Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Химия как наука о веществах, их превращениях

Химия - это наука о превращениях веществ. Она изучает состав, строение веществ, зав-ть свойств от их состава и строения, условия и пути превращения одних вещ-в в другие. Хим изменения всегда сопровожд измен-ми физич. Поэтому химия тесно связана с физикой и биологией. В соврем жизни, особенно в производств деятель человека химия играет исключ важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с приминен химии. Природа дает нам лишь исходное сырье. Подвергая природные материалы хим переработке, получ разнообраз вещ-ва, необходимые для с/х, для изготов пром изделий и для домаш обихода. Для хим переработки природ сырья необход знать общие законы превращ вещ-в, а эти знания дает химия. Глубокое понимание законов химии и их приме-е позволяют как соверш-тьть сущест-ие, так и создавать новые процессы, машины, установки и приборыХимизация народ хоз-вава явл одним из важнейших путей интенсификации его развития Хим реакции широко испол во многих произв-ых процессахОни (процессы окисления, коррозии и др) протекают при работе установок, машин и приборов Получение электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов, продуктов питания непоср-о связано с хим реакциямиНапр, в наст время электрическую и хим энергию получают в осн преобр хим энергии природ топливаБез понимания этих процессов невозм обесп эффективную работу электростанций и двигателей внутреннего сгоранияВелика роль хим процессов и в атомной энергетике, значение которой непрерывно возрастает Испол-е хим реакций в ряде производ процессов позволяет резко повышать производ-ть труда и качество продукции, получать новые материалы Химизация любой отрасли народ хоз-ва приносит большой экон. эффект Особенно возросла роль химии в развитии электротехники, микроэлектроники, радиотехники, космич техники, автоматики и вычисл техники Для развития новой техники необх материалы с особыми сво-и, кот нет в природе: сверхчистые, сверхтвердые, сверхпроводящие, жаростойкие и тпТакие материалы поставляет соврем хим пром-ть, поэтому можно понять важность ее изучения для инженера любой спец-тиВ электротехнической пром-ти, напр, более 80% продукции выпускается с применением полимерных материалов

2. Квантовая теория Планка

Атом-наим частица хим элемента, сохран его св-ва. Атом состоит из полож зараж ядра и движущ вокруг ядра электронов. Электрон - элемент микрочастица атома. Исследования изучения фотоэффекта атомных спектров привели к выводу что энергия распр и перед поглощ и испуск не непрерывноа дискретно отдельными порциями (квантами) Энергетическая система микрочастицы может принимать опред значения кот явл кратными числу квантов те энергия матер систем квантируется изменяется скачкообразно Предложение о квантовой энергии было высказано МПланком и обоснованно Эйнштейном В 20-е годы возник новый раздел физики, опис-й движ и взаимод микрочастиц - это квантовая или волновая механика Создание квантовой механики произошло на пути обобщения представления о корпуск-волновой двойств-ти фотона(световые частицы) на электроны. Корпуск св-ва фотона выраж уравн Планка E=hv (1900), согласно кот фотон неделим и существ в виде дискретного образовани (E-энергия кванта, v-частота изменения, h-пост Планка 6, 625 10-34 джс) . Волновые свойства фотона выраж уравнением C=v (C-скорость распростр, -длина волны колебания). Из этих уравнений получаем соотношение, связывающее корпуск харак-ку фотона E с его волновой харак-ой : E=hc/. Это уравнение выведено исходя из того, что фотону присущи как волновые, так и корпуск сво-ва. Фотон с энергией E обладает и некоторой массой m E=mc2. Откуда =h/mc. В 1924 де Бройль предположил, что эта двойс-ть присуща не только фотонам, но и электронам. Поэтому электрон должен проявлять волнов сво-ва, и для него должно выпол последн уравнение, кот часто называют уравнением де Бройля. Следов, для электрона =h/mc. Итак, электронам присуща корпуск-волновая двойс-ть. Корпуск сво-ва электрона - способность проявлять свое действие как целого, волновые - в особенностях его движения, в дифракции и интерфракции электронов. В основе соврем теории строения атома лежат положения - 1)теория квантов Планка(1900) 2)корпуск-волнов сво-ва микрочастиц 3)принцип неопред-ти Гезейнберга (1927) - невозможно одноврем точно опред координату и скорость движения микрочастицы. Чем точнее измеряют скорость, тем больще неопр-ть в координате и наоборот. Поэтому вероятно только статист положение микрочаст в пространстве. В качестве модели сост-я эл-на в атоме в квант механике принято представление об эл облаке. Электрон в атоме не движится по опред траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако, вероятность его нахождения в разл частях прост-ва неодинаково. Эл облако - область прост-ва, в кот движ-ся эл-н, плотность соответствующих участков кот пропорц вероятности нахожд там эл-на. Прост-во вокруг ядра, в кот наиболее вероятно прибывание эл-на назыв-ся орбиталью.

3. Характеристика энергетического состояния электрона

Электрон - элемент микрочастица атома. Орбиталь - простр вокруг ядра, в кот наиболее вероятно прибывание электрона. Характеристика энергетического состояния электрона в атоме можно определить квантовыми числами n, l, m, ms. N - главное квантовое число, хар-ет энергию электрона на данном энергетическом уровне и размер орбитали. Принимает положит целочисл значения (1-, практически 1-7). С увелич n размер орбитали возрастает, электрон удаляется от ядра. L - орбитальное квант число. Энерг состояние электронов одного уровня незначит отлич друг от друга и уровни кроме первого представл совок-ти энергетич подуровней. L харк-ет энергию электронов в подуровнях и форму орбитали. Принимает целочисл значения от 1-(n-1). Число подуровней в уровне равно n. Подуровни обознач s(0), p(1), d(2), f(3)…Форма орбитали

M - магнитное квантовое число, харк-ет пространст ориентацию орбитали. Принимает значения от -l …0…+l, всего (2l+1) значений. это число соответ числу атомных орбиталей в подуровне (числу энергетич состояний электронов). S(1), p(3), d(5), f(7). N, m, l хар-ют волновые св-ва электронов. Ms - спиновое квантовое число, хар-ет собств вращение электрона вокруг своей оси, названное спинов. Значения -1/2, +1/2. Харак-ет корпуск св-ва электронов. Принцип-запрет Паули - в атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковые значения всех 4 квант чисел. При одинак значен l, m, n знач ms должны различ. На одной орбитали могут наход-ся только 2 электрона с антипарал спинами.

