Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 11 из 68)
1.8. Процессы, происходящие в химических системах
Химические системы – это такие системы, в которых идет химическая реакция. Химической системой является, например, содержимое любой колбы, в которой происходит превращение веществ, автоклава, где осуществляется синтез сложного органического вещества или ректификационной колонны на нефтеперерабатывающем заводе.
Процессы, происходящие в химических системах, можно разделить на две группы:
1. Превращения вещества, в результате которых изменяются структура или агрегатное состояние вещества, но химический состав его остается неизменным, называются фазовыми переходами.
К ним относятся процессы плавления, испарения, кристаллизации, сублимации (переход твѐрдого вещества в газообразное состояние, минуя жидкую стадию) или растворения вещества. Например, фазовые превращения воды можно записать в виде следующих уравнений:
Н2О(к) → Н2О(ж) (плавление); Н2О(ж) → Н2О(г) (испарение);
Н2О(ж) → Н2О(к) (кристаллизация) Н2О(к) → Н2Ог (сублимация).
Растворение сульфата меди можно, например, представить следующим уравнением:
CuSO4 + 5H2O = CuSO4∙5H2O
2. Превращения, при которых изменяется химический состав и структура соединений, называются химическими реакциями. Химические реакции можно разделить на следующие основные типы:
1) реакции соединения (из простых веществ получаются более сложные)
2Cu + O2 = 2CuO;
H2 + Cl2 = 2HCl
2) реакции разложения (из сложного вещества получаются более простые)
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2; HCOOH = CO + H2O;
3) реакции обмена (молекулы взаимодействующих веществ обмениваются своими частями)
а) BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4+ 2NaCl; б) Na2CO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O; в) НCl + NaOH = NaCl + H2O;
Реакции обмена идут до конца, если в результате реакции образуется нерастворимое вещество (а), газ (б) или малодиссоциирующее соединение (в).
В противном случае реакция будет обратимой, то есть будет идти как в прямом, так и в обратном направлении, а в числе продуктов реакции будут находиться и исходные вещества, образовывающие при обратном обмене (в ходе обратной реакции), например:
г) KCl + Na2SO4 ↔ K2SO4 + NaCl
Химическая система, в которой прямая и обратная реакция протекают с одинаковой скоростью, является равновесной. По существу, все химические процессы являются обратимыми, хотя в некоторых (в частности, в приведенных выше процессах а, б и в) равновесие может быть сильно сдвинуто в сторону образования продуктов реакции. Изменяя условия, можно добиться сдвига равновесия в ту или иную сторону. Нерастворимые (или малорастворимые), газообразные и малодиссоциирующие вещества всегда принято записывать в виде молекулярной, а не ионной формулы. Растворимые вещества в растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы соответственно) и их реакции можно записывать и в молекулярном, и в ионном виде. Например:
AgNO3 + KCl = AgCl + KNO3 ,
или в полной ионной форме:
Ag+ +NO3- + K+ + Cl- = AgCl + K+ + NO3-,
или в краткой ионной форме:
Ag+ + Cl- = AgCl
Другой пример:
CH3COONa + HCl = CH3COOH + NaCl,
или в полной ионной форме:
CH3COO- + Na+ + H+ + Cl- = CH3COOH + Na+ + Cl-
или в краткой ионной форме:
CH3COO- + H+ = CH3COOH
4) окислительно-восстановительные реакции (это такие реакции, в результате которых меняется степень окисления[6], или окисленность, входящих в молекулы элементов).
а) Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2; б) 5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
Кроме перечисленных выше основных типов реакций существуют и другие виды химических процессов, протекающих с изменением химического состава системы.
1.9. Вопросы и задания:
1. Дайте характеристику системно-структурному подходу к проблеме строения вещества.
2. Охарактеризуйте две концепции строения веществ
3. Опишите основные этапы становления атомно-молекулярного учения
4. Почему современную теорию строения вещества называют квантовой химией?
5. Сформулируйте принцип неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора.
6. Сформулируйте «три закона квантовой механики» – правило Клечковского, принцип Паули и правило Гунда.
7. Что такое квантовые числа? Дайте им характеристику.
8. Для атома Х квадрат модуля пси-функции
= 4. Каковы значения главного квантового числа n для электронов этого атома?9. Напишите все квантовые числа для всех электронов атомов элементов с атомными номерами 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 (лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и неона).
