Фундаментальные теории и законы

Стр 1 из 21Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ФИЛИАЛ В г. КРАСНОЯРСКЕ

КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО

ОБЩЕЙ ХИМИИИ

КРАСНОЯРСК 2004

Глоссарий терминов

Акцептор. Атом, предоставляющий свободную орбиталь при образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму.

Анионы. Отрицательно заряженные ионы.

Анод. Электрод, на котором происходит процесс окисления, отдачи электронов в электрохимической реакции.

Атом. Сложная электронейтральная структура, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, расположенных в пространстве вне ядра.

Атомная электронная орбиталь. Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями квантовых чисел.

Атмосферная коррозия. Коррозия во влажном воздухе при комнатной температуре.

Аэрация. Омывание воздухом, кислородом.

Валентность атома. Число химических связей, которое данный атом образует с другими атомами.

Валентная схема. Комбинация двухэлектронных двухцентровых связей, отражающая электронную структуру молекулы в методе валентных схем (ковалентная связь).

Вещество. Одна из форм существования материи.

Внутренняя энергия. Это энергия, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических реакциях или физических превращениях.

Водородный показатель. Отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в растворе.

Водородная связь. Связь между атомом водорода одной молекулы и сильно электроотрицательным атомом (фтором, кислородом, хлором и др.) другой молекулы.

Восстановление. Процесс принятия электронов в окислительно-восстановительных реакциях.

Восстановитель. Вещество, атомы или ионы которого принимают электроны.

Газовая коррозия. Коррозия в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металлов, обычно наблюдается при высоких температурах.

Гальванический элемент. Устройство, в котором за счет протекания окислительно-восстановительной реакции создается разность потенциалов и энергия химической реакции превращается в электрическую.

Гидролиз соли. Ионообменное взаимодействие ионов соли с ионами молекулы воды.

Главное квантовое число (n). Определяет возможные энергетические состояния электрона в атоме, его численные значения соответствуют номеру периода, в котором находится рассматриваемый атом.

Деполяризация. Процесс устранения поляризации электродов при электрохимических реакциях.

Донор. Атом, предоставляющий при образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму пару электронов.

Жаропрочность. Свойство конструкционного материала сохранять высокую механическую прочность при заметном повышении температуры.

Жаростойкость. Стойкость по отношению к газовой коррозии при высоких температурах.

Изобарный процесс. Процесс, протекающий при постоянном давлении.

Изотопы. Атомы одного и того же элемента, различающиеся по массе из-за разного количества нейтронов в ядре.

Изохорный процесс. Процесс, протекающий при постоянном объеме.

Ингибиторы. Вещества, замедляющие коррозию (нитрит натрия, хромат и дихромат калия, фосфат натрия, высокомолекулярные соединения и др.).

Ионы. Заряженные частицы, на которые распадаются молекулы электролита в процессе диссоциации.

Ионная связь. Связь в молекуле, осуществляемая за счет электростатического притяжения разноименно заряженных ионов.

Катод. Электрод, на котором протекает процесс восстановления, принятия электронов в электрохимических процессах.

Катодная защита. Защищаемая деталь или конструкция присоединяется к отрицательному полюсу источника электрической энергии и становится катодом. В качестве анода используются куски металлолома, которые и окисляются, разрушаются.

Квант. Отдельная порция энергии, испускаемая нагретым телом.

Квантовые числа. Целочисленные величины, характеризующие состояние электрона в атоме.

Ковалентная связь. Двухэлектронная, двухцентровая связь между атомами в молекуле.

Координационное число комплексообразователя. Число лигандов в комплексном ионе.

Комплексообразователь. Центральный атом или ион в комплексном соединении. Входит в состав комплексного иона.

Контактная коррозия. Коррозия при контакте двух металлов с разными потенциалами в среде электролита. В этом случае на поверхности металла образуется короткозамкнутая микрогальванопара.

Концентрация. Содержание вещества в единице системы.

Коррозия металлов. Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды.

Легирование. Введение в состав сплава компонентов, вызывающих пассивирование металла. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, вольфрам.

Лиганды. Молекулы или ионы, расположенные около комплексообразователя в комплексном ионе.

Магнитное квантовое число (m). Определяет ориентацию электронных облаков в пространстве. Оно принимает целочисленные значения в пределах от (-) l до (+) l.

Материя. Объективная реальность, существующая независимо от нашего сознания.

Местная коррозия. Локализация процесса окисления, приводит к интенсивному разрушению металла на отдельных участках.

Микрогальванопары. Возникают на поверхности металла или сплава в результате наличия примесей, дефектов кристаллической структуры, различной механической и термической обработки. Разрушение металла сопровождается возникновением в системе электрического тока.

