Атомно-молекулярное учение. Основные понятия и законы химии

Содержание

 

 

Тема I. Атомно-молекулярное учение. Основные понятия и законы химии

 

0. Запишите уравнение Клапейрона-Менделеева и объясните его суть. Укажите единицы всех величин, входящих в это уравнение.

 

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.

Уравнение Клапейрона-Менделеева - это зависимость между параметрами идеального газа (давлением p, объёмом V и абсолютной температурой Т), определяющими его состояние.

Уравнением Менделеева–Клапейрона имеет вид:

pV = mRT/M,

где р – давление (например. в атм ), V – объем (л), m – масса (г), М – молярная масса (г/моль), R – универсальная газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K), Т – температура (К).

Физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что она показывает, какую работу совершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании на 1 К (R = 8,31 ДжДмоль • К)).

Уравнение Менделеева–Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный.

Изопроцессом называют процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре – температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.

Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля–Мариотта:

pV = const.

Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля:

V = const, p/T = const.

Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид

V/T = const

и называется законом Гей-Люссака. 

 

 

 

а) Из оксида неизвестного металла массой 6,50 г был получен металл массой 4,45 г. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида, определите неизвестный металл.

Дано:

m(оксида) = 6,50 г

m(металла) = 4,45 г

---------------------------

Мэкв(металла) =?

Мэкв(оксида) = ?

Решение

m(кислорода) = m(оксида) - m(металла)

m(кислорода) = 6,50 – 4,45 – 2,05 г

согласно закону эквивалентов:

Мэкв(металла) = Мэкв(кислорода) ∙ m(металла) / m(кислорода)

Мэкв(металла) = 8∙4,45/2,05 = 17,36 г/моль∙экв

Мэкв(оксида) = Мэкв(металла) + Мэкв(кислорода)

Мэкв(оксида) = 17,36 + 8 = 25,36 г/моль∙экв

Неизвестный металл – хром.

Ответ: молярная масса эквивалентов металла равна 17,36 г/моль∙экв, молярная масса эквивалентов оксида – 25,35 г/моль∙экв.

 

 

б) Напишите формулы следующих веществ: дигидрофосфат марганца (III), хромат серебра, фосфат дигидроксожелеза (III), азотистая кислота; сульфит аммония.

 

дигидрофосфат марганца (III) – Mn(H2PO4)3

 хромат серебра – Ag2CrO4

фосфат дигидроксожелеза (III) - [Fe(OH)2]3PO4

 азотистая кислота – HNO2

сульфит аммония - (NH4)2SO3

 

 

 

Тема II. Строение атомов. Периодический закон и периодическая система химических элементов

 

0. Что такое  относительная электроотрицательность атома? Какую способность атомов она характеризует? Как изменяется эта характеристика по периодам и группам таблицы периодической системы по мере увеличения атомных номеров элементов?

 

Электроотрицательность – это мера способности атома в веществе притягивать к себе электроны, связывающие этот атом с другими атомами.

Электроотрицательность характеризует способность атома к поляризации химических связей.

Относительная электроотрицательность в периоде растет с увеличением номера элемента, в группе, наоборот, уменьшается. Фтор является "чемпионом" электроотрицательности, менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов Li, Na, Mg и т.д.

 

 

а) Как изменяются термическая устойчивость, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства высших оксидов и гидроксидов s- и р-элементов в периодах по мере увеличения атомных номеров? Покажите это на примере элементов 3-го периода и объясните причину такого изменения свойств.

 

Атомы элементов с положительной степенью окисления образуют оксиды и гидроксиды, которые могут проявлять основные, кислотные и амфотерные свойства, закономерно изменяющиеся как внутри периода, так и внутри группы.

В периоде слева направо основные свойства оксидов и гидроксидов постепенно переходят в амфотерные и затем, к концу периода, в кислотные. Каждый период начинается элементами, оксиды и гидроксиды которых обладают ярко выраженными основными свойствами, и заканчивается элементами, гидроксиды которых при максимальной степени окисления центрального атома, являются сильными кислотами. Данная закономерность объясняется различием в полярности связей  Э-О и О-Н в молекуле гидроксида ЭОН. В начале периода заряд ядра атома гидроксообразующего элемента небольшой, электроотрицательность его невелика, а значит связь Э-О более полярна, чем связь О-Н. Чем более полярна связь, тем легче она разрывается (ионизируется). Следовательно, молекулы гидроксидов ЭОН будут проявлять основные свойства.