10. Вычислите энергию, которую имеет электрон атома № 5, находясь на втором энергетическом уровне. Рассчитайте длину волны электрона, скорость которого равна 2∙103 м/сек.
11. Сколько элементов было бы в Периодической системе, если бы все квантовые ячейки на 7 ближайших к ядру орбитах были заполнены?
12. Какая электронная конфигурация соответствует хлорид-иону Cl-; иону О2- (оксид-иону)?
13. Сколько неспаренных электронов содержит атом углерода в основном состоянии?
14. Определите молярную массу 0,327∙10-3 л газа при 13оС и давлении
1,040∙105 Па, если масса газа в данных условиях равна 0,828∙10-3 кг.
15. Напишите формулы оксида индия, гидрида титана, нитрида бора, карбида кальция, гидроксида рубидия и селеновой кислоты.
16. Что образуется при взаимодействии оксида серы (IV) с избытком раствора NaOH: гидросульфит натрия, гидросульфит натрия и вода, гидросульфат натрия; сульфат натрия и вода?
17. Сколько хлорного железа нацело прореагирует с 12 г гидроксида натрия в реакции FeCl3 + 3 NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl? Сколько при этом образуется
гидроксида железа (III) хлорида натрия?
18. Какие из приведенных ниже реакций осуществимы в водном растворе? NaNO3 + HCl = NaCl + HNO3; Ba(NO3)2 + 2NaOH = 2NaNO3 + Ba(OH)2;
Fe2(SO4)3 + 6HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 3H2SO4; CuSO4 + 2KOH = K2SO4 + Cu(OH)2; ВаSO4 + 2HCl = BaCl2 + H2SO4; CaCl2 + 2NaNO3 = Ca(NO3)2 + 2
NaCl; FeCl3 + 3 NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl; K2SO4 + 2HCl = H2SO4 + 2KCl
19. Определите молярную массу следующих веществ: NH4ОН, H2SO4, KOH, Fe2(SO4)3, Н2О, К2Cr2O7, CH3COOH.
20. Определите молярную массу эквивалента для следующих веществ:
H2SO4, Cu(OH)2, Al2(SO4)3; HNO3; Na2SiO3; NaOH
Лекция 2. Растворы
2.1. Раствор как система
Растворами называются гомогенные системы переменного состава. Компонент, содержание которого в растворе больше содержания других компонентов, называется растворителем. Остальные компоненты раствора называются растворенными веществами. Растворитель, в отличие от растворенного вещества, при образовании раствора сохраняет свое агрегатное состояние.
Существуют газовые, твердые и жидкие растворы.
В газовом растворе частицы слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому газовые растворы можно считать физической смесью компонентов. Примером газового раствора является воздух, где растворителем можно считать азот (80%), а растворенными веществами – кислород (около 20%), диоксид углерода, пары воды и инертные газы (до 1%). При невысоких давлениях газы смешиваются друг с другом в любых соотношениях, а при повышении давления растет растворимость в газах жидких и твердых веществ. Например, в пар высокого давления из жидкого раствора переходят соли, оксиды кремния и другие вещества.
Твердые растворы – это сложные системы, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решетке. Все кристаллические твердые тела способны образовывать твердые растворы; пределы растворимости растворяющегося компонента обычно узкие, хотя имеются системы с полной взаимной растворимостью, например, Cu-Ag, Ag- Au.
К жидким растворам относятся растворы газов, жидкостей и твердых веществ в жидких растворителях. Различают водные и неводные растворы.
Однородность растворов, отличающая их от механических смесей, в то же время делает их похожими на химические соединения. При растворении некоторых веществ выделяется или поглощается теплота, что свидетельствует о химическом взаимодействии между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Однако растворы отличаются от химических соединений тем, что их состав может меняться в широких пределах и что в растворе можно обнаружить свойства его отдельных компонентов.
При растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами или, в случае водных растворов, гидратами. Гидраты, как правило, неустойчивы и при выпаривании раствора разлагаются. Однако, некоторые гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав молекулы вещества. Такие вещества называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Например, кристаллогидрат сульфата меди (медного купороса) имеет состав CuSO4∙5H2O, кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) Na2SO4∙10H2O, кристаллогидрат карбоната натрия (соды) Na2CO3∙10H2O, кристаллогидрат бората натрия (буры) Na2B2O7∙10H2O, кристаллогидрат тиосульфата натрия Na2S2O3∙5H2O.