Тема 1. основые классы неорганических соединений
ХИМИЯ (ХИМИЯ ОБЩАЯ)
Методические указания и задания для выполнения контрольной работы бакалаврами факультета энергетики и электрификации очной и заочной формы обучения
Составители:
Г.Н.Аристова
В.В.Сентемов
Ижевск
ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА
УДК
ББК
Т
Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки: 1) 110800- «Агроинженерия» (бакалавриат), 2)140100-«Теплоэнергетика и теплотехника» (бакалавриат)
Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ФГОУ ВО Ижевская ГСХА, протокол №___ от « __» _______2014 г.
Рецензенты:
В.А. Руденок – к. х. н., доцент кафедры химии ФБОУ ВО Ижевская ГСХА,
Л.А. Пантелеева – к. т. н., доцент кафедры электротехники, электрооборудования и электроснабжения ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА.
Составители
Г.Н. Аристова – ст. преподаватель кафедры химии ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА,
В.В.Сентемов- профессор кафедры химии ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА
Т Химия (Общая):метод. пособие /Сост. Г.Н. Аристова, В. В.Сентемов. – Ижевск: ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА, 2014.– с.
В методических указаниях приводятся опорные конспекты, алгоритмы и примеры решения задач, справочные материалы, задания для выполнения контрольной работы студентами очной и заочной формы обучения по направлению подготовки (бакалавриат) 110800- «Агроинженерия» и 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника».
Содержание:
Введение...................................................................................................................4
Раздел I. Опорные конспекты …………………………………………………....8
Тема № 1. Классы неорганических соединений………………………….………..4
Тема № 2. Строение атома…………………………………………………….…...11
Тема № 3. Ковалентная связь……………………………………………………...14
Тема № 4. Энергетика химических реакций……………………………………...17
Тема № 5. Кинетика химических реакций………………………………………..22
Тема № 6. Способы выражения концентраций растворов..……………………..25
Тема № 7. Растворы неэлектролитов……………………………………………...29
Тема № 8. Растворы электролитов………………………………………………...31
Тема № 9. Гидролиз солей…………………………………………………….…...33
Тема № 10. Окислительно-восстановительные реакции………………………...36
Тема № 11. Электрохимия. Гальванические элементы………………………….40
Тема № 12. Электролиз…………………………………………………………….42
Тема № 13. Электрохимия. Коррозия металлов………………………………….46
Раздел II. Задания для самостоятельной работы …………………………...........54
Приложения…………………………………………………………………………49
Список литературы…………………………………………………………………55
ВВЕДЕНИЕ
Бакалаврам факультета энергетики и электрификации, будущая деятельность которых тесно связана с применением химии в профессии, необходимы качественные знания основ общей химии.
Данные методические указания подготовлены в соответствии ФГОС ВПО по направлениям подготовки 110800 – «Агроинженерия» (бакалавриат) и 140100 – «Теплоэнергетика и теплотехника» (бакалавриат).
Дисциплины «Химия» и «Химия (общая)» включены в базовую часть математического и естественнонаучного цикла дисциплин и должны формировать следующие компетенции:
ОК-1 - владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения;
ОК-2 - умение логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь;
ОК-3 – готовность к кооперации с коллегами, работе с коллективом;
ОК-11 (для 110800) - владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, навыками работы с компьютером как средством управления информацией;
ОК-12 (для 140100) -способностью и готовностью к практическому анализу логики различного рода рассуждений, к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики;
ПК-1– способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования;
ПК-3 (для 140100) – готовностью выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способностью привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат;
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: фундаментальные разделы общей химии, в т.ч. химические системы, химическую термодинамику и кинетику, реакционную способность веществ, химическую идентификацию, процессы коррозии и методы борьбы с ними; классификацию неорганических веществ, строение простых и сложных веществ; свойства химических элементов (металлов); выпускник должен обладать готовностью к кооперации с коллегами, работе с коллективом, методы, анализа веществ.
Уметь: использовать знания в области химии для освоения теоретических основ и практики при решении инженерных задач в области АПК; определять возможности и пути самопроизвольного протекания химических процессов, выбрать наиболее оптимальные; прогнозировать свойства элементов и их важнейших соединений по положению элементов в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, сравнивать полученные данные и идентифицировать их с применяемыми методами.
Владеть: базовыми знаниями и умениями для изучения последующих дисциплин; формулированием правильных выводов и оцениванием возможности использования химических материалов в производственной деятельности, выполнение основных химических лабораторных операций.
Методические указания соответствуют примерной программе по химии и включают наиболее важные 13 тем, и составлены в 25 вариантах.
