерогенны, довольно устойчивы, проходят через самые тонкие фильтры, но задерживаются в ультрафильтрах, заметно не оседают, не диализируют и очень слабо диффундируют, невидимы в обычный микроскоп, но обнаруживаются при помощи ультрамикроскопа. Примеры: коллоидные системы (золи);
3) истинные или молекулярные растворы, имеющие размер частиц менее 10-9 м. Эта группа делится на две подгруппы: растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) и растворы низкомолекулярных соединений (НМС). Такие системы гомогенны, довольно устойчивы, образуются путем самопроизвольного растворения, проходят через все фильтры; не оседают, хорошо диализируют и диффундируют, не обнаруживаются и в ультрамикроскопе.
Суспензии – это грубодисперсные системы, в которых дисперсная фаза состоит из твердых частиц, взвешенных в жидкой среде. Для получения стабильной суспензии вводят подходящий стабилизатор – различные поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Эмульсии – это грубодисперсные системы, которые состоят из двух несмешивающихся жидкостей. В качестве стабилизатора используют эмульгаторы: органические кислоты, спирты и др. ПАВ.
Пены– это грубодисперсные системы газов (или воздуха) в жидкости. В качестве стабилизатора применяют пенообразователи: мыло, органические кислоты, спирты и др. ПАВ.
Классификация по отсутствию или наличию взаимодействия между частицами в дисперсной фазе делит дисперсные системы на две группы:
1) свободнодисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться по дисперсионной среде (суспензии, эмульсии, золи и др.);
2) связнодисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы закреплены в определенных точках пространства и не могут свободно перемещаться по дисперсионной среде: твердые пены, студни, твердые растворы.
Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды делит дисперсные системы на две группы:
1) лиофильные (гидрофильные) растворы – системы, в которых частицы фазы взаимодействуют со средой – растворы мыл, некоторых белков, полисахариды, латекс;
2) лиофобные (гидрофобные) растворы – системы, в которых частицы фазы и среды не взаимодействуют – коллоидные растворы (гидрозоли), эмульсии масел в воде. (В переводе с греческого «лио» – растворитель; «филе» – люблю; «фоба» – ненавидеть).
Классификация по агрегатному состоянию фазы и среды включает восемь типов систем (табл. 7.7).
Получение коллоидно-дисперсных систем
Размеры коллоидных частиц настолько велики по сравнению с молекулами дисперсионной среды, что между ними образуется поверхность раздела, т. е. коллоидные системы гетерогенны и их получение возможно при соблюдении следующих условий:
1) размеры частиц данного вещества должны быть доведены до коллоидных размеров (10-7 – 10-9 м), что возможно методом раздробления (дисперсионные методы) или укрупнением молекул, атомов или ионов до частиц коллоидного размера (конденсационные методы);
2) необходимо присутствие стабилизаторов (ионов электролитов, которые на поверхности коллоидной частички образуют ионно-гидратную оболочку, препятствующую слиянию частиц при их взаимном столкновении в растворе);
3) коллоидные частицы (дисперсная фаза) должны обладать плохой растворимостью в дисперсионной среде, хотя бы в момент их получения.
Рис 9. Схема устройства
для демонстрации электрофореза
Коллоидные растворы в природе и технике. В природной воде содержится часть примесей в коллоидном состоянии. Поэтому воду, используемую для коммунальных нужд, электростанций, строительства подвергают обработке, вызывающей коагуляцию коллоидных частиц. Дымовые газы электростанций, металлургических заводов и других предприятий представляют собой аэрозоли. Для их коагуляции применяется электрогазоочистка методом электрофореза при очень высоких напряжениях поля. Можно разделить коллоидные частицы и ионы через мембрану, проницаемую для молекул и ионов и непроницаемую для коллоидных частиц. Такой метод разделения называется диализом.Он, например, лежит в основе аппарата «искусственная почка».
Вместе с тем, коллоидные растворы находят очень широкое применение в технике, медицине и сельском хозяйстве. Многие лекарственные вещества, пищевые продукты, парфюмерные товары, средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями и сорняками применяются в коллоидном состоянии. В коллоидном состоянии находятся многие составные части живых организмов: кровь, лимфа, внутриклеточная жидкость. Поэтому для лечения некоторых болезней широко используется введение в организм лекарств методом электрофореза.
Таким образом, в коллоидном состоянии могут находиться многие вещества. Электрический заряд и гидратная (сольватная) оболочка коллоидных частиц обеспечивает устойчивость коллоидных систем, а также придает им особые электрические и кинетические свойства. Снятие электрического заряда и удаление гидратной оболочки частиц приводит к разрушению коллоидных систем.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое раствор? Как взаимосвязаны различные виды концентраций (массовая доля растворенного вещества, молярная, нормальная, моляльная, мольная доля) между собой?
2. В чем состоит современная теория растворения?
3. Как формулируется первый закон Рауля для неэлектролитов и электролитов?
4. Как формулируется второй закон Рауля для неэлектролитов и электролитов?
5. Что такое осмотическое давление? Как формулируется закон Вант-Гоффа для неэлектролитов и электролитов?
6. Каким уравнением связаны между собой изотонический коэффициент, число частиц, на которые диссоциирует электролит и степень диссоциации?
7. Как охарактеризовать растворимость газов в жидкостях? Как формулируется закон Генри?
