Предмет химии в ее связь с другими науками. Основные разделы химии, предмет их изучения. Значение химии в различных отраслях хозяйства.

Химия – наука о веществах и их превращениях, сопровождающихся изменением их хим. и физ. св-в. Такие превращения назыв. хим. реакциями. Хим. реакции следует отличать от физ. процессов и ядерных реакций.

При протекании хим. реакций всегда образовываются новые в-ва со св-вами, отличающимися от св-в исходных в-в, но никогда не образуются атомы новых элементов. Физ. процессы при их протекании вещ-ва сохраняют неизменными свои хим. св-ва, но могут изменять форму и агрегатное состояние. При ядерных реакциях происходит изменение в атомных ядрах и могут образовывать атомы новых элементов.

Исторически в химии принято выделять 4 части: неорган., орган., физ., аналит. химии. орган. химия изучает соединение углерода, неорганическая - соединение всех остальных элементов, а также простые соединения углерода, физ. химия – проблемы протекания хим. реакций, связанную с реакц. энергию, возможность протекания и направление реакций, а также св-ва в-в в различных агрегатных состояниях.

Аналитическая химия развивает точные методы анализа хим. состава веществ. Различают качественный и количественный анализ. Качественный анализ отвечает на вопрос, из чего сост. Вещество, количественный анализ – в каких соотношениях компоненты входят в состав вещ-ва.

Основные направления:

-учение о строении вещ-ва;

-учение о возможности протекания реакции и их направление.;

- учение о скорости хим. реакции;

- учение о периодическом изменении свойств элементов и их моединений.

В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа дает нам лишь исходное сырье — дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, для изготовления промышленных изделий и для домашнего обихода — удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду и т. д. Для химической переработки природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ, а эти знания дает химия.

Основные понятия и законы химии. Закон эквивалентов. Понятие об атомной и молекулярной массе. Закон Авогадро. Уравнение состояния газов.

В изолированной системе сумма масс и энергий постоянна

E=m*C^2

Применительно к химии закон выражается:

Мааса веществ, участвующих в хим реакциях постоянна.

Лавуазье в 1789 подтвердил этот закон.

Закон постоянства состава. Впервые сформулировал Пруст в 1801.

!!!Всякое химически индивидуальное веш-во имеет 1 и тот же количественный состав независимо от способа его получения.

1)Zn+ 1/2O2=ZnO

2)ZnCO3= ZnO+CO2

3)Zn(OH)2=ZnO+H2O

Закон эквивалентов.

!!! Вещ-ва взаимодействуют между собой в строго определённых массовых соотношениях или эквивалентов.

Эквивалент –реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основных реакциях эквивалентна одному иону водорода, а в окислительно-восстановительных – одному электрону.

Эквивалентная масса – масса эквивалента, выраженная в граммах.

mэ=A/B, где А – атомная масса элемента, В – валентность.

Пример: mэ(Al)=27/3=9 г/моль

Эквивалентная масса в соединениях

mэ(кислоты)=М(кислоты)/nH^+

mэ(основания)=М(основания)/nOH^-

mэ(cоли)= M(соли)/nMe*Вме

mэ(оксида)=M(оксида)/nэ*Вэ

m1/mэ1=m2/mэ2

Эквивалентный объем - объём одного эквивалента газа при нормальных условиях.

Vэ=Vm/n(атома)*В(атома)

m1/mэ1=V2/Vэ2

Закон кратных отношений

!!!если 2 элемента образуют друг с другом хим соединение , то масса одного элемента, приходящейся в этих соединениях на одну и ту же массу другого элемена, относятся между собой как простые целые числа.

Относительная атомная масса – показывает, во сколько раз масса данного атома превышает 1/12 часть массы лёгкого изотопа углерода 12 С.

Относительная молекулярная масса-показывает во сколько раз масса одной молекулы превышает 1/12 часть массы лёгкого изотома атома углерода 12 С.

Закон Авогадро:Установлен 1811

!!! В равных объёмах любых газов при одинаковых физ условиях содержится одинаковое число частиц (атомов, молекул, ионов). Авогадро доказал, что в молях любых веществ содержится одинаковое количество частиц NA=6,02*

Моль- единица количества вещ-ва, содержащая столько условных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах лёгкого изотома атома углерода 12 С.