4. Расположение электронов в многоэлектронных атомах

Распределение электронов в многоэлектронных атомах опред-ся след положениями: 1)принцип Паули, согласно кот в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми При одинак значениях m, l, n значения ms должны различаться. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположенные знаки Два таких электрона, находящиеся на одной орбитали и обладающие противопол спинами, называются спаренными. 2)принцип наименьшей энергии, согласно кот орбитали заполн-ся в порядке возрастания их энергии, что опред-ся правилом Кличковского. Заполнение электр орбиталей происх от орбиталей с меньшим значение (n+l) к орбиталям с большим значением этой суммы (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p). При одинаковых значениях этой суммы заполнение орбиталей происходит послед-но в направл возраст значения n. 3)правило Хунда - в пределах одного подуровня электроны располагаются так, чтобы суммарный спин был максимальным - т. е. сначала электроны располаг-ся по одному в свободных ячейках. Пользуясь принципом Паули подсчитаем какое максимальное число электронов может находится на на различных энергетических уровнях и подуровнях в атомеПри n=1те на s-подуровне(l=0)магни квант число равно нулю След на s-подуровне имеется всего 1 орбиталь кот принято условно обозначать в виде клетки (квантовая ячейка)Как указывалось вышена каждой атомной орбитали размещается не более двух электронов спины которых противоположно направлены Итак макс число электронов на s-подуровне каждого электр слоя равно 2, 1s2. На р-подуровне имеется три орбиталиВсего на р-подуровне может разместиться 6 электроновПодуровень d (l=2) состоит из 5 орбиталий соответствующих 5 разным значениям m; здесь максимальное значение электронов равно 10Наконец на f-подуровне (l=3) может разместится 14 электронов;вообще максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом l равно 2(2l+1) Максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне равно 2n^2Такв К-слое может находится максимум 2 электрона в L-слое-8электронов в М-слое-18 электронов и тдНаиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергииЛюбое другое его состояние является возбуждённым неустойчивым: из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией

5 Периодический закон Д. И. Менделеева

К середине 19 века было открыто 63 химических элемента (вид атомов с одинаковым зарядом ядра). Но никто не мог обосновать периодичность свойств. Только в 1869г Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон - свойства простых тел, свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов электронов. Это позволило уточнить атомные массы некоторых элементов, предсказать свойства неоткрытых. Графическое выражение закона - периодич система элементов, кот отражает закономерности строения атома из электронов в виде гориз и вертик рядов (7 периодов, 8 групп).

Мозли, исследуя частоты рентген излучения, испускаемого элементами при бомбардировке их электрическим пучком, открыл соотношение между длиной рентген излучения и порядковым номером элемента. (z-порядк номер). Позднее было доказано, что Z отражает заряд ядра атома и он более точно отражает период в свойствах элемента и поэтому современные физические законы свойств элемента и соединений элемента находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома таким образом, изменение свойств хим элементов по мере возраст их атомной массы не соверш непрерывно в одном и том же направлении, а имеет периодич характер. Большое влияние на развитии химии. Открытие новых элементов, установление валентности и атомных масс некоторых элементов. И в настоящее время периодической закон остается важным прорывом. На соврем этапе развития представлений об атоме атом - сложное образование, построенное из более мелких структурных единиц. Заряд ядра атома численно равен порядковому номеру элемента. Заряд атомного ядра является той основной величиной, от кот зависят сво-ва элемента и его положение в период системе. Поэтому период закон в настоящее время можно сформ след образом - свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в период зависимости от заряда ядра атомов элементов.

6. Периодическая система элементов

В 1869г Д. И. Менделеев сформулировал период закон - свойства простых тел, свойства и формы соединений элементов находятся в периодич зависимости от величин атомных весов элементов. Современная формулировка закона - свой-ва элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в период зависимости от заряда ядра атомов элемента. Графич выражение закона - период система элементов, кот отражает закономерности строения атома в виде гориз и верт рядов (7 периодов, 8 групп). Порядковый номер элемента в период системе соответ заряду ядра. Горизонт ряды элементов, у которых заполняются электронами одинаковое число уровней, Менделеев назвал периодами. Свойства изменяются послед-но. Первые 3 периода - малые периоды, 4-6 - большие периоды. В больших периодах не все сво-ва элементов измен-ся так послед-но, как в малых. Здесь наблюдается еще некоторая периодичность в измен сво-в внутри самих периодов. Номер периода показывает число уровней. Элементы, имеющие одинаковое строение внешних (предвнешних) уровней образуют группы, которые делятся на подгруппы. Сходные свойства. Номер группы указывает максим валентность элементов - число валентных электронов, кот может участвовать в образовании хим связей (кроме O, F, Cu, Au, Fe, Co, Ni). Начиная с 4 периода, каждая группа разбивается на 2 подгруппы - главную и побочную. Итак, в период системе сво-ва элементов, их атомная масса, вален-ть, хим характер измен в известной последов-ти как в гориз, так и в вертик напр-ях. В зависимости от того на какой подуровень в атом поступают электроны, элементы делятся на s, p, d, f элементы, электронные семейства. S и p элементы - заполняются электронами внешн уровень, они же валентные электроны. Это элементы главных подгрупп. S - первые 2 каждого периода, p - последние 6 каждого периода. D элементы - на внешн слое 2, 1, 0 электронов, заполн-ся электронами d подуровень предвнешнего уровня. Валентные электроны - s подуровня внешнего уровня и неспаренные d предвнеш. Это элементы побочных подгрупп. F элементы - на внеш слое 2, на предвнешнем 8, 9, заполняется f подуровень третьего снаружи уровня, лантаноиды, актиноиды.

