II. Квантово-механическое представление в органической химии

Вид материала

Реферат

Содержание Керосин – совокупность углеродов различного строения (предельных, непредельных цикличных и ароматических). Керосин Элементный весовой состав Стехиометрические и термохимические расчеты процессов горения химического топлива Термохимический расчет Низшая теплотворная способность ( XVI. Органические методы очитки воды Электродиализная очистка жидкости

Подобный материал:

• Етодические особенности изучения органической химии место органической химии в школьном, 462.44kb.
• Программа элективного курса «Теоретические основы органической химии», 128.29kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса естественнонаучного профиля «Механизмы реакций, 49.19kb.
• Тематическое планирование по органической химии для 10 класс, 550.27kb.
• Примерный перечень экзаменационных вопросов по органической химии, специальность 260303, 53.85kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса профильного уровня. Тема: «Избранные вопросы, 93.44kb.
• Новые органические лиганды n 2 s 2 ­ -типа и их комплексные соединения с ni(II), Co(II),, 232.86kb.
• Утверждаю, 425.07kb.
• Утверждаю, 318.85kb.
• Методы органической химии, 158.45kb.

Керосин


C_mH_nO_z

Керосин – совокупность углеродов различного строения (предельных, непредельных цикличных и ароматических).

Керосин – фракция нефти, отгоняющаяся при температуре 150 ÷ 300°С.


Элементный весовой состав:


Углерод ― 86,76%

Водород ― 12,76%

Кислород ― 0,48%


Преимущества керосина:

1. Высокая теплотворная способность (~ 43 кДж/г);
   
2. Большой удельный вес (0,819 г/см³);
   
3. Широкий температурный интервал жидкого состояния (от –60° до +150°);
   
4. Коррозионно не активен по отношению к конструкционным материалам.
   

В крылатых ракетах большое значение придается созданию более легких и компактных двигательных установок, работающих на борсодержащих эмульсионных топливах. Применение такого топлива позволяет уменьшать габариты ракеты и увеличивать их боевые характеристики по показателю дальности.

В ЖРД с вытеснительной системой подачи в качестве компонентов топлива используют гидрозин (N₂H₄) и четырехокись азота (N₂O₄). В двигателях на верхних ступенях, рассчитанных на многократное использование, для обеспечения необходимой энергетической характеристики, требуется использование топливной пары: жидкий водород и жидкий кислород.



А: ½ Н – 1е → Н⁺

К: О₂ + 4е + 4Н⁺ → 2Н₂О


Плюсы:

1. Получаем воду, которую в дальнейшем используют в системе жизнеобеспечения;
   
2. Экологическая чиста компонентов.
   

Минусы:

1. Взрывоопасность водорода;
   
2. В качестве катализатора и переносчика электронов используют платину, которая очень дорогим материалом.
   

Стехиометрические и термохимические расчеты процессов горения химического топлива


Стехиометрический расчет


Процесс горения – окислительно-восстановительная реакция.

Продукты процесса – высшие оксиды элементов, входящие в состав горючего (СO₂, H₂O). А азот и галогены выделяются в свободном виде (N₂, Br₂, Cl₂).

CO₂

C₆H₅NO₂ N₂

H₂O

Пример.


Рассмотрим горение топливной смеси, состоящей из диэтиламина и азотной кислоты.


11 + x

2

1 + x

2

(C₂H₅)₂NH + x HNO₃ → 4 CO₂ + H₂O + N₂

горючее окислитель


Метод расчета по материальному балансу кислорода:

1. Принимаем за Х количество ркислителя;
   
2. Уравниваем углерод;
   
3. Уравниваем азот;
   
4. Считаем кислород:
   

х = 5,4


Физико-химические и технические свойства топлива


Физико-химические и технические свойства топлива зависят от состава топлива, который выражают в процентах, мольных долях и массовых долях компонента.