Подготовка данных методических указаний вызвана необходимостью обеспечения студентов учебно-методической литературой, соответствующей требованиям ФГОС ВО.
Цель пособия состоит в оказании помощи студентам в освоении теоретического и практического материала, предусмотренного рабочей программой.
Материал методических указаний разделен на 2 части (раздела).
Первый раздел «Опорные конспекты» включает 11 тем, в которых кратко в виде тезисов рассматриваются основные теоретические вопросы общей и неорганической химии. Эти знания необходимы для изучения свойств неорганических соединений, методов качественного и количественного анализа. Химия элементов в данном разделе не рассматривается в связи с большим объемом материала, но приводятся задания по химии металлов и сплавов. По каждой теме приводится разбор типовой задачи и алгоритмами ее выполнения.
Второй раздел «Задания для самостоятельной работы» включает 14 заданий. К каждому заданию прилагаются 25 вариантов задач.
Для решения задач требуются справочные данные, которые приводятся в приложении.
В методических указаниях указаны экзаменационные вопросы.
Основными задачами данного пособия являются:
1) методическая помощь студентам в освоении основных тем дисциплины;
2) оказание помощи для самостоятельной работы студента.
Самостоятельной работе студентов в вузе отводится половина учебного времени, изучаемой дисциплины.
При выполнении контрольных работ согласно своего варианта рекомендуется для лучшего усвоения и закрепления теоретического материала темы изучить сначала раздел «Опорные конспекты», чтобы понять сущность вопроса, теоретическое положение (его математическое выражение), уравнения реакций. Затем разобраться в решении типовой задачи и приступить к решению своей задачи.
РАЗДЕЛ I. ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ
Оксиды
Оксиды – это соединения, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления –2.
Названия состоят из: ● слова оксид;
● названия элемента с указанием степени окисления (если она переменная).
Классификация оксидов.
Гидроксиды – вода + оксид
Основные оксиды – это оксиды металлов в низших степенях окисления (+1,+2), которым соответствуют основания, и которые взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами, а некоторые – с водой.
Na2O → NaOH
CaO → Ca(OH)2
BaO → Ba(OH)2
K2O → KOH
Химические свойства основных оксидов:
1) CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O
2) СaO + CO2 → CaCO3
3) CaO + H2O → Ca(OH)2
Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов, а также оксиды металлов в высших степенях окисления (+5, +6, +7), которым соответствуют кислоты, и которые взаимодействуют с основаниями, основными оксидами и с водой.
СO2 → H2CO3 SO3 → H2SО4
SiO2 → H2SiO3 SO2 → H2SO3
N2O5 → HNO3 Cl2O7 → HClO4
N2O3 → HNO2 CrO3 → H2CrO4
P2O5 → H3PO4 FeO3 → H2FeO4
P2O3 → H3PO3 Mn2O7 → HMnO4
Химические свойства кислотных оксидов:
1) SO3 + 2 NaOH → Na2SO4 + H2O
2) SO3 + CaO → CaSO4
3) SO3 + H2O → H2SO4
Амфотерные оксиды – это оксиды металлов в промежуточных степенях окисления (чаще всего +3,+4), которым соответствуют и основания и кислоты, поэтому они взаимодействуют как с кислотами, так и с основаниями.
Например: ZnO, BeO, Al2O3, Cr2O3.
Zn(OH)2 – основание Al(OH)3 – основание
ZnO Al2O3
H2ZnO2 – кислота кислоты:
H3AlO3 – ортоалюминиевая
HAlO2 – метаалюминиевая
Химические свойства амфотерных оксидов:
1) ZnO +2 HCl → ZnCl2 + H2O
2) ZnO + 2 NaOH t Na2ZnO2 + H2O
цинкат натрия
3) ZnO + 2 NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]
тетрагидроксоцинкат натрия
4) Al2O3 + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2O
5) Al2O3 + 6 NaOH t 2 Na3AlO3 + 3 H2O
ортоалюминат натрия
6) Al2O3 + 2 NaOH t 2 NaAlO2 + H2O
метаалюминат натрия
7) Al2O3 + 6 NaOH + 3 H2O → 2 Na3[Al(OH)6]
гексагидроксоалюминат натрия
8) Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 Na[Al(OH)4]
тетрагидроксоалюминат натрия
Кислоты
Кислоты: ● соединения, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотных остатков.
● электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют на катионы водорода (Н+) и анионы кислотных остатков.