7. Периодическое изменение свойств химических элементов

Каждый период начинается с щелочного металла и с увеличением числа электронов на внешнем слое металлич сво-ва ослабевают и усиливаются неметал сво-ва. Каждый период заканчивается инертным газом. Сверху вниз метал сво-ва усиливаются, в 7 греппе ослабевают неметал св-ва. Периодическое изменение сво-в элементов объясняется периодическим повторением через опред число конфигураций внеш уровней. Важными свойствами атомов явл-ся радиус, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность. 1)радиусы атомов не имеют опред границ и за радиус принимается расстояние от ядра до области наиболее удаленной максим электронной плотности. Радиус в периодах слева направо уменьшается, т. е. число электронных слоев одинаково, притяжение электронов внеш слоев к ядру с увелич заряда ядра увеличивается и оболочка сжимается. В подгруппах сверху вниз радиус увеличивается, т. к. растет число уровней и внеш электроны удал-ся от ядра. 2)энергия ионизации(J) - энергия, необходимая для отрыва электронов от невозбужд атома. J хар-ет восстановит способность атома - спос-ть отдавать электроны. В периоде слева направо J увелич, в подгруппах сверху вниз J уменьш Чем меньше J, тем сильнее восстановит сво-ва (метал). Наим у щелочных металлов, миним у Fr. 3)сродство к электрону (Еср) - энергия, выделенная при присоедин электронов к нейтрал атому. Характ окисл спос-ть атома - спос-ть присоединять электроны. В периодах слева напрво увелич, в группах сверху вниз уменьш. Чем больше Еср, тем сильнее окисл сво-ва (неметал). Наиб у О, галогенов, максим у F. Еср и J обычно выраж в электрон вольтах 4)эо хар-ет спос-ть атома оттягивать на себя электроны, обобществленные преобразованием хим связи. Всем элементам присуще двойст-ть природы, т. е. восстановление и окисление, поэтому каждый элемент можно охарак-ть суммой окисл и восст-ых свойств, те суммой против-ых по значению констант Еср и J . Эо в периоде слева направо увел и умень сверху вниз для элементов в подгруппах Чем больше эо, тем сильнее окисл спос-ти элемента. Наим эо у щелочных, максим у F. Наиболее распростр шкала эо Полинга, где эо F=4, эо Li=1. Разности значений эо для пары элементов позволют увидеть характер образуемой связи. (0 - связь нейтр, 1, 8 - связь полярная, 1, 8 - связь ионная).

8. Квантово-механическая теория химической связи

При взаимод-ии атомов между ними может возникать хим связь - совокупность сил, дейст-х между атомами или группами атомов с образованием устойчивой системы - молекулы, сложного иона, кристалла. Чем прочнее хим связь, тем больше энергии нужно затратить для ее разрыва, поэтому энергия разрыва связи служит мерой ее прочности. Она всегда положит. При образов хим связи энергия всегда выдел за счет уменш потенц энергии системы взаимод электронов и ядер. Поэтому условием образов хим связи является умен потенц энергии системы взаимод атомов. Природа хим связи электростатическая, основана на взаимод всех ядер и электронов. Крупным шагом в развитии представ о строений молекул явилась теория хим строения, выдвинутая в 1861г Бутлеровым. 1. Атомы в молекулах соед друг с другом в опред послед-ти, измен-е этой посл-ти приводит к образован нового вещ-ва с нов св-ми. 2. Соеди-е атомов происх в соответ с их валентн. 3. Сво-ва вещ-в зависят не только от их состава, но и от порядка соед атомов в мол-ах и хар-ра их взаимн влияния. Сущ-ет 3 типа хим связи - ковалентная, ионная, металлическая. Ковалентная связь осущ-ся за счет обобщения электр плотностей взаимод-их атомов с образованием электр пар. Наиболее распростр метод валентной связи 1)в образовании связи участв или неспарен электроны у атомов с антипарал спинами или неподел электр пара одного атома и вакант орбиталь другого 2)связь осущ-ся в следствии обобщения электронов и обра-ии общих эл-ых пар путем перекрыв-я электр облаков взаимод атомов, энергия системы понижается 3)связь прочнее чем больше перекрыв эл облако. В области перек-я эл плотность наиб. 4)связь образ в направл максим перекрытия облаков. Эта теория была разработана в 1927г Гейтлером и Лондоном на основе расчетов изменения потенц энергии при образовании молекулы водорода из 2 атомов по мере их сближения. При сближении 2 атомов водорода между ними действуют силы электростат взаимод ядер и электронов. Если спины парал, при сближении атомов сила отталк увел, энергия системы повыш, связь не образ. Если спины антипарал, при сближ атомов на некот расстоянии начин взаимод электронов одного атома с ядром другого и наоборот. При равных радиусах сила притяжения равна силе отталк, энергия системы миним, образуется молекула. При дальнеш сближении сила оттал между ядрами преобл над силами притяж, молекула распад. Параметры связи - энергия связи (при образов молекулы из одинар связи равна энергии, затраченной на ее разрыв), длина связи (r - длина между ядрами атомов в молекуле). Чем больше энергия связи и меньше длина связи, тем прочнее связь.

