Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности 140211 «Электроснабжение»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Бычков Р.А. Цель изучения дисциплины Задачей изучения дисциплины Содержание отдельных разделов и тем учебной дисциплины. В пределах одного подуровня (s, p, d или f) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин электронов был максималь Краткое содержание и методические указания к теме 2. Первое начало термодинамики Тепловые эффекты химических реакций Стандартным состоянием Стандартными условиями Самопроизвольным процессом Второе начало термодинамики Определение направления химической реакции. Стандартная энергия Гиббса образования соединения Кинетика химических реакций Влияние концентрации реагирующих веществ. Константа скорости реакции Влияние температуры на скорость реакции. Энергия активации Смещение химического равновесия. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности, 1856.64kb.
• Методические указания к дисциплине и задания к контрольной работе для студентов заочной, 126.92kb.
• Методические указания к дисциплине и темы рефератов для студентов заочной формы обучения, 102.72kb.
• Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
• Методические указания к итоговому междисциплинарному экзамену по специальности «электроснабжение», 382.82kb.
• Н. Н. Кувшинова экология учебное пособие, 1072.88kb.
• Учебное пособие для самостоятельной работы студентов специальности 040600 «Сестринское, 1354.95kb.
• Методические указания: краткий курс лекций для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1540.61kb.
• Учебное пособие Для студентов всех специальностей Москва 1999, 1603.73kb.
• Учебное пособие для студентов специальности «Экономика и управление на предприятии», 1271.5kb.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


Негосударственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский институт

энергобезопасности и энергосбережения


Кафедра

Электротехника и Электроника


ХИМИЯ


Учебное пособие

к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности

140211 «Электроснабжение»


Учебно-методический комплекс


Москва 2007


Химия. Учебно-методический комплекс для студентов заочного отделения. – М.: МИЭЭ, 2007, 47 с.


Одобрено кафедрой электротехники и электроники МИЭЭ ___ ______ 2007 г.


Автор: кандидат химических наук, доцент Бычков Р.А.

В работе использовались методические разработки кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» Московского государственного университета приборостроения и информатики».


Рецензент: доктор химических наук, профессор Шаблыгин М.В.


 МИЭЭ, 2007


СОДЕРЖАНИЕ


1. Содержание теоретической части дисциплины……………. 3

1.1. Тема № 1 …………………………………………………….. 4

1.2. Тема № 2……………………………………………………… 7

1.3. Тема № 3……………………………………………………… 17

1.4. Тема № 4……………………………………………………… 23

1.5. Тема № 5……………………………………………………… 39

2. Приложения ………………………………………………….. 44

3. Рекомендуемая литература …………………………………. 46


Цели и задачи учебной дисциплины


Химия - наука о веществах и их превращениях, сопровождающихся изменением состава и структуры, является одной из фундаментальных дисциплин в высшем образовании. Химия базируется на фундаментальных положениях физики и математики и является наукой, без изучения которой невозможно, в частности, освоение такой дисциплины, как «Материаловедение и технология конструкционных материалов». К сожалению, дисциплина ограничена дефицитом учебного времени. По этой причине основной упор делается на самостоятельную работу студентов.

Цель изучения дисциплины – помочь студентам ориентироваться в большом объёме теоретического материала по различным разделам неорганической, органической и аналитической химии, электрохимии, общей химической технологии

Задачей изучения дисциплины является формирование представлений о превращениях веществ в процессах получения материалов и их эксплуатации в различных устройствах. Знание химии позволяет решать энергетические, сырьевые и экологические проблемы, являющиеся актуальными в любом производстве и в жизни.


Содержание отдельных разделов и тем учебной дисциплины.

Тема 1. Введение. Строение атома. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и свойства элементов. Химические связи: ковалентная, ионная, металлическая. Пространственная структура молекул. Силы межмолекулярного взаимодействия, водородная связь. Комплексные соединения.

Тема 2. Энергетика химических процессов. Энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и направление химических реакций. Химическое равновесие. Химическая кинетика. Скорость химических реакций, влияние концентрации реагентов и температуры. Энергия активации. Механизм реакций. Катализ.

Тема 3. Растворы. Общие свойства растворов, химическое равновесие в растворах, принцип Ле Шателье. Растворы электролитов, сильные и слабые электролиты. Водородный показатель. Гидролиз.

Тема 4. Окислительно-восстановительные и электрохимические процессы. Электродные потенциалы. Кинетика электродных процессов. Гальванические элементы, химические источники тока. Электролиз. Коррозия металлов. Виды коррозии. Методы защиты от коррозии.

Тема 5. Полимеры, агрегатные, фазовые и физические состояния полимеров. Структура и свойства полимеров.

1. Содержание теоретической части дисциплины.
   

Тема 1. Введение. Строение атома. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и свойства элементов. Химические связи: ковалентная, ионная, металлическая. Пространственная структура молекул. Силы межмолекулярного взаимодействия, водородная связь. Комплексные соединения.