Условная частица – это любая реальная частица или часть этой частицы.

Уравнение состояния газа или уравнение Менделеева-Клапейрона:

pV=nRT;

R=8,314 Дж/моль*К;

n=m/M моль

Валентность элемента – способность его атомов соединяться с другими атомами в определённых соотношениях.

Межмолекулярное взаимодействие. Ван-дер-Ваальсовы силы. Типы межмолекулярного взаимодействия (ориентационное, индукционное и дисперсионное). Влияние сил межмолекулярного взаимодействия на свойства веществ.

Силы, удерживающие частицы жидкости или твердого тела друг около друга,

имеют электрическую природу. Но в зависимости от того, что представляют собой частицы —являются ли они атомами металлического или неметаллического элемента, ионами или молекулами, — эти силы существенно различны.

Если вещество построено из атомов, но не является металлом, то его атомы обычно связаны друг с другом ковалентной связью. Если вещество — металл, то часть электронов его атомов становятся общими для всех атомов; эти электроны свободно движутся между атомами, связывая их друг с другом. Если вещество имеет ионное строение, то образующие его ионы удерживаются друг около друга силами электростатического притяжения. О ковалентной и ионной связи говорилось в главе IV. О связи между частицами в металлах рассказывается в главе XVI. В веществах с молекулярной структурой имеет место межмолекулярное взаимодействие.

Силы межмолекулярного взаимодействия, называемые также силами Ван-дер-Ваальса, слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновения диполей различен.

Если вещество состоит из полярных молекул, например, молекул НО или НС1, то в конденсированном состоянии соседние молекулярные диполи ориентируются друг по отношению к другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Такой вид межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным взаимодействием. Тепловое движение молекул препятствует взаимной ориентации молекул, поэтому с ростом температуры ориентационный эффект ослабевает.

В случае веществ, состоящих из неполярных, но способных к поляризации молекул, например, СО, наблюдается возникновение наведенных или индуцированных диполей. Причина их появления обычно состоит в том, что каждый атом создает вблизи себя электрическое поле, оказывающее поляризующее действие на ближайший атом соседней молекулы. Молекула поляризуется, и образовавшийся индуцированный диполь в свою очередь поляризует соседние молекулы. В результате происходит взаимное притяжение молекул друг к другу. Это индукционное взаимодействие наблюдается также и у веществ с полярными молекулами, но при этом оно обычно значительно слабее ориентационного.

Относительная величина рассмотренных видов межмолекулярных сил зависит от полярности и от поляризуемости молекул вещества. Чем больше полярность молекул, тем больше ориентационные силы. Чем больше деформируемость, тем слабее связаны внешние электроны атомов, т. е. чем эти атомы крупнее, тем значительнее дисперсионные силы. Таким образом, в ряду однотипных веществ дисперсионное взаимодействие возрастает с увеличением размеров атомов, составляющих молекулы этих веществ. Например, в случае НС1 на долю дисперсионных сил приходится

81 % всего межмолекулярного взаимодействия, для НВr эта величина составляет 95%, а для HI 99,5%. Индукционные силы почти всегда малы.

12.Химическая термодинамика. Энергетика химических процессов. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические уравнения. Теплота образования и разложения веществ.

Если при образовании какого-либо соединения выделяется {или поглощается) некоторое количество теплоты, то при разложении этого соединения в тех же условиях такое же количество теплоты поглощается (или выделяется).

Количество теплоты, которое выделяется при образовании одного моля соединения из простых веществ, называется теплотой образования данного соединения.

Химические уравнения, в которых указано количество выделяющейся или поглощаемой теплоты, называются термохимическими уравнениями. Величина теплового эффекта указывается обычно в правой части уравнения со знаком плюс в случае экзотермической реакции и со знаком минус в случае эндотермической реакции.

Внутренняя энергия U вещества (или системы) — это полная энергия частиц, составляющих данное вещество (см. также § 54). Она слагается из кинетической и потенциальной энергий частиц. Кинетическая энергия — это энергия поступательного, колебательного и вращательного движения частиц; потенциальная энергия обусловлена силами притяжения и отталкивания, действующими между частицами.