Молекула. Мельчайшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Моль. Количество вещества.

Нейтрон. Элементарная частица с массой 1,00867 а.е.м., не имеющая электрического заряда. Нейтроны являются составной частью ядра атома.

Окисление. Процесс отдачи электронов в окислительно-восстановительной реакции.

Окислитель. Вещество, атомы или ионы которого принимают электроны в окислительно-восстановительных реакциях.

Орбитальное квантовое число ( l ). Определяет энергию электрона на энергетическом подуровне и форму электронного облака. Для данного главного квантового числа n_l принимает значения от 0 до (n - 1), т. е. число подуровней на уровне равно n.

Период полураспада. Промежуток времени, в течение которого разлагается половина первоначального количества радиоактивного элемента.

Позитрон. Элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным зарядом, равным заряду электрона по абсолютной величине. Позитрон возникает в реакции превращения протона в нейтрон.

Принцип Паули. Положение, запрещающее присутствие в атоме двух электронов с четырьмя одинаковыми квантовыми числами. Следствием из принципа Паули является наличие на одной орбитали не больше двух электронов.

Правила Клечковского. Два положения, позволяющие определить порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней в атоме.

Правило Гунда. Определяет такой порядок заполнения электронами орбиталей в пределах подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

Протон. Элементарная частица с массой 1,00728 а.е.м. и положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Протон является составной частью ядра атома.

Протекторная защита. Защита металла от коррозии путем присоединения к защищаемой конструкции металла (металлический лом) с более отрицательным значением электродного потенциала.

Радиоактивность. Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Спин. Квантованная величина, связанная с собственным вращением электрона вокруг своей оси. Обозначается буквой s, принимает значения +1/2 или -1/2.

Сродство к электрону. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому.

Стандартные условия. Процесс протекает при постоянном давлении 101,3 кПа (1 атм), температуре 298 К (25 °С).

Степень окисления. Условный заряд атома в соединении.

Термохимия. Раздел химии, изучающий энергетические процессы реакции (выделение или поглощение тепла, выделение света, звука, электричества и др.).

Тепловой эффект реакции. Выделение или поглощение тепла в ходе химической реакции.

Химия. Наука о веществах, их строении и свойствах.

Химический элемент. Вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химическая коррозия. Коррозия в средах, не проводящих электрический ток.

Эквивалент. Количество вещества, равное 1 молю атомов водорода.

Эквивалентная масса. Масса одного эквивалента вещества.

Экзотермическая реакция. Реакция, которая протекает с выделением тепла.

Электрон. Элементарная частица, обладающая зарядом 1,602 10^-19 Кл, массой 9,1095 10^-28 г.

Электродный потенциал металла. Скачок потенциала, возникающий на границе раздела фаз “металл-раствор”.

Электрохимия. Раздел химии, изучающий процессы, которые либо сопровождаются возникновением электрического тока, либо вызваны электрическим током.

Электролиз. Совокупность процессов, происходящих при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и раствора или расплава электролита.

Электролит. Вещество, молекулы которого распадаются на ионы.

Электролитическая диссоциация. Процесс распада вещества на ионы.

Электрохимическая коррозия. Коррозия в средах, имеющих ионную проводимость. Процесс взаимодействия металла с окислителем вызывает анодное растворение металла и катодное восстановление окислителя.

Эндотермическая реакция. Реакция, которая протекает с поглощением тепла.

Энергия ионизации. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома с превращением его в ион.

Энтальпия. Величина, характеризующая теплосодержание системы.

Энтропия. Величина, характеризующая количественную меру беспорядка в системе.

Ядро атома. Часть атома, состоящая из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

ВВЕДЕНИЕ

Химия является одной из самых обширных областей естествознания – комплекса наук, изучающих природу, т. е., в конечном счете, материю и ее движение.

Материя – это философская категория, обозначающая объективную реальность, существующую независимо от сознания человека, но познаваемую им посредством наблюдения, эксперимента и теоретического исследования.

Материя непрерывно изменяется, находится в движении, что отражается в самых разнообразных процессах действительности.

Формы движения материи разнообразны, например, нагревание и охлаждение, излучение света, жизненные процессы, электрический ток, химические превращения и т. д. Одни формы движения материи могут переходить в другие: механическое движение переходит в тепловое, тепловое – в химическое, химическое – в электрическое, электрическое – в световое и т. д. Такой переход одних форм движения в другие указывает на наличие, с одной стороны, единства, с другой – связи между качественно различными формами движения материи.

Различают две основные формы существования материи – вещество и энергию (поле).