[1] Введение, раздел 1.

[2] Разделы 1, 2 и 3.

[3] Разделы 1 и 2.


Краткое содержание и методические указания к теме 1.

Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг ядра. В состав ядра входят положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, массы которых близки (1,007276 и 1,008665 у.е.). За единицу атомной массы принята 1/12 часть массы атома изотопа углерода ¹²₆С– углеродная единица у.е., равная 1,66057 ^. 10^-27 кг. Суммарное число протонов и нейтронов (нуклонов) равно массовому числу атома. Массой электронов (9,1 ^. 10^-31 кг или почти в 50000 раз легче у.е.) при этом можно пренебречь.

Основной характеристикой атома является заряд его ядра. Атомы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядер, но могут иметь различные массовые числа, т.к. их ядра при равном числе протонов могут иметь разное число нейтронов. Атомы элемента, имеющие различные массовые числа, называются изотопами.

Электроны в атоме движутся вокруг ядра непредсказуемо, по самым разнообразным траекториям. Нельзя одновременно точно узнать местоположения электрона и его импульс (направление и скорость движения), зато можно определить энергию этих электронов. Состояние электронов в атоме характеризуют четырьмя квантовыми числами: n, l, m и s. Квантовое число n определяет энергию электрона на данном энергетическом уровне, квантовое число l – форму электронного облака и энергию подуровня, m – ориентацию электронного облака в магнитном поле, s – направление вращения электрона вокруг своей оси. Следует заметить, что электронного облака в физическом смысле не существует. Под электронным облаком понимают поверхность, на которой вероятность нахождения электрона одинакова.

Квантовое число n может принимать любые положительные целочисленные значения, квантовое число l для каждого значения п принимает значения от 0 до n – 1, состояние электрона при l = 0 обозначают буквой s, при l = 1 обозначают буквой p, l = 2 обозначают буквой d и l = 3 обозначают буквой f. Квантовое число m изменяется от –l , через 0 до +l ( -l  0  +l), спиновое квантовое число s имеет значения +½ и -½.

В атоме не может быть даже двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел (принцип Паули). Отсюда следует, что на данном энергетическом уровне N число электронов равно 2п². Так, для п = 1 число электронов N равно 2, для п = 2 N = 8 и т.д.

Состояния электронов, характеризующиеся определённым набором n, l и m называют атомными орбиталями. Для п = 1 l = 0 и m = 0 и, следовательно, имеется только одна атомная орбиталь s, заселённая максимально двумя электронами с противоположными спинами. Для п = 2 l может иметь значения 0 и 1. Для значения l = 1 магнитное квантовое число m может иметь значения –1, 0 и +1. Соответственно, для этого значения l разрешены 3 атомные орбитали, максимально заполненные шестью электронами с противоположными спинами в каждой орбитале.

В многоэлектронных атомах энергия электрона возрастает как с ростом главного (п), так и орбитального (l) чисел. Последовательность заполнения атомных орбиталей происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии (правило В.М. Клечковского): при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы. При одинаковых значениях суммы (n + l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа n.

В пределах одного подуровня (s, p, d или f) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин электронов был максимальным (правило Хунда).

Нетрудно заметить, что количество электронов в пределах энергетического уровня п соответствует количеству элементов в периодах Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

В Периодической системе элементов (ПСЭ) в первом периоде имеется 2 элемента – водород и гелий, а, в соответствии с квантово-механическими представлениями, для первого энергетического уровня возможна только одна атомная орбиталь s, на которой может находиться либо один, либо два электрона.

Второй период ПСЭ содержит 8 элементов, а для второго энергетического уровня разрешены 4 атомные орбитали, одна s и три p, на которых максимально может находиться 8 электронов.

Третий период ПСЭ содержит тоже 8 элементов, а для третьего энергетического уровня разрешено 9 атомных орбиталей, одна s, три p и пять d. Следует помнить, что, в соответствии с правилом В.М. Клечковского, d-подуровень заполняется после заполнения s-подуровня следующего (в данном случае – четвёртого) энергетического уровня (следующего периода). С учётом этого замечания и здесь наблюдается полное соответствие ПСЭ и квантово-механических представлений.

Таким образом, номер элемента в ПСЭ соответствует величине заряда ядра атома, номер периода равен максимальному значению главного квантового числа п. Элементы, в которых последними заполняются электронами атомные орбитали s называют s - элементами. Соответственно, p – элементы, d –элементы и f – элементы. Каждый период начинается с заполнения s – подуровня соответствующего нового квантового уровня и заканчивается заполнением p – подуровня этого же уровня. Все s и d – элементы являются металлами, p – элементы могут проявлять как металлические, так и неметаллические свойства. Граница между металлами и неметаллами пролегает по диагонали от В через Si, As, Te к At. Металлические свойства проявляются в способности атомов элемента легко отдавать электроны (восстановительные свойства), а неметаллические – присоединять электроны (окислительные свойства).