Классификация кислот
|
1. По числу атомов водорода (основности):
HCl H2CO3 H3PO4
2. По наличию атомов кислорода:
|
|
HBr H2SO4
3. По степени растворимости в воде:
HNO3 H2SiO3
4. По степени диссоциации (α):
Необходимо запомнить 6 сильных кислот и 17 слабых, а также названия их анионов.
Сильные кислоты
Формула кислоты | Название кислоты | Название солей |
H2SO4 | Серная | Сульфаты |
HNO3 | Азотная | Нитраты |
HCl | Соляная (хлороводородная) | Хлориды |
HBr | Бромоводородная | Бромиды |
HI | Йодоводородная | Йодиды |
HClO4 | Хлорная | Перхлораты |
Слабые кислоты | ||
H2SO3 | Сернистая | Сульфиты |
HNO2 | Азотистая | Нитриты |
HF (H2F2) | Димер плавиковой кислоты, Фтороводородная | Фториды |
H2S | Сероводородная | Сульфиды |
H2CO3 | Угольная | Карбонаты |
H2SiO3 | Метакремниевая | Метасиликаты |
H4SiO4 | Ортокремниевая | Ортосиликаты |
H3PO4 | Ортофосфорная | ортофосфаты |
HPO3 | Метафосфорная | Метафосфаты |
HPO2 | Метафосфористая | Метафосфиты |
H3PO3 | Ортофосфористая | Ортофосфиты |
HCN | Синильная | Цианиды |
HMnO4 | Марганцовая | Перманганаты |
H2CrO4 | Хромовая | Хроматы |
H2Cr2O7 | Двухромовая | Дихроматы |
CH3COOH | Уксусная | Ацетаты |
HCOOH | Муравьиная | Формиаты |
Химические свойства кислот:
1) с основаниями – H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O;
2) с основными оксидами – H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O;
3) с металлами (до Н) HCl и разб. H2SO4 – 2 HCl + Zn → ZnCl2 + H2;
4) с солями слабых и летучих кислот – 2 HCl+Na2CO3 → 2 NaCl+H2O+CO2
3. Основания
Основания: ● соединения, состоящие из атомов металлов и одной или нескольких гидроксильных групп (ОН−1).
● электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют на анионы гидроксильных групп (ОН−1) и катионы металлов.
Классификация оснований
1. По числу гидроксильных групп (ОН−1):
|
|
KOH Ba(OH)2 Fe(OH)3
2. По степени растворимости в воде:
NaOH Ca(OH)2
3. По степени диссоциации (α):
Необходимо запомнить сильные основания – это основания, образованные щелочными или щелочноземельными металлами (кроме Mg и Be).
Сильные основания | Слабые основания | ||
Формула | Название | Формула | Название |
LiOH | Гидроксид лития | NH4OH или NH3 ∙ H2O | гидроксид аммония |
NaOH | Гидроксид натрия | Fe(OH)3 | гидроксид железа (III) |
KOH | Гидроксид калия | все остальные | |
RbOH | Гидроксид рубидия | ||
CsOH | Гидроксид цезия | ||
FrOH | Гидроксид франция | ||
Ca(OH)2 | Гидроксид кальция | ||
Sr(OH)2 | Гидроксид стронция | ||
Ba(OH)2 | Гидроксид бария |
Химические свойства Ме+n(OH)n-1:
1) с кислотами – 2 KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2 H2O;
2) с кислотными оксидами – 2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O;
3) с солями – 2 KOH + CuSO4 → Cu(OH)2↓ + K2SO4;
4) нерастворимые основания разлагаются при нагревании –
Cu(OH)2 t CuO + H2O;
5) амфотерные гидроксиды взаимодействуют как с кислотами, так и с основаниями – Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + 3 H2O;
Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4].
4. Соли
Cредние соли: ● соединения, состоящие из атомов металла и кислотных
остатков.
● электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют на катионы металла и анионы кислотных остатков.
Al2(SO4)3 NaHCO3 MgOHCl
сульфат алюминия гидрокарбонат натрия гидроксохлорид магния
|
|
KAl(SO4)2 Ca(OCl)Cl K3[Fe(CN)6]
cульфат алюминия хлорид-гипохлорит гексацианоферрат (III)
калия кальция калия
Химические свойства средних солей:
1) с металлами (см. ряд напряжений) – CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu;
2) с кислотами – Na2CO3 + 2 HCl → 2 NaCl + CO2 + H2O
3) с солями – AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3.
Ионные уравнения реакций
! При составлении ионных уравнений реакций, помни:
1. Сильные электролиты (6 сильных кислот, 9 сильных оснований и все растворимые соли) расписываем на ионы.