Вещество как форма материи состоит из отдельных частиц различной степени сложности и обладает собственной массой, так называемой массой покоя (массой покоя принято называть массу тела, измеренную в системе координат, относительно которой это тело неподвижно). Поле (например, электрическое, гравитационное и др.) в свете современных представлений рассматривается как поток квантов, не обладающих массой покоя.

Вещество обладает при определенных условиях постоянными физическими свойствами и достаточно полно определяется тремя признаками:

1) занимает часть пространства,

2) обладает массой покоя,

3) построено за счет сил притяжения и отталкивания.

Химия – это наука о строении, составе веществ, их свойствах и взаимных превращениях.

Все химические законы можно разделить на фундаментальные, стехиометрические и газовые.

Фундаментальные теории и законы

К основополагающим обобщениям химии и естествознания относятся: атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодический закон и Периодическая система элементов, теория химического строения веществ.

1.1.1. Атомно-молекулярная теория

Атомно-молекулярные представления в химии впервые предложены великим русским ученым М. В. Ломоносовым, он по праву считается основателем научной химии. Основные положения его учения изложены в работе “Элементы математической химии” (1741 г.) и ряде других.

М. В. Ломоносов четко различал две ступени в строении веществ: элементы (в нашем понимании атомы) и корпускулы (молекулы). Итак, в основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень маленьких частиц.

Основные положения атомно-молекулярного учения сформулированы ниже:

1) все вещества состоят из молекул, которые постоянно находятся в непрерывном самопроизвольном движении. Так, при обычных условиях хлор представляет собой зеленоватый газ, бром – тяжелую красно-бурую жидкость, йод – фиолетово-черные кристаллы, но все эти вещества можно рассматривать как совокупность молекул типа Х₂, где Х – атом галогена: хлора Cl, брома Br, йода J.

Таким образом, молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

С современной точки зрения молекула представляет собой устойчивую при данных условиях совокупность атомов, удерживаемых вместе силами притяжения (химическими связями);

2) молекулы состоят из атомов. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов. Атомы входят в состав любой молекулы данного индивидуального вещества в строго определенном соотношении. Например, кислород – это совокупность молекул О₂, озон – О₃, молекула воды имеет формулу Н₂О, перекись водорода Н₂О₂ и т. д.;

3) атомы представляют собой мельчайшие далее химически неделимые составные части молекул. Они характеризуются определенными размерами, массой и особыми для каждого вида атомов физическими и химическими свойствами.

Первые два утверждения атомно-молекулярного учения кажутся настолько очевидными, что трудно себе представить, почему человечеству понадобилось так много времени, чтобы прийти к этим взглядам.

Согласно современным представлениям атом – электронейтральная микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и одного или нескольких отрицательно заряженных электронов.

Каждый отдельный вид атомов – это есть химический элемент или, с точки зрения современных представлений, химический элемент – это вид атомов, имеющих одинаковый заряд ядра.

Например, углерод может существовать в виде графита и алмаза. Это простые вещества, состоящие только из атомов одного элемента – углерода, т. е. химический элемент, может существовать в виде нескольких простых веществ. Такое явление называется аллотропией. Другой пример, белый и красный фосфор – аллотропические модификации, каждая из которых простое вещество, состоящее из одного и того же химического элемента – фосфора.

В химии элементы обозначают символами, состоящими из первых букв латинских названий. Водород – Н (Hydrogenium), железо Fe (Ferrum) и т. д. Символ означает название элемента, атома. Массовое число, атомный номер, количество атомов и ионный заряд элементов указывают посредством четырех индексов вокруг символа:

левый верхний индекс – атомная масса,

левый нижний индекс – атомный номер,

правый нижний индекс – количество атомов,

правый верхний индекс – ионный заряд.

Ионный заряд нужно указывать так: Аⁿ⁺, а не A⁺ⁿ. Например: - это ионизированная молекула с положительным зарядом 2, состоящая из двух атомов серы, каждый из которых имеет атомный номер 16 и атомную массу 32.

Состав молекул сложных веществ изображают химическими формулами. Например, формула Н₂SO₄ показывает, что: 1) это серная кислота – название вещества; 2) 1 молекула ее; 3) 1 моль серной кислоты; 4) серная кислота состоит из трех элементов – водорода, серы и кислорода; 5) в 1 моле серной кислоты содержится 2 моля атомов водорода, 1 моль атомов серы и 4 моля атомов кислорода; 6) относительная молекулярная масса равна 98, т. е. 2∙1 + 32 + 4 × 16 а.е.м.