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева: Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов. Химические свойства элементов определяются структурой электронных оболочек, а именно, - количеством неспаренных электронов.

Атомы могут соединяться друг с другом, образуя простые и сложные вещества. Простые вещества состоят из атомов одного сорта: Н₂, Не, О₂, О₃, N₂, Cl₂ и др. Сложные вещества состоят из атомов различных сортов: Н₂О, С₂Н₅ОН, Н₂SO₄ и др. Из большого количества различных классов неорганических соединений выделяются по своему значению оксиды – соединения элемента с кислородом (Na₂O, CaO, Al₂O_3, CO_2, SO_3, NO₂), гидроксиды – продукты взаимодействия основных оксидов с водой (NaOH, Ca(OH)₂) кислоты, многие из которых являются продуктами взаимодействия кислотных оксидов с водой (H₂CO₃, H₂SO₄) Cуществуют бескислородные кислоты – НС1, Н₂S, HCN и др. Cоли – их можно представить как продукты взаимодействия кислоты и гидроксида. (NaCl, CaSO₄, Al(NO₃)₃)

Свойства веществ определяются их строением и видами связей, которыми атомы и молекулы связаны между собой.

Существует 3 типа химических связей – ионная, ковалентная и металлическая. Ковалентная связь заключается в образовании общих электронных пар атомов, ионная – в переходе валентных электронов от одного атома к другому и образованию разноимённо-заряженных ионов, между которыми возникает электростатическое поле притяжения. Металлическую связь можно рассматривать как разновидность ковалентной связи с тем отличием, что общая пара электронов делокализована, т.е. не имеет постоянного места. Этим объясняется электропроводность, теплопроводность, ковкость, пластичность металлов.

Эти 3 типа химических связей являются идеализированными представлениями о химическом связывании. В действительности реализуется некоторое промежуточное состояние и когда говорят, например, что какое-либо вещество является ковалентным, то подразумевают, что в химической связи вклад ковалентности преобладает.

Ковалентная связь, в отличие от ионнной, имеет направление и обладает свойством насыщения. Под насыщенностью подразумевается способность образовывать только столько связей, сколько имеется в атоме неспаренных электронов Ковалентная связь между атомами А и Б расположена в направлении максимальной электронной плотности, образуемой общей парой электронов. Направленность ковалентной связи обусловливает форму молекул.

Ионная связь не направлена и не насыщена.

Металлическая связь из-за делокализации электронов не имеет постоянного направления, (направление связи беспрерывно изменяется), в результате чего в веществах с металлической связью имеются относительно свободные электроны и возможно протекание электрического тока.

Прочность ковалентных химических связей достаточно велика. Так, прочность связи в молекуле водорода составляет 436 кДж/моль, связь Н – СН₃ – 435 кДж/моль, связь СН₃-СН₃ - 368 кДж/моль, связь СН₃-С₆Н₅ – 389 кДж/моль, связь Si-О – 432 кДж/моль.

Ковалентные связи могут быть полярными и неполярными. Связь полярна, если она образуется между атомами с различной электроотрицательностью. Если в молекуле имеются полярные ковалентные связи и молекула не симметрична, то она будет полярной. Мерой её полярности является электрический момент диполя . Момент диполя  есть вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному и равный произведению заряда q и расстояния L между зарядами  = q L. Размерность – Дебай D. 1D = 3,3310^-30 Клм. Наиболее полярные связи – ионные. Например, в КВr дипольный момент равен 10 D. Ковалентные связи менее полярны,  = 0,5  4 D.

Важную роль играют более слабые (4 – 40 кДж/моль) силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Всего этих сил три: ориентационные, индукционные и дисперсионные. Ещё существует один вид межмолекулярного взаимодействия – водородная связь. Эти связи существенны в жидкостях, в аморфных веществах, в биологических структурах. Особенно прочны межмолекулярные водородные связи, например, между атомами Н и О в воде, Н и N в аммиаке. Межмолекулярные связи обусловливают склеивание и прилипание.

Вопросы для самопроверки.

1. Что является единицей атомной массы?
   
2. Каков физический смысл квантовых чисел?
   
3. Как происходит заполнение электронами атомных орбиталей?
   
4. Какова связь квантово-механических представлений о строении атома и структуры Периодической системы элементов Д.И.Менделеева?
   
5. Чем отличаются простые вещества от сложных?
   
6. Какие классы неорганических веществ Вам известны?
   
7. Чем отличается ковалентная связь от ионной, от металлической?
   
8. Какова роль сил межмолекулярного взаимодействия в формировании свойств веществ?
   

Тема 2. Энергетика химических процессов. Энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и направление химических реакций. Химическое равновесие. Химическая кинетика. Скорость химических реакций, влияние концентрации реагентов и температуры. Энергия активации. Механизм реакций. Катализ.