2. Слабые электролиты, труднорастворимые и газообразные вещества записываются в виде молекул.
ТЕМА 2. СТРОЕНИЕ АТОМА
Современное состояние:
1924 г. Луи де Броиль – двойственная природа электрона (корпускулярно-волновой дуализм).
электрон – частица (m, υ, q)
электрон – волна (дифракция)
1927 г. В. Гейзенберг – принцип неопределенности (положение (е) вокруг ядра определить невозможно) при вращении (е) образуется атомная орбиталь (А:О) (электронное облако) – область пространства вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона более 95 %.
Квантовые числа характеризуют поведение электрона в атоме.
Таблица 1
Max (е) на Э.У. | Главное кв. Число n =1,2,3,4,5,6,7,... ∞ (Э.У.) – запас энергии | Орбитальное кв. Число l = 0 до (n-1) ; форма орбитали, подуровень | Магнитное кв. Число m = - l, 0 + l положение орбитали в магнитных осях атома, число А.О. | Спиновое кв.ч. s = + ½ вращение А.О. вокруг своей оси | |||||||||||||||||||||||||
2n2 | n =1 (2e) 1s2 n = 2 (8 e ) 2s22p6 n = 3 (18 e ) 3s23p63d10 n = 4 (32 e ) 4s24p64d104f14 | l = O (S) ∙ l = O (S) l = 1 (P) l = O (S) l = 1 (P) l = 2 (d) l = O (S) l = 1 (P) l = 2 (d) l = 3 (f) более сл.форма | m = 0 (1 А.О.) S ٱ m = -1, 0, +1 (3 А.О.) p m = -2, -1, 0, +1, +2 d m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 f | ↑ (+1/2) ↓ (-1/2) | |||||||||||||||||||||||||
Выводы: Электроны в атоме закреплены за Э.У., которые в зависимости от формы А.О. расщепляются на подуровни, состоящие из А.О. |
Таблица 2
1. Принцип минимальной энергии: Электроны в атоме заполняют тот подуровень, где меньше запас энергии. |
2. Правило Клечковского: Увеличение энергии и заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n+l), а при равной сумме в порядке уменьшения числа nи увеличения числа l. Реальная электронная схема: 1s2<2s2<2p6<3s2<3p6<4s2<3d10<4p6<5s2<4d10<5p6<4s2<5d1<4f14<5d9<6p6<7s2<6d1<5f14<6d9<7p6 Исключение составляют элементы, у которых наблюдается провал электронов (медь, серебро, золото, хром, молибден, ниобий, рутений, родий, палладий, платина) |
Продолжение таблицы 2
3. Принцип Паули: В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Следствие: В любой атомной орбитали может быть только два электрона с противоположными спинами ↑↓ ! |
4. Правило Гунда: Электроны в пределах подуровня занимают максимальное число атомных орбиталей, но так чтобы их суммарный спин был максимальный. P3 ↑ ↑ ↑ 1/2 1/2 1/2 Σ=1,5 |
5. Все химические элементы делят на семейства: s, p, d, f, в зависимости, какой подуровень заполняется в атоме последним. |
6. Валентные электроны – это электроны участвующие в образовании химических связей. Валентные электроны расположены: у s – элементов в s орбиталях последнего Э.У. – ns у p – элементов в s и p орбиталях последнего Э.У. np ns у d – элементов в d орбиталях предпоследнего и s последнего Э.У. ns (n-1)d |
7. Возбуждение атома возможно при условиях: а) наличие в атоме спаренных электронов, б) наличие свободных А.О., в) при возбуждении электроны распариваются – переходят с одного подуровня на другой только в пределах последнего Э.У. |
8. Химические элементы делятся: Металлы Неметаллы 80 % 20 % s,p,d,f s,p 1.R ат. > 1. R ат. 1. R ат. < 2. Мало (е)-1,2,3 2. Число (е) на 2. Много (е)-4,5,6,7 посл. Э.У. 3. К отдаче (е) 3. Выражена 3. К принятию (е) тенденция Ме0-n(e)→Ме+n неМе0+n(e)→неМе-n вос-ль окисление ок-ль восстановление |
Продолжение таблицы 2
9. Степень окисления – условный заряд атома, вычисленный из предположения, что атом отдает либо принимает электроны. Ме проявляют только положительные степени окисления (С.О.). Высшая (С.О.) равна № группы. Исключения: IВ-(Cu,Ag,Au), VIIIB-(Fe,Co,Ni). |
10. НеМе проявляют, как отрицательные (низшие (С.О.))=№ группы – 8, так и положительные (С.О.)=№ группы. Исключения: VIA(O), VIIA(F). |
11. Генетическая связь между классами неорганических веществ I. Ме→Ме(+1,+2)+nО-2→Ме+n(ОН)-1n Металл основной оксид основание II. неМе→не МеО-2(Ме+5,+6,+7О-2)→HR Неметалл кислотный оксид кислота |
РЕШЕНИЕ ТИПОВОЙ ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ: «СТРОЕНИЕ АТОМА»
Проанализируйте с точки зрения строения атома элемент с порядковым № 12.