9. Образование ковалентной связи. Водородная связь

Ковалетная связь - связь, кот осущ-ся за счет обобществл электр плотностей взаимодей-их атомов с образование общих для взаимод атомов электр пар. Сущ-ет 2 механизма образования этой связи. 1)обменный - осущ-ся, когда в образовании общей пары от каждого атома участвует по 1 электрону (Н2, Cl2, HCl). 2)донорно-акцепторный - осущ-ся при наличии неподел пары электронов одного атома (донора) и свободной орбитали др атома (акцептора), образ общая эл пара. Образование иона аммония NH3+HCl=NH4Cl, NH3+H+=NH4+. Образование молекулы NH3 - азот, имеющий 3 ковалент связи с тремя атомами Н, по обменному механизму имеет неподел электр пару. Образование иона аммония - эта эл пара взаимод со своб орбиталью иона Н+. Образуется 4ая ковалентная связь. Атом азота - донор, атом водорода - акцептор. Все 4 связи в ионе аммония равноцепные. Водородная связь возникает между молекулами или внутри молекулы, если в их состав входит водород и сильно электроотрицат элемент (O, N, S, F). Различают межмолекул и внутримолек водородные связи. Межмолек водород связь образ между мол-ми воды. В полярной молекуле воды общая эл пара смещена к более эо кислороду. Атом Н приобретает частичноположит заряд, атом О - частичноотрицат. Положит поляр атом Н обладает очень малым размером, проникает в электрон оболочку отриц поляр атома О соседней мол-лы. Между мол-ми возник взаимодейст, кот имеет электростатич и частично донорно-акцептор хар-р. мол-лы объедин в димеры и более сложные ассоциации. Молекула воды образ 4 водород связи, т. к. имеет 2 атома Н и 2 неподел электр пары О. Наличием водород связи объясн аномальновысок темп кипения и плавления воды и льда по сравнению с аналогами H2S, H2Se, H2Te. Понижение плотности воды при замерзании (1-0, 92). Наибольшая теплота испарения, что обуславл максим теплоемкость. Вода медленно нагрев летом и медлен охлажд зимой. Внутримолек водород связь возникает внутри одной молекулы между двумя функциональными группами, в одной из кот наход Н. Водород связь играет важную роль при образов водн и неводн раст-ов в процессе диссоциации, гидролиза, ассоциации HCl, NH3, в построении сложных структур белков.

10. Свойства ковалентной связи

Ковалентная связь - связь, кот осущ-ся за счет обобществл электр плотностей взаимодей-их атомов с образование общих для взаимод атомов электр пар. Она имеет следующие свойства 1)поляризуемость - способность неполяр связи становится полярной, а полярной еще более полярной под действием внешнего электр поля или другой полярной молекулы за счет возникновения индуцированного (наведенного) диполя, кот исчезает при снятии поля. Полярные молекулы, воздействуя на неполярные, превращают их в полярные - индукционное взаимодейст. При сближении происходит их взаимная поляризация и притяжение, образется диполь- дипольное взаимодействие. 2)насыщаемость связи - сво-во атомов образовывать строго опред число ковалент связей, что обусловлено участием в хим связи неспарен валентных эл-ов, число кот ограничено. Насыщаемость возраст при возбужд атома и за счет донорно-акцепт взаимод-я, обуславл опред состав молекулы. 3)направленность - обусловлена различной формой s, p, d, f орбиталей. Максим перекрывание возможно только при опред пространств ориентации. Зависит от направл перекрывания. и П. связь образуется при перекрыв атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов. П связь образуется при перек-ии атомных орбиталей по обе стороны от линии симметрии, менее прочная чем связь.

11. Неполярная, полярная ковалентные связи

Диполь, дипольный момент. Поляризация молекул. Ионная связь. Неполярная ковалентная связь - между одинаковыми атомами или атомами разных элементов с одинаковой эо; общая электр пара в равной мере принадлежит обоим атомам. Полярная ковалетная связь - между атомами элементов с различной эо; общая эл пара смещается в сторону более эо элемента HCl, H2S, H2O. На пример, в молекуле HCl общее эл облако смещено в сторону более эо Cl. В результате у атома Cl возникает эффективный отриц заряд, у атома Н эффективный полож заряд. Возникает диполь- эонейтральная система с двумя одинаковыми по величине полож и отриц зарядами. Хотя суммарный заряд диполя равен 0, в окруж его прост-ве образ электрич поле, напряженность кот пропорциональна дипольному моменту молекулы =ql, q-зарад электрона, l-расстояние между центрами полож и отриц зарядов в молекуле. Дипольный момент - колич-ая мера полярности связи. Поляризуемость - способность неполяр связи становится полярной, а полярной еще более полярной под действием внешнего электр поля или другой полярной молекулы за счет возникновения индуцированного (наведенного) диполя, кот исчезает при снятии поля. Полярные молекулы, воздействуя на неполярные, превращают их в полярные - индукционное взаимодейст. При сближении происходит их взаимная поляризация и притяжение, образуется диполь - дипольное взаимодействие. Ионная связь между атомами, сильно различ-ся по эо. Связь осущ-ся в результате возникновения электростатич взаимод противопол заряженных ионов. Образ ионная кристал решетка, в кот каждый ион окружен опред числом ионов др заряда (NaCl, NaF). Ионная связь в отличие от ковалентной хар-ся 1)ненаправл-ю, т. к. сферич поле вокруг ионов во всех направлениях равноценно 2)ненасыщ-ю, т. к. взаимод-е двух противопол заряжен ионов не компенсир силовые поля и они способны притягивать и другие ионы.

