Вопрос 1

1.1 Химия — наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях. В зависимости от атомарной природы изучаемого вещества, типов химических связей между атомами различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, образованных посредством химических связей углерода с углеродом. Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать студентам современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических законов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, предоставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдельных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности.

Химическая отрасль — одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и элек­тронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффективности существующих производств.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняет все его свойства. Молекула - наименьшая частица индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию. Количество вещ. - это число структурных элементов в системе.

Материя в химии представляется в виде атомов, атомных ядер и электронов, обладающих свойством образования между собой химических связей при соединении в молекулы.

1.2 Поле и вещество

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограниченно. Под веществом подразумевают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств.

Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно

10-36 – 10-40 объема), т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в пространстве. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно четкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

1.3.1 Молекулярные вещества

Молекулярные вещества - это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются молекулы

Молекулы - наименьшая частица молекулярного вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.

Молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Например: Вода - жидкость, tпл=0°С; tкип=100°С

1.3.2 Немолекулярные вещества

Немолекулярные вещества - это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются атомы или ионы

Ион - это атом или группа атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом Например: Na+, Cl-.Немолекулярные вещества находятся в стандартных условиях в твердом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и кипения. Например: Поваренная соль - твердое вещество, tпл=801°С; tкип=1465°С; Железо

47. Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохожденииэлектрического тока через раствор, либо расплав электролита.

•Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.

•Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Законы Фарадея можно записать в виде следующей формулы:

где:

• m — масса осаждённого на электроде вещества в граммах

• Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество

• F = 96 485,33(83) Кл•моль−1 — постоянная Фарадея

• M — молярная масса вещества (Например, молярная масса воды H2O = 18 г/моль)

• z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).

Заметим, что M/z — это эквивалентная масса осаждённого вещества.

Для первого закона Фарадея M, F и z являются константами, так что чем больше величина Q, тем больше будет величина m.

Для второго закона Фарадея Q, F и z являются константами, так что чем больше величина M/z (эквивалентная масса), тем больше будет величина m.

В простейшем случае постоянного тока электролиза приводит к:

и тогда

где:

• n — выделенное количество вещества («количество молей»): n = m/M

• t — время действия постоянного тока.

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд Q тока I( ) суммируется за время T:

Здесь t — полное время электролиза. Обратите внимание, что тау используется в качестве переменной, ток I является функцией от тау

Электролиз расплавов электролитов

Электролиз расплава хлорида натрия.

В расплаве хлорид натрия диссоциирует на ионы:

NaCl ? Na+ + Cl–

Если через расплав хлорида натрия пропустить постоянный электрический ток, то на электродах начнут протекать процессы электрохимического восстановления и окисления.

На катоде (–) катионы натрия Na+ будут восстанавливаться до металлического натрия:

2Na+ + 2e– ? 2Na0

На аноде (+) хлорид-ионы Cl– будут окисляться до газообразного хлора:

2Cl– – 2e– ? Cl20

Электролиз расплава гидроксида калия.

В расплаве гидроксид калия диссоциирует на ионы:

KOH ? K+ + OH–

При пропускании постоянного электрического тока протекают следующие процессы:

на катоде (–) восстанавливаются катионы калия K+ до металлического калия:

2K+ + 2e– ? 2K0

На аноде (+) окисляются гидроксид-ионы OH–:

4OH– – 4e– ? O20 + 2H2O

В результате анодного окисления гидроксид-ионов OH– образуется газообразный кислород и пары воды. Вода в жидком состоянии образоваться в данном случае не может, т. к. процесс проводят в расплаве KOH, а температура его плавления 404 °С. Для того, чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, необходимо умножить строчку с уравнением катодного процесса на два.

32.

Диспе́рсная систе́ма — это образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т. д.).

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

Истинный (молекулярный) раствор - это разновидность раствора в котором размеры частиц растворенного вещества предельно малы и сопоставимы с размером частиц растворителя.

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более составных частей.

Всякий раствор состоит из дисперсной фазы, или растворенных веществ и дисперсионной (непрерывной) фазы, или растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде частиц, молекул или ионов.