Алгоритм.
а) найдем положение химического элемента в П.С. Д.И. Менделеева и составим электронную формулу, воспользовавшись реальной электронной схемой. см. табл.2 (п.2) и сделаем вывод: указав семейство и тип элемента. (см. п.5 и п.8)
б) Графически изобразим валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях (см. п.6 и п.7)
в) Укажем окислительно-восстановительные свойства атома, помня, что это металл (см. п.8)
|
г) Исходя из числа неспаренных электронов в нормальном и возбужденном состояниях, укажем устойчивые С.О. (см. п.9 или п.10)
|
д) Приведем примеры соединений в устойчивых степенях окисления (простое вещество, оксиды и гидроксиды см. п.11)
|
е) Укажем характер оксидов и гидроксидов (см.п.11)
|
ТЕМА 5. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
(СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ)
Таблица 4
Под скоростью химической реакции (Jх.р.) понимают изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
|
|
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
Гомогенные Гетерогенные
в одной фазе в разных фазах
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА Jх.р.:
1.Концентрация (давление),С (р) –
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
НеобратимыеОбратимые
до конца (до завершения) ®в двух взаимнопро-
(®), если образуется: тивоположных нап-
а) осадок; равлениях ( )
б) газ;
в) слабый электролит.
Химическое равновесие – такое состояние системы, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции (J1 = J2), а концентрации всех веществ в системе становятся постоянными.
|
(1)
J J1 пр.
J1 = J2
J2 обр
. t
Константа равновесия (К.р.)
Гомогенная реакция Гетерогенная реакция
2 NO(Г) +O2(Г) « 2NO2(Г) Ca CO3(ТВ) « CaO(ТВ) + CO2(Г)
1. J1 = J2 (ЗДМ) 1. J1 = J2 (ЗДМ)
2. J1 = [NO]2 *[O2]*k1 2. J1 = k1
3. J2 = [NO2]2 *k2 3. J2 = [СO2] *k2
4. [NO]2 *[O2] *k1 = [NO2]2 *k2 4. k1 = [СO2] *k2
5. т.к. k1 и k2 – const, то 5. т.к. k1 и k2 – const, то
6. k1[NO2]2 6. k1[СO2]
k2 [NO]2 *[O2] k2 1
k1k1
k2 Р k2 р
7. [NO2]2 7. КР = [CO2]
Р [NO]2 *[O2]
[C]q *[D]p для химической реакции (1)
Р [A]n *[B]
Смещение химического равновесия.
Таблица 6
Принцип Ле Шателье: если изменить одно из условий (С,р,Т), при которых система находилась в состоянии равновесия, то, равновесие смещается в сторону той реакции, которая противодействует произведённому изменению.
1. Влияние концентрации:
3 H2 + N2 « 2 NH3 3 H2 + N2 « 2 NH3
[H2] [H2]¯
[N2] [N2] ¯
[NH3] [NH3] ¯
2. Влияние давления:
3 H2 + N2 « 2 NH3
3 +1 = 4 моль 2 моль
р р¯
р
р¯
3. Влияние температуры:
3 H2 + N2 « 2 NH3 (- D Н х.р.) Þ экзотермическая реакция
t°¯ t°
t°
t°¯
C исходная = С равновесная + С израсходованная к моменту равновесия
С равновесная = С исходная – С израсходованная к моменту равновесия
РЕШЕНИЕ ТИПОВОЙ ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ:
«ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА»
Задача № 1.
Равновесие гомогенной системы: 2 NO + O2 « 2 NO2, - установилось при следующих концентрациях веществ:
[NO]p. = 0,8 моль/л., [O2]p.= 0,6 моль/л, [NO2]p. = 0,4 моль/л Вычислите исходные концентрации NO и O2.
Дано: 2 NO + O2 « 2 NO2
[NO]p. = 0,8 моль/л, Решение:
[O2]p.= 0,6 моль/л, 1. Cисх. = С равн. + С израсх к моменту равновесия
[NO2]p. = 0,4 моль/л 2. Определим сколько моль NO и О2<