12. Гибридизация атомных орбиталей. Формы молекул

В образовании хим связей принимают участие s, p, d электроны, энергия кот различна и неодинаково пространственное расположение орбиталей. Однако связи с их участием равноценны и симметричны, что объясняется теорией гибридизации. Гибридизация - смешение орбиталей по форме и энергии. При этом образуются гибридные орбитали, имеющие форму более вытянутую в одну сторону от ядра, поэтому связи с их участием более прочные. Число гибридных орбиталей равно числу атомов, участ-их в гибридизации. Тип гибридизации определяется типом и количествм участвующих в гибридизации орбиталей. 1)s1p1 гибридизация (BeCl, MgCl2, ZnCl2). В хим связь вступает атом, у кот на внешней оболочке 1s и 1p электроны. Образуется 2 гибридные орбитали, расположенные под углом 180, формы молекулы линейная. 2)s1p2 (AlCl3, BCl3)- в хим связь вступ атом, у кот на внеш оболочке 1s и 2p электрона. Образуется 3 гибрид орбитали, расположенные под углом 120, плоский треугольник. 3)s1p3 (CH4)- в хим связь вступает атом, у кот на внеш оболочке 1s и 3p электрона. Образуется 4 гибрид орбитали, расположенные под углом 109 и28, форма молекулы тетраидр.

13. Энергетические эффекты химических реакций

Внутренняя энергия. Энтальпия. Закон Гесса следствие из него Термохимические уравнения Происходящие в ходе хим реакций изменения состава и структуры вещ-в сопровождается выделением или поглощением энергии. Обычно в виде теплоты. Выделение теплоты при взамод различных вещ-в заставляет признать, что эти вещ-ва ее до реакции с крытой форме обладали опред энергией. Такая форма энергии, скрытая в вещ-ах и освобожд-ся при хим и при некот физич процессах называется внутр энергией. Она включает в себя энергию движения и взаимод молекул, атомов, ядер, электронов, внутриядерную и др виды энергии, кроме кинет и потенц. Энтальпия - внутр энергия системы, характеризует энергет состояние вещ-ва. Тепловым эффектом хим реакции называется кол-во теплоты выделенное или поглощённое в рез-те хим взаимод Тепл эффект реакции протекающей при постоянном давлении отражает изменение энтальпии системы Н Реакции протек с выдел теплоты называются экзотерм энергосод-ие системы сниж-ся и измение энтропии отрицательно; с поглощ -эндотерм, энергосодерж увелич, полож. Ура-я реакций в кот указываются числовые значения тепловых эффектов и агригат состояния называются термохимическимидля возможности сравнения тепловых эффектов их относят к стандартным условиям t=298k, p=1атм. Термохим расчеты основаны на законе Гесса и следствиях из него. Закон Гесса: тепловой эффект хим реакций протекающих при пост объёме и давлении зависит только от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути совершения процесса, числа и хар-ра промежут стадий. На пример, CO2 можно получить двумя способами 1)сжигать С при полном доступе воздуха в 1 стадию 2)неполное сжигание в 2 стадии. Оба имеют одинаковые начал и конеч состояния. Закон позволяет вычислить тепловой эффект реакции, кот измерить трудно или невозможно. В термохимических расчётах применяют следствие из закона Гесса: 1)тепловой эффект хим реакции (изменение энтальпии) Н0 равен сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции (Н0ОБРПРОД) за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ (Н0ОБРИСХ) с учётом стехиометрических коэффициентовН0=Н0ОП-Н0ОИ. 2)тепловой эффект хим реакции (изменение энтальпии) Н0 равен сумме стандартных энтальпий сгорания исходн вещ-в продуктов реакции (Н0СГОРИСХОД) за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов реакции (Н0СГОРПРОД) Н0=Н0СИ-Н0СП.

14. Энтропия. Стандартные энтропии. Энергия Гиббса. Направление реакции

Энтропия - (Дж/мольК) колич мера беспорядка в системе, отражает движение частиц вещ-ва. Возрастает при нагревании, испарении, плавлении (беспорядок увеличивается) и уменьшается при охлаждении, конденсации, кристаллизации. энтропия растет при переходе их жидкого в газообразное, из кристал в аморфное состояние. В хим реакциях, если объем продуктов реакции больше, чем исходных вещ-в, то энтропия астет, если меньше, то уменьш. Изменение энтропии в системе в рез-те реакций равно сумме стандартных S продуктов реакции за вычитом суммы стандартных S исходных вещ-в. S0=S0ПРОД-S0ИСХ В хим процессах одновременно изменяются и энергия системы и её энтропия Суммарный эффект влияния этих факторов на процессы протекающие при постоянной температуре и давлении отражается изменением изобарно-изотермического потенциала G(энергия Гиббса) и выражается уравнением G=Н-ТS Здесь G(изобарно-изотермический потенциал)-термодинамическая функция; Н - отражает тенденцию к образованию связей и укрупнению частиц; ТS-отражает тенденцию к более беспорядочному расположению частиц к распаду веществ на более простые частицыЕсли G<0 реакция может протекать самопроизвольно в прямом направленииЕсли G>0 то реакция самопроизвольно в прямом направлении протекать не можетЕсли G=0 то система находится в состоянии равновесия направление протекания хим реакций опред совместн действием 2 факторов 1)стремлением системы к переходу состояния с наим внутр энергией-наим энтальпией 20стремлением к достижению наиб вероятного состояния перехода из более упоряд в менее упоряд - с наиб энтропией.

