Общая химия: основы химической термодинамики и кинетики. Теория и упражнения
Покупка
Издательство:
Издательство Уральского университета
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7996-2153-7
Артикул: 800155.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебно-методическом пособии рассмотрены основные законы и понятия общей химии, химической термодинамики и кинетики. Представлены примеры и задачи разного уровня сложности с подробным решением. Приведены упражнения для самостоятельной работы. Для студентов, изучающих общую химию, овладевающих навыками применения теоретических представлений и законов химии для решения практических задач.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.02: Прикладная математика и информатика
- 04.03.01: Химия
- 05.03.04: Гидрометеорология
- 27.03.05: Инноватика
- 28.03.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- ВО - Специалитет
- 04.05.01: Фундаментальная и прикладная химия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА Д. С. Цветков Т. В. Аксенова ОБЩАЯ ХИМИЯ: ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И КИНЕТИКИ Теория и упражнения Учебно-методическое пособие Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по программам бакалавриата и специалитета по направлениям подготовки 03.03.02 «Физика», 05.03.04 «Гидрометеорология», 27.03.05 «Инноватика», 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», 04.03.01 «Химия», 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия» Екатеринбург Издательство Уральского университета 2017
УДК 544.3/.4(076.5) ББК 24.5я73.5 Ц27 Р е ц е н з е н т ы: кафедра химии Уральского государственного лесотехнического университета (заведующий кафедрой кандидат химических наук, доцент Е. Ю. Серова); Н. В. Проскурнина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Цветков, Д. С. Ц27 Общая химия: основы химической термодинамики и кинетики : Теория и упражнения : учеб.-метод. пособие / Д. С. Цветков, Т. В. Аксенова ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 120 с. ISBN 978-5-7996-2153-7 В учебно-методическом пособии рассмотрены основные законы и понятия общей химии, химической термодинамики и кинетики. Представлены примеры и задачи разного уровня сложности с подробным решением. Приведены упражнения для самостоятельной работы. Для студентов, изучающих общую химию, овладевающих навыками применения теоретических представлений и законов химии для решения практических задач. УДК 544.3/.4(076.5) ББК 24.5я73.5 © Уральский федеральный университет, 2017 ISBN 978-5-7996-2153-7
ОГЛАВЛЕНИЕ От авторов ...................................................................................................................4 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ ..........................................................5 1.1. Основные понятия и определения.................................................................5 1.2. Законы стехиометрии .....................................................................................7 1.3. Химические процессы и способы их описания. Типы химической связи .................................................................................9 1.3.1. Реакции без изменения степени окисления элементов .................. 11 1.3.2. Реакции с изменением степени окисления элементов ....................12 Решение задач ...............................................................................................12 Задачи для самоконтроля .............................................................................14 2. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА ............................................................15 2.1. Первый закон термодинамики и его применение к простейшим процессам ..............................................15 Решение задач ...............................................................................................20 Задачи для самоконтроля .............................................................................28 2.2. Термохимия. Закон Гесса .............................................................................30 Решение задач ...............................................................................................36 Задачи для самоконтроля .............................................................................44 2.3. Второй закон термодинамики и его применение к простейшим процессам ..............................................46 Решение задач ...............................................................................................51 Задачи для самоконтроля .............................................................................59 2.4. Критерии направленности самопроизвольных процессов в открытых системах ....................................................................................61 