Энтальпия. Однако чаще в химии приходится иметь дело с процессами, протекающими при постоянном давлении. При этом удобно пользоваться величиной энтальпии Н, определяемой соотношением:

Н= U + PV

изменение энтальпии равно взятому с обратным знаком тепловому эффекту реакции, проведенной при постоянной температуре и постоянном давлении

13.Стандартные тепловые эффекты различных процессов. Основной закон термохимии (закон Гесса). Применение термохимических расчетов,

Закона Гесса: суммарный тепловой эффект некоторого ряда последовательных реакций равен суммарному тепловому эффекту любого другого ряда реакций, если одинаковы исходные в-ва, их кол-ва и состояние, а также одинаковы продукты реакций и их кол-во и состояние.

Следствие 1:тепловой эффект разложения хим. соединения до простых в-в равен тепловому эффекту образования этого соединения из этих простых в-в, взятому с обратным знаком.

Следствие 2: тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исх. в-в.

Разность ТЭ двух реакций, начальное состояние в-в у которого различны, а конечные одинаковы, представляют собой ТЭ перехода в-в из одного начальное состояние в другое.

Разность ТЭ одной и той же р-ции, для которой состояние в-в одинаковы, а конечных – различны представляют собой ТЭ перехода из одного конечного состояния в другое.

14.Химическое сродство. Энтропия. Ее изменение при химических процессах. Стандартные энтропии веществ. Методы расчета" изменения энтропии в ходе химической реакции.

Энтропия-мера беспорядка.

Энтропия (S) связана с числом (W) равновероятных микроскопических состояний, которыми можно реализовать данное макроскопическое состояние системы, уравнением s=h/t Наименьшую энтропию имеют идеально правильно построенные кристаллы при абсолютном нуле. Энтропия кристалла, в структуре которого имеются какие-либо неправильности, уже при абсолютном нуле несколько больше, так как нарушения идеальности могут реализоваться не единственным способом. С повышением температуры энтропия всегда возрастает, так как возрастает интенсивность движения частиц, а следовательно, растет число способов их расположения. Возрастает она также при превращении вещества из кристаллического состояния в жидкое и, в особенности, при переходе из жидкого состояния в газообразное. Если процесс проводится обратимо и при постоянной температуре (изотермически), то изменение энтропии связано с поглощаемой теплотой уравнением

S =Qo6P/T

где Q06p — количество теплоты, поглощенной системой в изотермическом обратимом процессе; Т — абсолютная температура.

С помощью этого уравнения можно определить, например, изменение энтропии при плавлении и кипении веществ.

По величине стандартной энтропии можно делать некоторые выводы о свойствах вещ-в: чем больше атомов сожержется в молекуле вещ-ва, тем его энтропия выше.

Для качественного определения изменения энтропии должны знать, как изменится число молей газа (твёрдые и жидкие вещ-ва не учитываем), т. К. их энтропия очень мала). Для твёрдых тел энтропия амофорных тел выше,чем энтропия тех же тел кристаллических: SiO2-амофорное-стекло, кристаллическое-кварц.

15.Изобрано-изотермический потенциал. Принципиальная возможность или невозможность осуществления процесса. Энтальпийный и энтропийный факторы и направление процесса Расчет направления протекания химических реакций.

Как показывается в термодинамике, можно ввести такие функции, которые отражают влияние на направление протекания процесса как тенденции к уменьшению внутренней энергии, так и тенденции к достижению наиболее вероятного состояния системы. Знак изменения подобной функции при той или иной реакции может служить критерием возможности самопроизвольного протекания реакции. Для изотермических реакций, протекающих при постоянном давлении, такой функцией является энергия Гиббса G, называемая также изобарно-изотермическим потенциалом, изобарным потенциалом или свободной энергией при постоянном давлении.

Рассмотренное нами явление расширения газа представляет собой пример проявления принципа направленности процессов к наиболее вероятному состоянию, т. е. к состоянию, которому соответствует максимальная беспорядочность распределения частиц. Направление самопроизвольного протекания химических реакций и определяется совокупным действием двух факторов: тенденцией к переходу системы в состояние с наименьшей внутренней энергией и тенденцией к достижению наиболее вероятного состояния. Согласно закону Гесса, стандартное изменение энтальпии реакции (сокращенно: стандартная энтальпия реакции) равно сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ.