15. Химические реакции в гомогенных и гетерогенных системах. Скорость химической реакции

Хим реакции протекают с различ скоростями. Необходимо различать реакции в гомогенной и гетерогенной системах. Система - вещ-во или совок-ть вещ-в мысленно или физически обособл от окр среды. Фаза - часть системы, отдел от других частей поверхностью раздела. Гомогенная система - состоит из 1 фазы, отсутс пов-ть раздела (жидк вода, воздух). Гетероген система - неск фаз, разгран-х повер-ю раздела (лед в воде). Гомогенные реакции идут равномерно во всем объеме системы, гетерогенные реакции идут только на пов-ти раздела фаз. Скорость реакции опред измен концен вещ-ва, вступ в реакцию или образ-ся в рез-те реакции а един времени в един объема. Скорость гомог реакции - кол-во вещ-ва, вступающего в реакцию или образ-ся при реакции за един времени в един объема системы. Скорость гетерог реакции - кол-во вещ-ва, вступ-го в реак или образ-ся при реакции за един времени на един площади поверхности фазы. Различают истин и сред скорость. Факторы, влияющие на скорость реакции 1) природа реагир вещ-в - мгновенно или тысячелетиями, чем больше энергия связи в молекуле, тем она менее реакционноспос-на. 2)концентрация реагентов - чем больше конц-я реаг вещ-в, тем больше число столк-ий активиров молекул в един объема и больше скорость реакции. 3)давление - если в реакции участв газообраз вещ-ва. При увелич давления уменш объем, занимаемоый системой, увелич концентр реаг вещ-в и соответ увелич скорость реакции. 4)температура - при повышении темп на каждые 10 град, скорость реакции увелич в 2-4 раза. С повыш темпер увелич энергия частиц, значит растет число актив молекул и резко повыш скорость реакции. 5) катализаторы 6)площадь поверхности раздела фаз 7)степень раздроблености реаг ве-в (гетер)

16 Зависимость скорости химической реакции от концентрации. Закон действующих масс Константа скорости реакции

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, вступившего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела (для гетерогенной реакции). Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, давления (для газов), присутствие в системе катализаторов, площади поверхности раздела фаз и степени дисперсности реагирующих веществ для гетерогенных реакций зависимость от концентрации. Чем больше конц-я реагир вещ-в, тем больше число столкновений активных молекул в един объема и больше скорость реакции. Концентрация опр-ся законом действующих масс: при постоянной температуре скорость хим реакции прямопропорц произведению концентраций реаг веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакцииДля гомогенной реакции mA+nB=qД математическое выражение закона действующих масс имеет вид =kсmAcnB, где -скорость реакции; cA cB-текущие концентрации реагирующих веществ; mn-стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции; k-константа скорости реакции Константа скорости k численно равна скорости химической реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных I моль/л, и зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентрации Значения k для различных реакций при одной и той же температуре позволяют дать сравнительную характеристику способности исходных веществ к взаимодействию при этой температуре Для гетерогенной реакции в выражение скорости включены только концентрации газов.

17. Влияние температуры на скорость химической реакции. Температурный коэффициент Энергия активации

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, вступившего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела (для гетерогенной реакции). Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, давления (для газов), присутствие в системе катализаторов, площади поверхности раздела фаз и степени дисперсности реагирующих веществ для гетерогенных реакций Влияние температуры на скорость реакции опред-ся правилом Вант-Гоффа. При повышении темп-ры на каждые 10 градусов увелич скорость реакции в 2-4 раза. Vt2=vt1в степени (ta-t1)/10, где -температ коэф-т (число, показывающее, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры системы на 10 градусов)Температурный коэффициент различных реакций различенПри обычных температурах его значение для большинства реакций лежит в пределах от 2 до 4 Темпер коэффициент скорости реакции зависит от энергии активации реакции: большему значению энергии активации соответствует большее значение температурного коэффициентаИзбыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции Энергию активации выражают в кДж/моль Энергия активации различных реакций различнаЕе величина является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакцииДля некоторых реакций энергия активации мала, для других, наоборот, великаЕсли энергия активации очень мала (меньше 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакцииСкорость такой реакции великаНапротив, если энергия активации реакции очень велика (больше 120 кДж/моль), то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакцииСкорость подобной реакции очень малаНаконец, если энергия активации реакции не очень мала и не очень велика (40-120 кДж/моль), то такая реакция будет протекать не очень быстро и не очень медленно Скорость такой реакции можно измерить Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергииЭто состояние называется активированным комплексом Именно для его образования и необходима энергия активации Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое времяОн распадается с образованием продуктов реакции; при этом энергия выделяетсяАктивированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так и обратной реакции Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных- на энергию активации обратной реакции

18. Влияние катализаторов на скорость реакции. Теория гомогенного и гетерогенного катализа

Один из самых распространенных методов ускорения реакции является катализ - явление измения скорости реакции под воздействием катализатором Катализаторами называют вещества, кот участвуя в процессе, изменяют скорость реакции, но сами при этом не расходуются. (Fe, Co, Ni, Cr2O3). В зависимости от определенного состава реагирующих веществ и катализ различают гомогенный и гетерогенный В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор) В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы механизм гомог катализа объяс теория промежут соединений - в присутствии катализатора процесс разбивается на стадии. Пусть реакция А+В=АВ=АВ идет медленно в силу высокой энергии активации Найдется третье вещество К-катализатор, который легко реагирует с веществом А (в силу другой природы реагирующих веществ, следовательно другой энергии активации) А+К=АК=АК Соединение АК в силу другой природы вещества легко реагирует с веществом В образуется продукт реакции и катализатор АК+В=АКВ=АВ+К А+В+К=АВ+К. Увеличение скорость реакции связано с уменьшением энергии активации по сравнению с некаталит реакцией. При гетероген катализе процессы протекают на пов-ти катализатора, на его активных центрах. Пов-ть кат-ра должна быть максим развитой или иметь пористую структуру. Механизм гетероген катализа объясн теория активной адсорбции. В рез-те адсорбции (поглощения) на активных центрах кат-ра увелич конц вещ-в, молекулы дифформ-ся, связи в них ослабл-ся и разруш-ся, образ-ся атомы, радикалы высокой реакционной способности. Возможно образование промеж-ых соед-ий - мультиплетов между кат-ом и одним из реагир вещ-в. различные кат-ры снижают энергию активации неодинаково и для каждой реакции кат-ор подбирают экспериментально. Для повышения активности кат-ра в его состав вводят промоторы. Катализ играет важную роль в промышленности, считается что 70% химического производства использует катализаторы Целиком построен на катализе процесс получения основных продуктов химии: аммиака, серной и азотной кислоты Большинство биологических реакций - это применение гомогенного катализа Катализаторами служат простые или сложные белкиВ слюне человека- птиалин (крахмал=сахар); в желудке - пепсин (белки расщепляются)