В периоде слева направо заряд ядра атома гидроксообразующего элемента увеличивается, радиус уменьшается, электроотрицательность возрастает, значит, связь О-Н будет более полярна, чем связь Э-О. Следовательно, молекулы гидроксидов ЭОН будут проявлять кислотные свойства.

 У амфотерных гидроксидов  связи Э-О и О-Н сравнимы по прочности, следовательно, они могут проявлять и основные, и кислотные свойства.

Например, для элементов третьего периода химический характер оксидов и гидроксидов изменяется следующим образом:

Na2O      MgO        Al2O3           SiO2        P2O5       SO3        Cl2O7

NaOH   Mg(OH)2   Al(OH)3     H4SiO4     H3PO4     H2SO4     HClO4

                               H3AlO3

 

Основной               амфотерный                кислотный

               Усиление основных свойств

               Усиление кислотных свойств

               Усиление окислительных свойств

                Усиление восстановительных свойств

 

Тема III. Химическая связь и строение веществ

 

0. Дайте определение водородной связи. Каков механизм ее образования? Чем эта связь схожа с ковалентной связью и чем отличается от нее? Как влияет наличие водородных связей между молекулами на физические свойства веществ? Приведите примеры. В каких природных объектах присутствует водородная связь?

 

Водородная связь – это невалентное взаимодействие между группой АН одной молекулы (RAH) и атомом В другой (BR). В результате этого взаимодействия образуется устойчивый комплекс RAH...BR с межмолекулярной водородной связью, в котором атом водорода играет роль мостика, соединяющего фрагменты RA и BR.

Bодородная связь возникает  между электроотрицательными атомами А и В, главным образом, О, N, F, реже Cl, S и некоторыми другими. 

Одним из признаков водородной связи может служить расстояние между атомами Н и В во фрагменте А—Н...В. Если оно меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов атомов Н и В, то с большой вероятностью связь Н... В можно считать водородной. Если группа АН и атом В входят в состав одной и той же молекулы и расстояние между Н и В удовлетворяет тому же условию, то между ними возникает внутримолекулярная водородная связь, которая стабилизирует соответствующую конформацию молекулы.

Типичные водородные связи возникают между молекулами RAH и BR, если они полярны. В соответствии с этим их взаимное притяжение, завершающееся образованием комплекса, обязано гл. обр. электростатическим силам. При этом протон слегка смещается в направлении к В; однако его равновесное расстояние от А, как правило, оказывается много короче расстояния до В. Тем не менее молекулу RAH условно называется донором, a BR - акцептером протона. Если в комплексе RAH...BR происходит сильный сдвиг протона от А к В, завершающийся образованием ионов RA" и (HBR)+, то молекулы RAH и BR являются истинными донором и акцептором протона соответственно.

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак.

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры).

С наличием водородных связан ряд особенностей вещества. Этим обусловлены кристаллические структуры многих молекулярных кристаллов (лед, спирты, борная кислота и др.), а также структуры белков, нуклеиновых кислот и др. биологически важных соединения. Ассоциация молекул обусловливает высокие значения температур плавления и кипения, хорошую растворимость в воде, спиртах, амидах, высокую диэлектрическую проницаемость (напр., синильной кислоты, формамида), особенности спектральных характеристик. 

 

 

а) Сколько σ- и π-связей имеется в молекуле каждого из веществ:

P4,  SF6,  C2H2,  POCl3,  HNO3,   SO2Cl2 ?

 

P4 - 3ϭ-связи, молекулярная кристаллическая решетка

SF6 - 6ϭ-связей

C2H2 - 3ϭ-связи и 2π-связи

POCl3 - 4ϭ-связей и 1π-связь

 HNO3 - 4ϭ-связей и 1/2π-связь

 SO2Cl2 - 4ϭ-связей и 2π-связь

 

Тема IV. Основы химической кинетики

 

0. Напишите математическое выражение для константы равновесия процесса:

Sn4+(р-р) + 2Fe2+(р-р) ↔ Sn2+(р-р) + 2Fe3+(р-р).