Решение задач ...............................................................................................68 Задачи для самоконтроля .............................................................................71 2.5. Химическое равновесие ...............................................................................73 Решение задач ...............................................................................................79 Задачи для самоконтроля .............................................................................86 3. РАСТВОРЫ ...........................................................................................................88 Решение задач ...............................................................................................97 Задачи для самоконтроля ...........................................................................104 4. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ....................................................106 Решение задач ............................................................................................. 110 Задачи для самоконтроля ........................................................................... 114 Приложение. Термодинамические данные для некоторых веществ ............ 116 Список рекомендуемой литературы ................................................................... 119
ОТ АВТОРОВ Предлагаемое учебно-методическое пособие представляет собой краткий курс по основам химической термодинамики и кинетики. Материал пособия распределен по четырем разделам, каждый из которых начинается с изложения теории, за которой следуют примеры решения задач и упражнения для самостоятель- ного решения. Главной целью пособия является демонстрация будущим исследователям и инженерам применения теоретических знаний для решения задач различной степени сложности. Выпол- нение упражнений и решение расчетных задач — это обязательная составляющая образовательного процесса, которая способствует лучшему усвоению материала, стимулирует самостоятельную работу, а также развивает навыки использования теоретических сведений на практике. Всего в книге содержится около 130 задач и упражнений. Ко всем расчетным задачам даны ответы. В прило- жении приведены термодинамические данные, необходимые для выполнения упражнений. Пособие позволит студентам, обучающимся по нехимическим направлениям, систематизировать свои знания в области общей химии, химической термодинамики и кинетики.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ 1.1. Основные понятия и определения Химия — это наука о свойствах вещества и его превраще- ниях; она включает законы и принципы, описывающие эти прев- ращения, а также представления и теории, позволяющие дать им объяснения. По объектам исследования выделяют следующие фундамен- тальные разделы химии: органическая химия, неорганическая химия, геохимия, химия высокомолекулярных соединений, биохи- мия, аналитическая химия и физическая химия. Химический элемент — это вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств. У всех атомов данного вида эти свойства одинаковы и отличаются от свойств атомов дру- гих элементов. Соединение одинаковых атомов дает простое вещество, которое является формой существования элемента в свободном состоянии. При сочетании разных атомов образуются сложные вещества. Атом — мельчайшая химически неделимая частица вещества. Молекула — мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Масса атомов и молекул измеряется в атомных единицах массы, а. е. м. 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода 12С. Кроме того, используются относительные атомные массы эле- ментов, которые представляют собой отношение массы атома дан- ного элемента к 1/12 массы атома 12С. Сумма атомных масс атомов, образующих молекулу, состав- ляет молекулярную массу. Количество вещества в химии очень часто измеряется в молях. 1 моль вещества — это такое его количество, которое содержит столько же частиц (атомов, молекул, ионов и др.), сколько атомов содержится в 12 г углерода 12С.