19. Обратимые и необратимые процессы. Химическое равновесие константа равновесия смещение равновесия Принцип Ле Шателье

Все химические реакции можно разбить на 2 типа - обратимые и необратимые. Необратимые - реакции, протекающие только в одном направлении и до конца. Обратимые - реакции, кот протекают одновременно в двух напрвлениях и не идут до конца. При протекании обратной реакции конц-ии исходных вещ-в уменш, а продуктов реакции увелич. При этом уменьш скорость прямой и увелич скорость обратной реакций. Сост-ие системы, при кот скорость прям и обратной реакции равны - хим равновесие При хим равнов прям и обрат реакции не прекращ, поэтому равновесие явл подвижным (динамическим), а установ-ся концентрации компонентов системы - равновесными; они остаются постоянными до нарушения состояния хим равновесия Сост хим равновесия харак-ся константой хим равновесияДля гомоген системы mA+nB=qD Скорость прямой и обратной реакции согласно закона действия масс равна 1=k1сmAcnB 2=k2cqD С наступлением равновесия 1=2 тогда k1сmAcnB=k2cqD Перегрупировав члены равенства получим k1/k2=cqD/сmAcnB=К Отношение констант скоростей прямой и обратной реакций называется константой химического равновесия К, которая равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам Значение константы равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентрации веществ, хар-ет глубину превращ-я исходных вещ-в в продукты реакции до наступления момента равновесия. В гетерогенной системе учит-ся только газы. Хим равнов любой системы устанав при опред значениях параметров, которые его характеризуют: концентрации реагирующих веществ, температуры, давления (для газов) При изменении любого из этих параметров скорости прямой и обратной реакций изменяются неодинаково, и химическое равновесие нарушается, вследствии чего меняются концентрации компонентов системы. _ В результате преимущественного протекания реакции в одном из возможных направлений со временем в системе устанавливается другое состояние равновесия, которое характеризуется новыми равновесными концентрациями Переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением химического равновесия Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия Рассмотрим влияние каждого из трех параметров на смещение химического равновесия1) Если внешнее воздействие на систему проявляется в уменьшении концентрации одного из веществ, участвующих в реакции, равновесие смещается в сторону его образования (увеличения концентрации) Повышение концентрации одного из веществ смещается равновесие в сторону его расхода (уменьшения концентрации) Так, увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону образования продуктов реакции, увеличение концентрации продуктов реакции смещает равновесие в сторону образования исходных веществ 2) Влияние температуры на смещение равновесия определяется знаком и величиной энтальпии реакции Н: чем больше отличается Н от нуля, тем значительнее смещение равновесия при одном и том же изменении температуры При повышении температуры равновесие смещается в направлении протекания эндотермической реакции При понижении температуры равновесие смещается в направлении протекания экзотермической реакции 3) Изменение давления оказывает влияние на равновесие в том случае, если в реакции участвует хотя бы одно газообразное вещество и число молей исходных газообразных веществ и газообразных продуктов реакции не одинаковоПри увеличении давления равновесие смещается в сторону образования веществ с меньшим объемом (меньшим числом молей газов) При понижении давления равновесие смещается в сторону образования веществ с большим объемом (большим числом молей газов) Если протекание реакции не сопровождается изменением объема, то изменение давления не влияет на состояние равновесия 4)катализатор не влияет на смещение равновесия. Одинаково ускоряет прямую и обратную реакции и позволяет достигать в более короткий срок.

20. Дисперсные системы, их классификация. Суспензии, эмульсии

Дисперсные системы - системы, в кот частицы одного мелко раздробленного вещ-ва (дисперсной фазы) равномерно распределены между частями другого вещ-ва (дисперсной среды). По агрегатному состоянию фазы и среды различают следующие системы: ГГ-(воздух), ГЖпена(пеногазиров вода), ГТтвпена (пенопласт, пемза, шлак), ТТтвзоль(сплавы, горные породы), ТГаэрозь, ТЖсуспензии, золь, гель(известраст-ры, краски, пасты), Жгаэрозоль (туман, облако) Жжэмельсия(молоко, нефть), Жттвэмельсия(вода в сливочном масле, влажный грунт). В зав-ти от размеров частиц дисперсные фазы различают грубодисперсные системы - взвеси (более 100нм - почвы, эмульсии, порошки, пены); тонкодисперсные системы - коллоидные (1-100 нм - золь, гель кремн кислоты, р-р желатина, р-р серы); молекулярно и ионно дисперсные - истинные растворы (менее 1 нм - р-ры H2SO4, NaOH, CuSO4)

22. Растворы. Гидратная теория растворов ДИ Менделеева Сольваты и гидраты Тепловые явления при растворении