Аналогично стандартное изменение энергии Гиббса реакции (сокращенно: стандартная энергия Гиббса реакции) равно сумме стандартных энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энергий Гиббса образования исходных веществ. При этом все суммирования производятся с учетом числа молей участвующих в реакции веществ в соответствии с ее уравнением.

Окислительно-востановительные процессы. Составление уравнений окислительно-востановительных реакций. Метод электронного баланса. Направление окислительно-восстановительных реакций. Метод электронного баланса.

Реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, называются окислительно-восстановительными,

отдача электронов, сопровождающаяся повышением степени окисленности элемента,— называется окислением.

Присоединение электронов, сопровождающееся пониокением степени окисленности элемента, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем, а вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, окислителем

число электронов, отдаваемых молекулами [атомами, ионами) восстановителя, равно числу электронов, присоединяемых молекулами (атомами, ионами) окислителя.

Коррозия металлов. Классификация коррозионных процессов по механизму протекания и по характеру коррозионных поражений. Химическая и электрохимическая коррозия. Коррозия под действием блуждающих токов.

Металлические материалы — металлы и сплавы на основе металлов, — приходя в соприкосновение с окружающей их средой (газообразной или жидкой), подвергаются с той или иной скоростью разрушению. Причина этого разрушения лежит в химическом взаимодействии: металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами, находящимися в окружающей среде, и окисляются. Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды, называется коррозией (от латинского «corrodere» — разъедать).

Атмосферная к о р р о з и я — коррозия во влажном воздухе при обычных температурах. Поверхность металла, находящегося во влажном воздухе, бывает покрыта пленкой воды, содержащей различные газы, и в первую очередь — кислород. Скорость атмосферной коррозии зависит от условий. В частности, на нее влияет влажность воздуха и содержание в нем газов, образующих с водою кислоты (СО2, SO2). Большое значение имеет также состояние поверхности металла: скорость атмосферной коррозии резко возрастает при наличии на поверхности шероховатостей, микрощелей, пор, зазоров и других мест, облегчающих конденсацию влаги.

Коррозия в грунте* приводит к разрушению проложенных под землей трубопроводов, оболочек кабелей, деталей строительных сооружений. Металл в этих условиях соприкасается с влагой грунта, содержащей растворенный воздух. В зависимости от состава грунтовых вод, а также от структуры и минералогического состава грунта, скорость этого вида коррозии может быть весьма различной.

Коррозия при неравномерной аэрации** — наблюдается в тех случаях, когда деталь или конструкция находится в растворе, но доступ растворенного кислорода к различным ее частям неодинаков. При этом те части металла, доступ кислорода к которым минимален, корродируют значительно сильнее тех частей, доступ кислорода к которым больше. Такое неравномерное распределение коррозии объясняется следующим образом. При восстановлении кислорода О2 + 4Н+ + 4е~ = 2Н2О расходуются ионы водорода и раствор, следовательно, несколько подщелачивается. Металлы, и в частности железо, при подщелачивании раствора легче переходят в пассивное состояние. Поэтому аэрируемые участки металла переходят в пассивное состояние и скорость коррозии на них снижается. На неаэрируемых участках не происходит пассивирования — здесь протекает процесс окисления металла, приводящий к переходу его ионов в раствор:

М = Мг+ + ге~ Таким образом, при неравномерной аэрации металла осуществляется пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: восстановление кислорода протекает на более аэрируемых участках, а окисление металла — на менее аэрируемых участках поверхности. Локализация процесса окисления приводит к местной коррози и — интенсивному разрушению металла на отдельных участках. Местная коррозия приводит к появлению на поверхности металла углублений («язв»), которые со временем могут превращаться в сквозные отверстия. Иногда развитие язв трудно обнаружить, например, из-за остатков окалины на поверхности металла. Этот вид коррозии особенно опасен для обшивки судов, для промышленной химической аппаратуры и в ряде других случаев.

Контактная коррозия может протекать, когда два металла с различными потенциалами соприкасаются друг с другом либо в водной среде, либо при наличии влаги, конденсирующейся из воздуха. Так же, как и в рассмотренном выше случае значительных включений, металлы оказывают друг на друга поляризующее действие; металл с меньшим потенциалом поляризуется анодно, и скорость его коррозии вблизи места контакта резко возрастает.