Растворяемые вещества, в зависимости от их способности проходить через частично проницаемую (полупроницаемую, пергаментную) мембрану, разделяют на два типа: кристаллоиды и коллоиды.

Свойства любого водного раствора зависят от размера частиц растворенного вещества и от их реакции на действие силы тяжести. По этим признакам различают три типа растворов: истинные растворы, коллоидные растворы и суспензии или эмульсии.

В истинных растворах размеры частиц растворенного вещества малы. Они сравнимы с размерами молекул растворителя (воды). Истинный раствор является гомогенной (однородной) системой, практически состоящей из одной фазы. Частицы истинного раствора не разделяются под действием силы тяжести. Истинными растворами организма являются, например, растворы солей, моносахаридов.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным. Насыщенные растворы существуют и применяются сравнительно редко. В большинстве случаев существуют и пользуются ненасыщенные растворы, содержащие меньше растворенного вещества,. При этом растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, с высоким - концентрированными.

Состав раствора, содержание в нем растворенных веществ может выражаться как с помощью безразмерных единиц (долей или процентов), так и через размерные величины - концентрации. Наиболее употребительны следующие величины, выражающие содержание растворенного вещества: массовая доля, молярная доля, молярная концентрация, эквивалентная, или нормальная концентрация.

№ 30

Катализатор – это вещество, увеличивающее количество активных частиц в системе. Они не расходуются в результате реакции, только влияют на ее скорость. Положительные-ускоряют реакцию, ингибиторы-замедляют. В присутствии катализатора возникают активные комплексы, для их образования требуется меньше энергии.

Катализ — избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора (ов) .

Различают два вида катализа - гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему - газовую или жидкую, между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Например, каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии раствора солей (жидкая фаза) . Для гомогенного катализа установлено, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор - твердое вещество, а реагирующие вещества - газы или жидкости. Примерами могут служить окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза) или разложение пероксида водорода (жидкая фаза) в присутствии угля или оксида марганца (IV) (твердая фаза) . Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит и от свойств его поверхности (размера, химического состава, строения и состояния).

№29

правило Вант-Гоффа:при изменении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства химических реакций изменяется в 2–4 раза.

Математическое выражение правила Вант-Гоффа:

,

где и – скорости химических реакций при температурах Т1 и Т2;

 – температурный коэффициент (коэффициент Вант-Гоффа), определяется экспериментально.

Объяснение зависимости скорости реакции от температуры было дано С.Аррениусом. Возрастание скорости реакции с ростом температуры обусловлено увеличением числа активных молекул. Дело в том, что далеко не всякое столкновение молекул сопровождается образованием продукта (если бы это было так, то все реакции в газовой фазе или растворах протекали бы мгновенно). Результативным будет столкновение не всех, а только тех молекул, которые в момент столкновения обладают повышенной энергией. Такие молекулы называются активными. Можно сказать, чтоактивными называют молекулы, энергия которых достаточна для того, чтобы столкновение между ними привело к образованию продукта (в реальной химической системе таких молекул сравнительно мало).

Разность между запасом энергии активных молекул и средней энергией молекул в системе реагирующих веществ называется энергией активации. Таким образом, энергия активации — это энергия, которую нужно сообщить реагирующим частицам для того, чтобы они стали активными и их столкновение привело к химической реакции.

С.Аррениус рассчитал долю активных (т.е. приводящих к реакции) соударений реагирующих частиц a, зависящую от температуры: - a = exp(-E/RT). и вывел уравнение Аррениуса для константы скорости реакции: , где k - константа скорости реакции; A - константа, не зависящая от температуры и концентрации; - основание натурального логарифма; Еa - энергия активации, Дж/моль; Т - температура, К; R - газовая постоянная, 8,31 Дж/моль×К.

№ 28

Скорость химической реакции – это изменение количества реагирующего вещества или продукта реакции за единицу времени в единице объема (для гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

Гомогенной называется реакция, протекающая в однородной среде (в одной фазе). Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, например твердой и жидкой, твердой и газообразной. Отношение количества вещества к единице объема называется концентрацией с, моль/л.

Различают среднюю и мгновенную скорости реакции. Средняя скорость реакции равна:

где с2и с1 – концентрации исходного вещества в момент времени t2 и t1.