Раствор - гомогенная однофазная систем переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. раствор вещ-во распределяется между молекулами растворителя в виде молекул или ионов. Растворы могут быть жидкими - морская вода, твердыми - сплавы, газообразными - воздух. Процесс растворения - физико-химический процесс, сопров выделением или поглощением тепла, а иногда и изменением объема. Химическую теорию растворов создал Менделеев Менделеев считал, что эти явления указывают на хим взаимод между растворяющимся веществом и растворителем, этот процесс называется сольватацией, а полученные вещества-сольваты С водой процесс называется - гидротацией, а получившиеся вещества- гидраты проиллюстрируем это на примере растворения NaCl в воде. Между ионами натрия и хлора в кристалле существует ионная связь При погружении кристалла NaCl в воду ионы поверзн слоя взаимод с полярными молекулами воды - диполями. Возникает иондипольное взаимодействие, которое сильнее чем ионная связь и разрывает связи в кристалле. Гидратированные ионы отрываются от кристалла, полностью окруж-ся диполями воды. Постепенно весь кристалл распадается на отдельные гидратные ионы, образую с водой гомогенную систему - истинный раствор. Число молекул воды, связанных с ионами раствор вещ-ва, зависит от его природы и размеров. Гидротир ионы и молекулы иногда настолько прочны, что при выделение раствор вещества из растворителя (выпариванием) выпадают кристаллы содержащие молекулы воды, эти вещества называют кристаллогидраты при растворении происходит 1)разрушение хим и межмолек связей в растворителях - эндотермич процесс 2)образование сольватов сопровожд выделением энергии - экзотерм процесс 3)распределение сольватов в растворителе, связанное с диффузией - эндотермич процесс - эндотермич процесс. Суммарный тепловой эффект процесс H может быть 0. При растворении газов и большенства жидкостей энергия, затраченная на разрыв межмолек связей невелика и процесс растворения экзотермический. При раствор уксусной кислоты теплота поглощается, т. к. между молекулами сущ-ет водородная связь. При раствор тв вещ-в с прочной кристал структурой разрушение решетки требует значительной затраты энергии и процесс эндотермический (NaNO3, NH4NO3), но теплота выделяется при растворении (NaOH, KOH).

23. Растворимость газов жидкостей, кристаллов в жидкостях Влияние температуры давления природы компонентов на растворимость

Растворимость - способность вещ-ва растворяться в том или ином растворителе. Растворимость - процесс обратимый. В зависимости от условий происходит процесс растворения или веделения из раствора раствор вещ-ва (кристаллизация). Растворение кристалла в жидкости. Когда вносят кристалл в жидкость от его поверх-ти отрыв-ся отдел молекулы, кот благодаря диффузии распред по всему объему растворителя. Отделение молекул от поверхности тв тела выз-ся их собствен колебат движением и притяжением со стороны молекул раств-ля. Но одновременно происходит и обратный процесс - кристаллизация. Наступает такой момент, когда скорость растворения равна скорости кристаллизации. Тогда устанав-ся динамич равновесие. Мера растворимости тв вещ-ва в жидкости - это концентрация насыщ раствора при данной темп-ре. Насыщ р-р находится в равновесии с твердой фазой раствор вещ-ва и содержит максим возможное при данных условиях кол-во этого вещ-ва. Неначыщенный раствор содержит меньше раств вещ-ва чем насыщ. Перенасыщ раствор содержит больше раств вещ-ва, чем насыщ раствор. Получают медленным охлаждением насыщ раствора при более высокой температуре. Неустойчивы и при встряхивании идет кристаллизация и ведеение из раствора избытка раств вещ-ва. Раствор большинства твердых тел сопров поглощением теплоты. При раствор тв тел в жидкостях объем системы обычно изменяется незначительно Жидкости также могут растворяться в жидкостях Некоторые из них неограниченно растворимы одна в другой, те смешиваются друг с другом в любых пропорциях Растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс Однако растворение газов в органических жидкостях нередко сопровождается поглощением теплоты. Растворимость зависит от природы компонентов, температуры и давления. 1)природа - наиб раст-ть достигается, когда раств вещ-во имеет с раствор-ем подобное строение молекулю хорошо растворимы в воде спирт, NaOH, KOH, NH3, малорастворимы гипс, N2, O2. 2)температура - с повышением температуры чаще всего раств-ть тв и жидких вещ-в увеличивается (если процесс эндотермический), газообразных уменьшается, т. к. экзотермич. Раств-ть тв вещ-в с повышением тем-ры мен-ся различно. 3) давление - с ростом давления раст-ть газов в жидкостях увелич-ся, т. к. уменш объем. Закон Генри - при пост давлении раст-ть газа пропорц давлению над раствором. S=kp. Изменение давления не влияет на раств-ть жидкостей, тв вещ-в, т. к. при раств-ти не происходит заметного изменения объема.

24. Способы выражения концентрации растворов

Состав раствора может выражаться разными способами - как с помощью безразмерных единиц (долей или процентов), так и через размерные величины - концентрации. 1)массовая доля - отношение массы растворенного вещ-ва к массее раствора; процентная концентрация - показывает число гр раств вещ-ва в 100 гр раствора. 2)молярная доля - отношение кол-ва раствор вещ-ва (или растворителя) к сумме количеств всех вещ-в, составляющих раствор. 3)молярная концентрация или молярность - отношение кол-ва раствор вещ-ва к объему раствора (См или М, моль/л), показывает число молей раствор вещ-ва в единице раствора. 4)моляльная концентрация или моляльность - отношение кол-ва раствор вещ-ва к массе растворителя (m, моль/кг), не измен при изменении температуры. 5)эквивалентная или нормальная концентрация - отношение числа эквивалентов раствор вещ-ва к объему раствора (Сн или н моль/л). объемы растворов реаг вещ-в обратно пропорциональны их нормальностям.