1. Расчет процентного состава топливной смеси;
   

% (C₄H₁₁N) =

× 100%
Mr (C₄H₁₁N)

Mr (горючего) + Mr (окислителя)

% (C₄H₁₁N) =

× 100%
Mr (C₄H₁₁N)

Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr (HNO₃)

% (HNO₃) =

× 100%
Mr (HNO₃)

Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr (HNO₃)

2. Мольные доли;
   

n =
Число молей данного компонента

Сумма числа молей смеси

n (C₄H₁₁N) = = 0,16 = 16 Мольных %
1

6,4

n (HNO₃) = 0,84 = 84 Мольных %

3. Массовые доли элементов.
   

g_эл =
атомная масса элемента × число атомов в молекуле исходного вещества

суммарная масса топлива


m (топлива) = Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr(HNO₃)


g_c = = 0,116
12×4


g_N = = 0,217
413,2

14×6,4

413,2


g_н = = 0,04
(11 + 5,4)×1

413,2


g_o = = 0,627
16×5,4×3

413,2


Термохимический расчет


Различают высшую и низшую теплотворную способность топлива.

Высшая теплотворная способность (Qв) – количество тепла, которое выделяется при сгорании 1кг (1м³) топлива при нормальном давлении (10⁵Па) и условии, что продукты реакций охлаждаются до стандартной температуры (25°С, 298°К).

Низшая теплотворная способность (Qн) – количество тепла, которое выделяется при сгорании единицы массы или объема топлива при нормальном давлении и условии, что продукты реакций охлаждаются до стандартной температуры (25°С), но без учета теплоты конденсации паров воды..


Q_н = Q_в – λ_im_i

λ_i – теплоты парообразования соответствующего оксида (кДж/кг);

m_i – количество этих оксидов в продуктах реакции (кг).


В двигателях температура продуктов сгорания, покидающих камеру сгорания, выше температуры концентрации водных паров. Следовательно чаще рассчитывают низшую теплотворную способность.

Чтобы рассчитать в общем случае необходимо учитывать законы Гесса.

Q =
∆H°_р-ии

∑n_i × Mr_i


n_i – коэффициенты;

Mr_i – молярная масса топлива;

∑n_i × Mr_i – вес топлива;

∆H°_р-ии – тепловой эффект реакции (рассчитывают либо по первому, либо по второму следствию Гейзенберга). Для его расчета используют формулу, по которой тепловой эффект реакции равен разность сумм теплот образования продуктов и исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов, стоящих в уравнении реакции.


∆H°_р-ии = ∑n_j × ∆Н°_j – ∑n_i × ∆Н°_i

∆H°_р-ии = ∑n_i × ∆Н°_сгор.i – ∑n_j × ∆Н°_сгор.j


XVI. Органические методы очитки воды


За счет наличия водородных связей вода обладает рядом аномальных свойств.


Аномальные свойства воды

1. Вода – единственный минерал, который в твердом состоянии легче, чем в жидком.
   

Н

О Н

Н Н О Водородная связь слабее ковалентной.

О ••• Н ― О ••• Н

Н |

Н


В твердом состоянии расстояние между молекулами больше, чем в жидком. Так как в жидком состоянии часть водородных связей разрушается.

2. Вода (и Hg) обладает самым высоким значением поверхностного натяжения. А следовательно в космосе и на поверхности она находится в виде капле.
   

у детей – 80% воды;

у взрослых – 60% воды.

3. Вода обладает большим значением теплоемкости. Поэтому моря и океаны являются тепловыми аккумуляторами. А человек может без вреда для здоровья переходить из более теплой среды в более холодную.
   

4. Вода – единственный минерал, который может одновременно существовать в одной точке диаграммы состояния во всех трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).
   

Р







Т

5. У воды аномально высокая температура кипения по сравнению с аналогами: H₂Se, H₂Te.
   

6. Вода обладает измеряемой электропроводностью.
   