Знак минус означает, что концентрация исходного вещества уменьшается. В ходе реакции изменяются концентрации реагирующих веществ и соответственно скорость реакции. Скорость реакции в данный момент времени или, мгновенная (истинная) скорость реакции, равна:

Скорость реакции имеет единицу измерения [моль м-3 с-1], [моль л-1с-1].

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ.

Закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

,

где k – константа скорости реакции, не зависит от концентрации веществ, но зависит от их природы и температуры; b и d –порядки реакции, установленные опытным путем (для простых реакций совпадают со стехиометрическими коэффициентами в уравнении), сА и сВ – концентрации реагентов.

Закон действующих масс справедлив лишь для наиболее простых по своему механизму реакций, протекающих в газах или растворах. Сложные реакции можно представить как совокупность простых процессов, протекающих последовательно или параллельно. Закон действующих масс справедлив для каждой отдельной стадии реакции, но не для всего взаимодействия в целом.

В некоторых случаях из-за трудностей измерения поверхностной концентрации используют объемную концентрацию (моль/л). Например, скорость реакции Si(к) + О2(г) = SiО2(к) рассчитывают по уравнению

,

где v – скорость реакции, моль/(л с);

k – константа скорости, 1/с;

с(О2) – концентрация О2 в газообразной фазе над реакционной поверхностью, моль/л.

Измерение скорости гетерогенных реакций в моль/(л с) приводит к тому, что скорость становится функцией площади реакционной поверхности, так как чем больше эта площадь, тем больше число столкновений молекул реагирующих веществ, находящихся в разных фазах гетерогенной системы. Число столкновений на единице поверхности раздела фаз постоянно и применительно к гетерогенным процессам по закону действующих масс скорость не зависит от площади поверхности раздела фаз, так же как скорость гомогенной реакции не зависит от объема системы.

БИЛЕТ №:6

Эквивалент – это реальная или условная частица, которая в кислотно-основных реакциях присоединяет (или отдает) один ион Н+ или ОН–, в окислительно-восстановительных реакциях принимает (или отдает) один электрон, реагирует с одним атомом водорода или с одним эквивалентом другого вещества. Например, рассмотрим следующую реакцию:

H3PO4 + 2KOH ® K2HPO4 + 2H2O.

В ходе этой реакции только два атома водорода замещаются на атомы калия, иначе, в реакцию вступают два иона Н+ (кислота проявляет основность 2). Тогда по определению эквивалентом H3PO4 будет являться условная частица 1/2H3PO4, т.к. если одна молекула H3PO4 предоставляет два иона Н+, то один ион Н+ дает половина молекулы H3PO4.

С другой стороны, на реакцию с одной молекулой ортофосфорной кислотой щелочь отдает два иона ОН–, следовательно, один ион ОН– потребуется на взаимодействие с 1/2 молекулы кислоты. Эквивалентом кислоты является условная частица 1/2Н3РО4, а эквивалентом щелочи частица КОН.

Число, показывающее, какая часть молекулы или другой частицы вещества соответствует эквиваленту, называется фактором эквивалентности (fЭ). Фактор эквивалентности – это безразмерная величина, которая меньше, либо равна 1.

Таким образом, сочетая фактор эквивалентности и формульную единицу вещества, можно составить формулу эквивалента какой-либо частицы, где фактор эквивалентности записывается как химический коэффициент перед формулой частицы:

fЭ (формульная единица вещества) º эквивалент

В примере, рассмотренном выше, фактор эквивалентности для кислоты, соответственно, равен 1/2, а для щелочи КОН равен 1.

Между H3PO4 и КОН также могут происходить и другие реакции. При этом кислота будет иметь разные значения фактора эквивалентности:

H3PO4 + 3KOH ® K3PO4 + 3H2O fЭ(H3PO4) = 1/3

H3PO4 + KOH ® KН2PO4 + H2O fЭ(H3PO4) = 1.

Следует учитывать, что эквивалент одного и того же вещества может меняться в зависимости от того, в какую реакцию оно вступает. Эквивалент элемента также может быть различным в зависимости от вида соединения, в состав которого он входит. Эквивалентом может являться как сама молекула или какая-либо другая формульная единица вещества, так и ее часть.