Число частиц в 1 моле любого вещества — величина посто- янная, равная NA = 6,02 · 1023 моль−1 и называемая постоянной Авогадро. Формула химического соединения — это условная запись количественного и качественного состава химического соеди- нения с помощью символов химических элементов и стехиоме- трических индексов. Например, если элементы А и В образуют соединение А2В3 (молекулярного строения), то это означает, что 2 атома А соединяются в молекуле с 3 атомами В. В то же самое время, поскольку 1 моль любого элемента содержит одинаковое число частиц, также формула означает, что при образовании соеди- нения А2В3 2 моля простого вещества А соединяются с 3 молями простого вещества В. Химические вещества имеют молекулярное или немоле- кулярное строение. Вещества молекулярного строения состоят из отдельных молекул, и их формулы указывают число атомов раз- ного сорта в молекуле. Например, молекула СО2 имеет измеримую массу; она существует как отдельная частица в газовом, жидком и твердом состояниях. Вещества немолекулярного строения состоят из атомов (атом- ное строение) или ионов (ионное строение). Ион — это атом или группа атомов, представляющих собой единое целое, которые несут электрический заряд. Положительно заряженные ионы называют катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Формулы соединений немолекулярного строения выражают простейшее соотношение между атомами или ионами разных сортов в макроскопическом объеме вещества. В формулах ион- ных соединений принято сначала указывать катион, а затем анион. Соотношение катионов и анионов всегда таково, что указыва- емая формулой группа ионов в целом электрически нейтральна. Например, кристалл поваренной соли NaCl состоит из ионов Na+ и Cl− в соотношении 1 : 1, а кристалл AlF3 состоит из ионов Al3+ и F− в соотношении 1 : 3. Ни в одном из этих ионных соединений нельзя обнаружить молекулы NaCl или AlF3. Химической формуле таких веществ соответствует формульная масса, которая равна
сумме атомных масс всех элементов, входящих в соединение, с учетом числа атомов каждого элемента в формуле. Наряду с молекулярной массой и формульной массой исполь- зуется понятие молярной массы вещества, т. е. массы 1 моля дан- ного вещества. Из всего указанного выше очевидно, что молеку- лярная масса, формульная масса и молярная масса одного и того же вещества численно совпадают. Таким образом, количество молей любого вещества можно рассчитать, зная его массу и молярную массу. Например, моляр- ная масса воды, H2O, равна M = 2 · MH + MO = 2 · 1,008 + 15,999 = = 18,015 г/моль; следовательно, количество вещества в 100 г воды будет, = 100 / 18,015 = 5,551 моль. Способ записи формулы химического соединения в некото- рых случаях позволяет дать дополнительную информацию и о его структуре. Например, формулы сульфатов аммония и алюминия, отражающие их химический состав, могут быть записаны в виде N2H8SO4 и Al2S3O12 соответственно. Однако больше информации о структуре этих соединений позволяет дать другая форма записи: (NH4)2SO4 и Al2(SO4)3. Запись формулы в таком виде означает, что группа атомов в скобках (ионы) ведет себя во многих химических превращениях как единое целое. Еще более важно отражать структуру в записи химической формулы органических соединений. Каждому конкретному соче- танию атомов нескольких сортов в этих случаях может отвечать столько различных соединений, что отражать только химический состав (соотношение элементов) в формуле без соответствующей информации о структуре становится бесполезным. 1.2. Законы стехиометрии К основным законам химии принято относить стехиометри- ческие законы: закон эквивалентов, закон постоянства состава вещества и закон кратных отношений. Стехиометрия — это уче- ние о количественных соотношениях между элементами в веще- ствах и между веществами, вступившими в химическую реакцию.
Закон эквивалентов. Вещества вступают в реакцию в коли- чествах, пропорциональных их химическим эквивалентам: n1 / n2 = Э1 / Э2, где n1 и n2 — количества реагентов, Э1 и Э2 — их эквиваленты. Под эквивалентом понимают условную или реальную частицу, которая в реакциях эквивалентна одному атому водо- рода или электрону. Например, в реакции нейтрализации серной кислоты H2SO4 гидроксидом натрия NaOH с образованием суль- фата натрия Na2SO4: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O эквивалент NaOH равен 1 (на один моль атомов водорода при- ходится один моль NaOH), а эквивалент серной кислоты — ½ (на 2 атома водорода приходится 1 молекула H2SO4). Поэтому, в соответствии с законом эквивалентов nNaOH / = 2 / 1, что и отражено в уравнении реакции. Закон постоянства состава. Состав химических соединений с молекулярной структурой остается постоянным независимо от способа их получения. В противоположность этому состав веществ немолекулярного строения может изменяться в определенных пределах. Такие сое- динения называют нестехиометричными. Закон кратных отношений. Если два каких-либо элемента образуют 2 или большее число соединений, то массовые количе- ства одного из элементов, приходящиеся на одно и то же коли- чество другого элемента, относятся друг к другу как небольшие целые числа. Например, углерод и кислород образуют два сое- динения: CO и CO2. Возьмем по 1 молю каждого соединения и посчитаем соотношение масс кислорода в них. На 12 г углерода в CO приходится 16 г кислорода, а в CO2 — 32 г кислорода. Зна- чит, соотношение масс кислорода, приходящихся на одну и ту же массу углерода (12 г), в этих соединениях составляет 16 : 32, или 1 : 2.