Формулами обозначаются и молекулы простых веществ, если известно, из скольких атомов состоит молекула. Например, Н₂, О₂, F₂. Однако если простое вещество имеет атомную или металлическую структуру или неизвестен атомный состав молекулы, то его обозначают химическим символом элемента. Например, Не, Si, Al.

Химические уравнения представляют также посредством химических формул и химических символов. Каждое уравнение состоит из двух частей, соединенных знаком равенства. В левой части пишут формулы веществ, вступающих в реакцию, в правой – формулы веществ, образующихся в результате реакции. Например, взаимодействие оксида меди (II) c соляной кислотой. Составляем схему реакции, в которой стрелкой указывают направление реакции:

CuO + HСl ® CuCl₂ + H₂O.

Чтобы число атомов меди, кислорода, водорода и хлора было одинаковым в левой и правой частях уравнения, надо перед HCl поставить коэффициент 2:

CuO + 2HСl = CuCl₂ + H₂O.

Полученное уравнение удовлетворяет закону сохранения массы веществ.

Современная атомно-молекулярная теория утверждает, что не во всех случаях частицы, образующие вещество представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например, большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. В веществах, имеющих ионное строение носителем химических свойств является не молекула, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.

1.1.2. Относительные атомные и молекулярные массы.

Количество вещества (моль)

Масса атома водорода составляет 1,674∙10^-27кг, кислорода 2,667∙10^-26кг, углерода – 1,993∙10^-26 кг.

Для удобства в химии применяют не абсолютные значения атомных масс, а относительные величины. За единицу относительных атомных масс с 1961 г. принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.) представляющая 1/12 часть массы углерода, т. е. изотопа углерода ¹²С.

Относительной атомной массой элемента называется масса его атома, выраженная в атомных единицах массы (обозначается А_r, индекс r – начальная буква английского слова relative – относительный).

Относительная атомная масса (или просто атомная масса) показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше 1/12 массы углерода 12.

Например,

A_r_H или округленно 1,

А_r_O⁰ = или округленно 16.

Значения А_r приведены в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Введем понятие относительной молекулярной массы. Относительные молекулярные массы так же, как и атомные, выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).

Относительной молекулярной массой (или просто молекулярной массой) Mr вещества называется масса его молекулы, выраженная в атомных единицах массы.

Молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех элементов, входящих в состав молекулы вещества. Например, Mr H₂O будет слагаться из атомных масс водорода и кислорода:

2А_r_H = 2∙1,00799=2,01594,

M_rН₂О = 18,01534

Значит, молекулярная масса воды равна 18,01534 или округленно – 18 а.е.м.

Наряду с массой и объемом в химических расчетах часто используют количество вещества, пропорциональное числу содержащихся в веществе структурных единиц (элементарных частиц). При этом в каждом случае указывают, какие именно структурные единицы (молекулы, атомы, ионы и т. д.) имеются в виду. В международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль. Эта единица измерения входит в число семи основных физических величин СИ.

Моль – это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько атомов в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С.

Например, для водорода следует различать:

моль молекул Н₂,

моль атомов Н,

моль ионов Н⁺.

Зная массу атомов углерода ¹²С (1,993∙10^-26 кг), можно вычислить число атомов N_А в 0,012 кг углерода:

N_А = I/моль.

Число частиц в моле любого вещества одно и то же. Оно равно 6,02∙10²³ и называется постоянной Авогадро (обозначается NA). Очевидно, в 2 молях углерода содержится 2N_А = 2∙6,02∙10²³ атомов, в 3 молях – 3N_А атомов и т. д.

Масса вещества, взятого, в количестве 1 моля, называется молярной (мольной) массой. Ее выражают в кг/моль или г/моль и обозначают М.

Молярная масса вещества в г/моль или кг/моль численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе, выраженной в а.е.м. Например, относительная молекулярная масса О₂ и Н₂О соответственно равны 32 и 18 а.е.м., а их молярная масса составят 32 и 18 г/моль.

Для углерода С и железа Fe относительные атомные массы Ar соответственно равны 12 и 56 а.е.м., а их молярные массы Mr – 12 и 56 г/моль.

Рассмотрим водород:

Атомарный водород Н Атомная масса Ar _H = 1,0079 а.е.м. 1 моль атома водорода Н содержит 6,02∙10²³ атомов Н (N_А Н).	Молекулярный водород Н₂ Молекулярная масса Mr H₂ = 2,0158 а.е.м. 1 моль молекул водорода H₂ (2 моля атомов Н) содержит 6,02∙10²³ молекул Н₂(N_АH₂).
Мольная масса атомов (атомарного водорода) Мн =1,0079 г/моль.	Мольная масса молекул (молекулярного водорода) Мн₂ = 2,0158 г/моль.

Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 320; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!