Элементы органической химии. Органические полимерные материалы.

Строение, классификация и свойства органических соединений. Углеводороды и их производные. Кремний-органические соединения. Состав и свойства органического топлива. Термохимия топлива. Твердое топливо и его переработка. Жидкое и газообразное топливо. Понятие о физико-химических процессах горения топлива. Химия смазочно-охлаждающих средств, применяемых при обработке металлов и сплавов. Физико-химические свойства и механизм воздействия рабочих сред гидравлических систем. Химия полимеров. Методы получения полимеров. Зависимость свойств полимеров от состава и структуры. Химия полимерных конструкционных материалов. Химия композиционных материалов. Полимерные покрытия и клеи. Химия полимерных диэлектриков. Химия полимерных проводников.

Химия и охрана окружающей среды.

Технический прогресс и экологические проблемы. Продукты горения топлива – загрязнители окружающей среды. Проблема парникового эффекта и кислотных дождей. Альтернативные источники энергии. Принципы создания малоотходных технологий. Загрязнители водного бассейна. Проблемы и методы очистки сточных вод. Создание замкнутых водооборотных систем. Твердые отходы, проблемы и методы их утилизации.

I. Контрольные задания

Каждый студент в течение межсессионного периода (семестра) выполняет две письменные контрольные работы. Вариант заданий по этим контрольным работам соответствует двум последним цифрам студенческого билета. Например, если номер студенческого билета 73842, то ему соответствует вариант № 42. Варианты для первой и второй контрольных работ и соответствующие им задания представлены в конце данного пособия.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Количество вещества (n) – это физическая величина, которая характеризует число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, протонов, эквивалентов и др.) в определенной порции вещества.

Единица измерения количества вещества – моль.

Моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов, эквивалентов и др.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода ¹²С, то есть 6,02·10²³.

Это число (6,02·10²³) называется числом Авогадро. Измеряется в моль^-1.

Необходимо указывать, к каким структурным единицам относится понятие моль, например, «моль молекул водорода», «моль атомов водорода», «моль ионов водорода», «моль эквивалентов» и др.

Молярная масса – масса 1 моль вещества. Единица измерения г/моль.

Например, М(Н₂О) = 18 г/моль, М(NaOH) = 40 г/моль, М(HNO₃) = 63 г/моль.

Эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать один ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или один электрон в окислительно-восстановительных реакциях.

Молярная масса эквивалентов – физическая величина, измеряемая произведением молярной массы вещества на фактор эквивалентности.

Молярная масса эквивалентов – масса 1 моль эквивалентов, т.е. 6,02·10²³ эквивалентов. Обозначение М(f_экв.Х), М( Х), М_э(Х). Единица измерения г/моль.

Фактор эквивалентности – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Молярная масса – это абсолютная константа индивидуального вещества, молярная масса эквивалентов – константа вещества в конкретной реакции.

Фактор эквивалентности рассчитывается на основе стехиометрии данной реакции из равенства f_экв.(Х) = , где z -

· в кислотно-основной реакции - основность кислоты или кислотность основания; определяется числом ионов водорода или гидроксид-ионов, участвующих в данной конкретной реакции;

· в окислительно-восстановительной реакции – число электронов, которые отдает или присоединяет частица в данной окислительно-восстановительной реакции.

Ниже приведены формулы для вычисления молярных масс эквивалентов сложных веществ:

Современные рекомендуемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета	Ранее используемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета
М( оксида)= ·М(оксида) М( Al2O3)= ·102= 17(г/моль)
М( кислоты)= ·М(кислоты) М( H2SeO4)= ·145=72,5(г/моль)
М( основания)= ·М(основания) М( Ca(OH)2)= ·74=37(г/моль)
М( соли)= ·М(соли) М( Fe2(SO4)3)= ·400=66,67(г/моль)

Молярная масса эквивалентов одного и того же вещества зависит от течения реакции:

H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

В первом случае молярная масса эквивалентов H₂SO₄ равна ее молярной массе, во втором – половине молярной массы, так как в первом случае в реакции принимает участие один ион водорода (основность равна 1, f_экв= ), а во втором – два иона водорода (основность равна 2, f_экв= ).

М( H₂SO₄)=1 М(H₂SO₄)=98 (г/моль) или

М( H₂SO₄)= М(H₂SO₄)=49( г/моль) или

Для определения фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции необходимо написать уравнение реакции и электронный баланс реакции.

Например, для реакции взаимодействия натрия и серы запишем уравнение реакции и электронный баланс:

Каждый атом натрия отдает один электрон, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

f_экв(Na) = 1/1, f_экв(S) = 1/2.

Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

М_экв(Na) = f_экв(Na) · M(Na);

A_r (Na) = 23, M(Na) = 23 г/моль, М_экв(Na) = (1/1)·23 = 23 (г/моль);

М_экв(S) = f_экв(S) · M(S);

A_r (S) = 32, M (S) = 32 г/моль, М_экв(S) = (1/2)·32 = 16 (г/моль).

Закон эквивалентов.

Закон эквивалентов дает количественное соотношение между массами вступающих во взаимодействие реагентов или связанных в химических соединениях элементов.

=

Из последнего соотношения следует:

= ,

т.е. число моль эквивалентов вступающих в реакцию или образующихся в результате реакции веществ равны между собой:

n_{э 1 =} n_{э 2}

Количественным выражением закона эквивалентов для реакций, протекающих в растворах, является соотношение:

,

где с_н – нормальная концентрация вещества (молярная концентрация эквивалента).

Раствор, содержащий в одном литре один моль эквивалентов растворенного вещества, называется однонормальным (1,0 н.), 0,1 моль эквивалентов - децинормальным (0,1 н.), 0,01 моль эквивалентов – сантинормальным (0,01 н.)

Примеры решения типовых задач.

Пример 1. Расчет количества вещества по числу структурных единиц.

Задача 1. Какое количество вещества гидроксида меди (II) содержит 1,505·10²³ атомов водорода?

Решение. Количество вещества гидроксид-ионов в гидроксиде меди (II), выраженное в моль, составляет:

(ОН^-) =

В соответствие с формулой гидроксида меди (II) – Сu(OH)₂ , в одной молекуле этого соединения содержится два гидроксид-иона. Это означает, что

(Cu(OH)₂) = .

Пример 2.Расчет молярной массы эквивалента элемента по составу химического соединения на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Оксид металла содержит 28,57% кислорода. Определите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов массы связанных между собой в химическом соединении металла m(Me)и кислорода m(O) пропорциональны молярным массам их эквивалентов

= (1)

Полагая массу оксида равной 100 г, имеем m(O)=28,57 г и m(Me)=71,43г. Поскольку молярная масса эквивалента кислорода М_э(О)=8г/моль, из выражения 1 находим молярную массу эквивалента металла:

М_э(Ме)=

Пример 3.Расчет молярной массы эквивалента вещества по массе и объему участвующих в реакции веществ на основе закона эквивалентов.

Задача 1. 2,14 г металла вытесняют из кислоты 2 л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. Согласно закону эквивалентов количество вещества эквивалентов металла равно количеству вещества эквивалентов водорода

(2)

_э.(Me) _{= ; э.}(H₂) _{= ,} где (3)

(H₂) – эквивалентный объем водорода, равный

;

V_m – молярный объем газа при н.у., равный 22,4 л/моль.

Тогда в соответствии с выражениями (2) и (3)

_, откуда

.

Пример 4.Расчет молярной массы эквивалента элемента по соотношению масс реагента и продукта реакции на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,6 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов соотношение масс нитрата и гидроксида металла равно

= (4)

Молярные массы эквивалентов нитрата и гидроксида металла равны

M_э1 = M_э(Me) + M_э(NO₃^-) = M_э(Me) + 62

M_э2 = M_э(Me) + M_э(OH^-)= M_э(Me)+17

Подставляя эти выражения в уравнение (4) имеем

= или = .

Решая последнее уравнение относительно M_э(Me), имеем

M_э(Me)=15г/моль.

Пример 5.Определение молекулярной массы газообразного вещества на основе его плотности.

Задача 1. Масса 1 л газа при н.у. равна 1,175 г. Вычислите молекулярную массу газа и массу одной молекулы газа.

Решение. Поскольку один моль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, его молярная масса равна

М(газа) = 1,175·22,4 = 26,32 (г/моль).

Поскольку в 1 моль любого вещества содержится 6,02·10²³ молекул, масса одной молекулы определяется по формуле

m=

Пример 6.Определение фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции.

Задача 1. При взаимодействии алюминия и серы образуется сульфид алюминия. Вычислите факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов алюминия и серы.

Решение. Фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Реакция взаимодействия алюминия и серы протекает согласно уравнению:

Каждый атом алюминия отдает три электрона, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

f_экв(Al) = 1/3, f_экв(S) = 1/2.

Молярная масса эквивалента вещества – это масса вещества, эквивалентная 1 моль ионов водорода в кислотно-основной реакции или 1 моль электронов в окислительно-восстановительной реакции. Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

М _экв(Al) = f_экв(Al) · M(Al);

A_r (Al) = 27; M(Al) = 27 г/моль; М_экв (Al) = 1/3·27 = 9 г/моль;

М_экв(S) = f_экв(S) · M(S);

A_r (S) = 32; M(S) = 32 г/моль; М_экв(S) = 1/2·32 = 16 г/моль.