Kw = [H₃⁺O] [OH ¯ ] = 10 ^{– 14}

[H₃⁺O] – ион гидроксония

H⁺ + H₂O → H₃⁺O


Нейтральная среда: Щелочная среда: Кислая среда:

pH = 7; pH > 7; pH < 7

[H₃⁺O] = [OH ¯ ]; [H₃⁺O] < [OH ¯ ]; [H₃⁺O] > [OH ¯ ]


– p = – lg

pH = – lg [H⁺] (считают по количеству ионов водорода)


C_H⁺ = 10^{– 10}

lg 10^{– 10} = 10

pH = 10


Электродиализная очистка жидкости


Используют в СОЖ для очистки конденсата выдыхаемого космонавтом газа и урины, MnSO₄, раствор, H₂O.


При электролизе:


(−) K: Mn²⁺ + 2e → Mg° φ° = – 2,37 в

2H₂O + 2е → Н₂ + 2ОН ¯ φ° = – 0,83 в (менее электроотрицательный)

(+) A: 2SO₄^2- + 2e → 2S₂O₈^2- φ° = 2,01 в

2H₂O^2- – 4e → O₂ + 4H⁺ φ° = 1,223 в





XVII. Многостадийные задачи в органической химии

1. Число атомов углерода в исходном и конечном продукте одинаково и углеродный скелет идентичен.
   

Пример.


Из бутана-1 получить вторичный бутил-амин.

170°; H₂SO₄

1) CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂OH CH₃ – CH₂ – CH = CH₂ + H₂O

2) CH₃ – CH₂ – CH = CH₂ + HBr → CH₃ – CH₂ – CH – CH₃

|

Br

3) CH₃ – CH₂ – CH – CH₃ + NH₃ → CH₃ – CH₂ – CH – CH₃ + HBr

| |

Br NH₂


Пример.


Из хлорпропана получить пропаналь.

спирт

1) CH₃ – CH – CH₃ + NaOH CH₃ – CH = CH₂ + NaCl + H₂O

|


H₂O₂
Cl

2) CH₃ – CH = CH₂ + HBr CH₃ – CH₂ – CH₂Br


Из-за H₂O₂ реакция идет против правила Марковникова.

3) CH₃ – CH₂ – CH₂Br + NаОH (в) → CH₃ – CH₂ – CH₂ OH + NaBr


O

4) CH₃ – CH₂ – CH₂ OH + [O] → CH₃ – CH₂ – C

H

2. В конечном продукте на один атом углерода больше, чем в исходном.
   

Пример.


Из пропенового альдегида получить α-оксиизомасленную кислоту.


H₃C

O | O

CH₃ – CH₂ – C → H₃C – C – C

H | OH

OH


Cпособы решения задачи:

1. R – Hall + KCN → R – CN + KHall O O
   
2. R – Hall + Mg → R – MgHall + CO₂ → R – C + H₃O⁺ → R – C
   

OMgHall OH

3. CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂
   

C₂H₂ + H₂ (или Pd) → CH₂ = CH₂

O

CH₂ = CH₂ + O₃ → HC

H

или


H₂O; Zn; CH₃COOH
O


LiAlН₄
СH₂ = CH₂ HC

O H

HC H₃COH

H

3. В конечном продукте на один атом углерода меньше, чем в исходном.
   

Способы решения задачи:


1) Реакция сплавления солей карбоновых кислот с щелочами:


R – COONa + NaOH → Na₂CO₃ + R – H

3. Перегруппировка Гофмана:
   

O

R – C + 4NaOH(k) + Br₂ → R – NH₂ + 2NaBr + Na₂CO₃ + 2H₂O

NH₂

4. В конечном продукте в двое больше атомов углерода, чем в исходном.
   

Способы решения задачи:

1. Синтез с использованием реактива Греньяра;
   
2. Альдольно-кротоновая конденсация;
   
3. Димиризация ацетилена.
   

5. Число атомов углерода в исходном и конечном продукте одинаково, но изменяется структурна формула вещества (изомеризация).
   

П
tº; AlCl₃
ример.


CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH – CH₃

|

CH₃