1.3. Химические процессы и способы их описания. Типы химической связи При протекании химических процессов происходит превра- щение одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу и строению. При этом разрушаются старые химические связи и образуются новые. Образование химической связи между двумя (или более) атомами обусловлено перекрыванием их внешних электронных оболочек, в результате чего полная энергия системы уменьшается. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами возникают разные типы химической связи. Упомянем лишь две идеализированные модели химической связи: ковалентную и ионную. Ковалентная связь — тип химической связи между двумя атомами, возникающей при обобществлении валентных электронов, принадлежащих атомам. Образование молекулы водорода H2 — один из наиболее простых примеров возникновения ковалентной связи. Число ковалентных связей, образованных данным атомом, определяет его валентность. Ионная связь возникает при переносе одного или нескольких электронов от одного атома к другому, в результате чего атомы превращаются в ионы. Такой процесс оказывается энергетически выгодным при условии, что атом, отдающий электрон, обладает низким потенциалом ионизации. Атом же, присоединяющий электрон, обладает большим сродством к электрону. Как отмечалось, ковалентные и ионные связи существуют только в предельных, идеализированных случаях. Реальные связи точно соответствуют этим модельным представлениям довольно редко. Правильнее сказать, что при взаимодействии атомов происходит образование такой связи, которая в большей или меньшей степени напоминает ковалентную или ионную в зависимости от того, насколько это позволяет достичь стабилизации, т. е. получить состояние с минимальной возможной энергией.
Для количественной характеристики сдвига электронных пар, образующих химические связи, от одного атома к другому в химическом соединении широко используется условная величина, называемая степенью окисления. Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисляемый из предположения, что оно состоит только из ионов. При расчете степени окисления учитывается, что степень окисления атомов некоторых элементов в соединениях сохраняется всегда одной и той же, например, +1 — водород, щелочные металлы; +2 — щелочноземельные металлы, цинк; +3 — алюминий; −2 — кислород (кроме пероксидов). Химические реакции могут протекать в разных средах. При этом вещества — участники реакции — могут находиться в раз- ных агрегатных состояниях. Если все реагенты находятся в одном агрегатном состоянии, то такие реакции называют гомогенными. Примером гомогенной реакции может служить реакция взаимо- действия газообразных хлора и водорода: H2(г) + Cl2(г) = 2HCl (г). В этом случае важной количественной характеристикой реак- ционной системы является концентрация взаимодействующих компонентов. Концентрация i-го вещества в растворе может выра- жаться различными способами. Наиболее часто используются два вида концентраций: 1) мольно-объемная концентрация (или молярная концентра- ция, молярность) ci — количество молей ni i-го вещества в еди- нице объема V раствора ci = ni / V; размерность моль/л. 2) мольная доля xi — отношение числа молей i-го вещества к сумме чисел молей всех веществ в системе xi = ni / ∑ni, безраз- мерная величина. В гетерогенных реакциях реагенты находятся в разных агре- гатных состояниях. Примером такой реакции может служить восстановление оксида железа (II) газообразным водородом при повышенной температуре: FeO (т) + H2 (г) = Fe (т) + H2O (г).
Химические реакции осуществляются при взаимодействии веществ между собой при внешнем воздействии на них темпе- ратуры, давления, электрических или магнитных полей и т. п. В закрытых системах, обменивающихся с окружающей средой только энергией, но не веществом, химическая реакция завер- шается состоянием равновесия. Задача нахождения направле- ния и конечного (равновесного) состояния реакции (состав, тем- пература, давление и др.) является одной из задач химической термодинамики. Химические реакции описываются при помощи химических уравнений, которые в полном соответствии с законами сохране- ния массы и заряда устанавливают стехиометрические соотноше- ния между реагентами. Все химические реакции можно разбить на следующие группы: 1) реакции, идущие без изменения степени окисления эле- ментов; 2) реакции, идущие с изменением степени окисления эле- ментов. 1.3.1. Реакции без изменения степени окисления элементов Реакции данной группы, протекающие в водных раство- рах, можно рассматривать как реакции между ионами, которые образуются вследствие диссоциации реагентов в воде. При этом такие реакции идут практически до конца, если одним из продук- тов является газ, малорастворимое соединение или плохо диссо- циирующее вещество. Примером таких реакций могут служить следующие: K2S + 2HCl = H2S↑ (г) + 2KCl или в ионном виде: 2K+ + S2− + 2H+ + 2Cl− = H2S↑ (г) + 2K+ + 2Cl−. В сокращенном ионном виде: 2H+ + S2− = H2S↑ (г),
Доступ онлайн
В корзину