 

Наименьшее общее кратное m для электронов данной реакции равно 2

Выражение для константы равновесия окислительно-восстановительной реакции будет иметь вид:

                m∙ΔЕ0      2∙ΔЕ0

lgК0равн = ---------- = ---------

                0,059        0,059

Если lgК0равн >0, то реакция может самопроизвольно протекать в прямом направлении.

 

 

а) При 1000 °С константа равновесия реакции

FеО (к)  + СО (г) ↔ Fе (к) + СО2 (г)

равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации СО и СО2, если их начальные концентрации были равны, соответственно, 0,05 и 0,01 моль/дм3.

Дано:

Снач(СО) = 0,05 моль/дм3

Снач(СО2) = 0,01 моль/дм3

Кравн = 0,5

-----------------------------------

Сравн(СО) =?

Сравн(СО2) =?

Решение

FеО (к)  + СО (г) ↔ Fе (к) + СО2 (г)

             [CO2]

Кравн = ------------

              [CO]

Пусть до установления равновесия в системе прореагировало х моль/дм3 СО, тогда равновесные концентрации:

Сравн(СО) = 0,05-х

Сравн(СО2) =0,01+х

Подставим полученные значения в выражение константы равновесия:

0,01+х = 0,5(0,05-х)

0,01+х = 0,025-0,5х

1,5х = 0,015

х = 0,01

Сравн(СО) = 0,05-х = 0,05-0,01 = 0,04 моль/дм3

Сравн(СО2) =0,01+х = 0,01 + 0,01 = 0,02 моль/дм3

Ответ: равновесная концентрация СО равна 0,04 моль/дм3, СО2 равна 0,02 моль/дм3.

 

 

 

 

 

 

Тема V. Основы химической термодинамики

 

0. Не проводя расчетов, определите знак изменения энтропии в ходе следующих процессов: а) плавление льда; б) испарение спирта; в) растворение серы в бензоле; г) конденсация паров ацетона; д) полимеризация этилена; е) превращение графита в алмаз; ж) расширение газа при выпускании его из баллона.

 

А) плавление льда – увеличение движения частиц, значит, энтропия растет;

Б) испарение спирта – увеличение движения частиц, значит, энтропия растет;

В) растворение серы в бензоле – увеличение движения частиц, значит, энтропия увеличивается;

Г) конденсация паров ацетона – упорядоченность системы, значит, энтропия уменьшается;

Д) полимеризация этилена – упорядоченность системы, значит, энтропия уменьшается;

Е) превращение графита в алмаз – упрочнение связей, значит, энтропия уменьшается;

Ж) расширение газа при пропускании его из баллона – расширение газа, значит, энтропия растет.

 

 

а) Вычислите стандартное изменение энергии Гиббса реакции:

4Fe(OH)2 (к) + O2 (г) + 2H2O (ж) → 4Fe(OH)3 (к).

 

Решение

При стандартных условиях и T=298К  ΔGo298  можно рассчитать как разность суммарной энергии Гиббса образования продуктов реакции и суммарной энергии Гиббса образования исходных веществ. Необходимые справочные данные: 

ΔG0f(H2O,ж) = -237 кДж/моль

ΔG0f(Fe(OH)2,к) = - 487,1 кДж/моль

ΔG0f(О2, г) =0

ΔG0f(Fe(OH)3,к) = - 697,6 кДж/моль

ΔG0298 = 4∙ ΔG0f(Fe(OH)3,к) – [4∙ ΔG0f(Fe(OH)2,к) + 2∙ ΔG0f(H2O,ж)]

ΔG0298 = 4∙(-697,6) – [4∙(-487,1) + 2∙(-237)] = - 368 кДж/моль

Значение ΔGo298  отрицательно, поэтому самопроизвольное протекание реакции возможно.

Ответ: стандартное изменение энергии Гиббса реакции -368кДж/моль

 

Тема VI. Растворы. Способы выражения количественного состава растворов

 

0. Что представляют собой сольваты, гидраты и кристаллогидраты? Приведите примеры.

 

Сольваты - продукты присоединения растворителя к растворенным веществам. 

Сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя.

Гидраты – частный случай сольватов, где в качестве растворителя служит вода.

Например, Na2О + H2О  → Na2O∙H2О  → 2NaOH

Кристаллогидраты - кристаллы, содержащие молекулы воды и образующиеся, если в кристаллической решётке катионы образуют более прочную связь с молекулами воды, чем связь между катионами и анионами в кристалле безводной соли.