8. Виды систем, образуемых при растворении жидкостей в жидкостях?
9. Что представляет собой распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкостями? Как формулируется закон Нернста-Шилова?
10. Что представляет собой растворимость твердых веществ в жидкостях? Какие виды систем, образуемых при этом?
11. Что представляет собой константа диссоциации? Как формулируется закон разбавления Оствальда?
12. Что представляет собой ионное произведение воды. Что такое водородный показатель?
13. Что представляет собой произведение растворимости?
14. Как проводят классификацию дисперсных систем по размеру частиц?
15. Как проводят классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию?
16. Как проводят классификацию по отсутствию или наличию взаимодействия между частицами в дисперсионной фазе?
17. Как проводят классификацию по степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды?
18. Какие дисперсионные методы получения коллоидных растворов вы знаете?
19. Какие конденсационные методы получения коллоидных растворов? Охарактеризуйте строение мицелл золей.
20. Что представляет собой кинетическая и коллоидная устойчивость коллоидных систем?
21. Что такое коагуляция, пептизация? В чем заключается правило Шульце-Гарди?
22. Каковы молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов?
23. Каковы оптические свойства коллоидных растворов?
24. Каковы электро-кинетические свойства коллоидных растворов?
25. Какие коллоидные растворы используются в природе и технике?
Литература:
1. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.
3. Глинка Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк. – 1983, 230 с.
4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая шк. – 2003, 743 с.
5. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высш. шк. – 1997, 550 с.
Лекция 13 (2ч)
Тема 8. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства вещества
Вопросы:
8.1. Особенности обменных процессов.
8.2. Особенности окислительно-восстановительных процессов.
Электродвижущая сила гальванического элемента.
9.5. Классификация электродов.
9.6. Поляризация и перенапряжение.
9.7. Электролиз. Законы Фарадея.
9.8. Коррозия металлов.
Классификация электродов
Все электроды можно разделить на шесть групп:
1. Электроды первого рода – это металл, погруженный в раствор своей хорошо растворимой соли, он обратим относительно катионов металла. При этом протекает обратимая электрохимическая реакция следующего вида:
Me D Men+ + ne.
Схема полуэлемента Men+/Me. Например: Zn2+/Zn и Cu2+/Cu. При расчете потенциала используют уравнение Нернста в общем виде (9.8).
2. Электроды второго рода – это металл, покрытый своей труднорастворимой солью и обратим относительно аниона. Такие электроды используют как электроды сравнения, поскольку они обладают малым температурным коэффициентом и равновесие в системе устанавливается достаточно быстро. Реакция, протекающая при этом, имеет вид MeX D Men+ + X– + ne, схема полуэлемента Me/MeX,X–. Например, хлорсеребряный электрод Ag/AgCl,Cl–; каломельный электрод Hg/Hg2Cl2,KCl; ртутно-кадмиевый электрод Hg/Hg2SO4,CdSO4. Потенциал рассчитывают по уравнению:
(9.9)
3. Газовые электроды состоят из металлического проводника, который не должен посылать в раствор собственный ионы (платина и платиновые металлы), контактирующего одновременно с газом и раствором, содержащим ионы этого раствора. Чаще всего газовые электроды используют в качестве электродов сравнения, и к ним относятся водородный и кислородный электроды.
Равновесие на водородном электроде выражается равновесием 2H+ + 2e D H2, а схема полуэлемента имеет вид H2(Pt)/2H+. Так как в реакции участвует газообразный водород, то электродный потенциал зависит от давления газа
или . (9.10)
На кислородном электроде в щелочной среде протекает реакция O2 + 2H2O + 4e D 4OH–, а схема полуэлемента имеет вид O2(Pt)/OH–. Выражение равновесного потенциала имеет вид:
или при T = 298 K.
. (9.11)
4. Амальгамные электроды. Амальгама – это раствор металла в ртути. Электроды подобного типа используют для металлов химически активных, те которые в чистом виде химически взаимодействуют с водой. Например, кадмиевый амальгамный электрод Cd(Hg)/CdSO4. Реакция Cd D Cd2+ + 2e. При расчетах используют уравнение Нернста в общем виде (9.8).
5. Окислительно-восстановительные электроды. Строго говоря, любая электрохимическая реакция является окислительно-восстановительной. Однако при более тонкой классификации к окислительно-восстановительным электродам относят только те электроды, в реакциях которых не принимают непосредственного участия металлы и газы. Такие электроды состоят из металлического проводника, контактирующего с раствором, содержащим окислители и восстановители. Например, Fe3++e D Fe2+(Fe3+/Fe2+) или в общем виде Ox + ne D Red, а схема Pt/Ox, Red.
Уравнение Нернста имеет вид
(9.12)
6. Мембранные электроды, например стеклянный, который представляет собой тонкостенный стеклянный шарик, заполненный раствором электролита. Содержащиеся в стекле ионы натрия () обмениваются в растворе с ионами водорода: +H+ D + Na+, схема полуэлемента – стекло ()/H+. Поскольку стеклянный электрод обратим относительно катионов водорода, то его используют в качестве индикаторного электрода и электродный потенциал рассчитывают по уравнению
E = Eo – 0,0002 pH. (9.13)
Используя другой подход, классификацию электродов можно провести по-другому.
Таблица 9.
– Конец работы –
Используемые теги: дисциплине, Химия, курс, лекций0.047
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов