Предисловие

Данное учебное пособие составлено в соответствии с ФГОС ВО РФ по направлению подготовки 35.03.06 - Агроинженерия. Материал пособия раскрывает теоретические и практические аспекты дисциплины «Химия».

Химия является важной дисциплиной, изучение которой создает предпосылки для подготовки высококвалифицированных кадров для агропромышленного комплекса Российской Федерации. Особенности содержания курса при его изучении в высшей школе обусловлены спецификой химии как науки и поставленными задачами по формированию у обучающихся общекультурных, общепрофессиональных, профессиональных и профессионально-прикладных компетенций. Основными проблемами химии являются изучение состава и строения веществ, их анализ, получение веществ с заданными свойствами, исследование закономерностей химических реакций и путей управления ими. Немаловажно учтывать и профессиональную направленность курса, а также важность химии для изучения последующих дисциплин специального цикла.

Для студентов заочной формы обучения большую роль в освоении предмета играет самостоятельная работа. В связи с этим данное учебное пособие позволит студентам-заочникам не только успешно справиться с выполнением контрольной работы, но и подготовиться к экзамену.

Первая глава данного пособия включает в себя теоретический материал с учетом современных знаний в области химии. Весь курс разделен на 10 отдельных тем, в каждой из которых рассмотрены способы решения отдельных типовых заданий и задач. Вторая глава пособия включает в себя собственно вопросы и задания для выполнения контрольной работы. Деление на варианты осуществляется по цифрам зачетной книжки студента.

Данное учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов заочной формы обучения при написании контрольной работы, а также может быть использовано ими для подготовки к промежуточной аттестации.

Глава 1. Учебный материал курса и способы решения типовых задач

1. 1. Основные понятия, определения

И законы химии

Химия – это наука о составе, строении, свойствах и превращениях веществ (число известных к настоящему времени веществ более десяти миллионов). Зародилась в древности – 14-11 века до н.э. Однако как наука оформилась к 17в. н.э. Основоположник отечественной химии – М.В. Ломоносов (середина 18в.). В настоящее время развитие продолжается, химия активно проникает в другие науки – особенно физику, биологию и тесно переплетается с ними.

Вокруг нас находятся тела. Изучением тел занимается физика. Каждое тело состоит из вещества – вида материи с определенной массой и химическим составом. Изучением вещества занимается химия. Вещество может быть образовано атомами, молекулами или ионами.

Атом – частица вещества микроскопического размера и очень малой массы (микрочастица), являющаяся носителем свойств вещества. Химический элемент – определённый вид атомов. Химические элементы имеют название и символ – О (кислород, атом кислорода), Н (водород, атом водорода). Все химические элементы, известные на сегодняшний момент, расположены в периодической таблице Д.И. Менделеева. Все химические элементы делятся:

- металлы (Na, Mg);

- неметаллы (S,P);

Известно более 100 химических элементов, большинство из которых металлы.

Атомную структуру имеют С, Na, Cu, Fe

Атомы способны связываться друг с другом и образовывать более сложные микрочастицы – молекулы. Молекулярное строение имеют I₂, H₂, Сl₂.

Ион – атом или группа атомов, имеющая электрический заряд за счет недостатка электронов (катионы – Na⁺) или избытка электронов (анионы – Сl^-). Ионным строением обладает большинство соединений металлов с неметаллами: NaСl, СаО, LiH.

Состав веществ изображается при помощи символов химических элементов и числовых индексов и называется химической формулой. Например: СО₂. Формула передает качественный и количественный состав вещества.

Если вещество состоит из одного химического элемента – простое, из атомов нескольких химических элементов – сложное (химическое соединение).

Среди простых веществ выделяют:

- металлы (Na, Mg);

- неметаллы (S,P);

- амфотерные элементы (амфигены) (Zn, Cr);

- инертные газы (аэрогены) (Xe, He).

Среди сложных веществ выделяют:

- оксиды (NaO), 

- основания (NaOH),

- кислоты (HCl),

- соли (NaCl).

Химическое уравнение – показ химической реакции при помощи химических формул и математических знаков. В химическом уравнении присутствуют коэффициенты, которые указывают на число атомов или молекул.

По типу взаимодействия различают:

1. реакции соединения A + B = AB. Из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2Na + Cl₂ =2NaCl;

2. реакции разложения AB = A + B. Из сложного вещества образуется несколько простых или сложных веществ: СаСО₃=СаО+СО₂;

3. реакции замещенияA + BC =AC + B. Атом простого вещества замещает один из атомов сложного: Fe+CuSO₄= FeSO₄+Cu;

4. реакции обмена AB + CD = AD + CB. Сложные вещества обмениваются своими составными частями: NaOH+HCl=NaCl+Н₂О.

Массы атомов и молекул, из которых построены вещества, очень малы. Поэтому в химии используют не абсолютные, а относительные массы.

Атомная единица массы (а.е.м.) – равна 1/12 части массы атома углерода. Принята в 1961г.

1 а. е. м. = 1,660 54·10⁻²⁷ кг

Относительная атомная масса (Аr) – это отношение абсолютной массы атома элемента к 1 а.е.м. Безразмерная величина. Указана в таблице Д.И. Менделеева. Аr(Fe)=56

Относительная молекулярная масса (Мr) – складывается из суммы относительных атомных масс элементов в молекуле с учетом индексов. Безразмерная величина. Мr(Н₂О)=1^.2+16=18

Атомы и молекулы - частицы чрезвычайно малые, поэтому реагируют не по одной, а порциями.

Моль – это такое количество вещества, которое содержит 6, 02^.10^-23 структурных единиц (атомов, молекул, ионов). Моль – единица измерения количества вещества (n).

6, 02^.10^-23 – число Авогадро

6, 02^.10^-23 моль^-1 – постоянная Авогадро (N_A)

Число структурных элементов вещества (N) равно произведению количества вещества на постоянную Авогадро:

N= n^. N_A

Количество любого вещества в 1моль всегда содержит 6, 02^.10^-23 структурных единиц, но различается массой. Молярная масса (М) – показывает массу 1 моль вещества и численно равна отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

М= m/ n

Молярная масса вещества выражается в г/моль и численно равна относительной атомной или молекулярной массе данного вещества: М (Fe)=56г/моль; М (Н₂О)=1^.2+16=18г/моль.

Для газов используют понятие молярный объем (Vm) – объем 1 моль газа. По следствию из закона Авогадро 1 моль любого газа при нормальных условиях (н.у., Р=1 атм=101,325кПа=760 мм.рт.ст., Т = 273,15 К = 0°С) занимает объем 22,4 литра:

Vм=22,4л/моль

Vм=V/ n

По определению эквивалент вещества (Э) - это такое количество химического вещества, которое реагирует с 1 молем атомов водорода (1 г) или вытесняет такое же количество водорода из его соединений. Молярная масса эквивалента вещества (эквивалентная масса) Мэкв  определяется или экспериментально, или, чаще всего, исходя из химической формулы вещества и его принадлежности к тому или иному классу химических соединений.

Мэкв(элемента)=М/валентность

Мэкв(оксида) = Моксида/(число атомов кислорода·2)

Мэкв(основания) = Моснования/кислотность основания

Мэкв(кислоты) = Мкислоты/основность кислоты

Мэкв(соли) = Мсоли/(число атомов металла·валентность металла)

Например:

Мэкв(Al) = М(Al)/3 = 27/3 = 9 г/моль

Мэкв(Fe₂O₃) = М(Fe₂O₃)/(3·2) = 160/6 = 26,7 г/моль

Мэкв(Ca(OH)₂) = M(Ca(OH)₂)/2 = 74/2 = 37 г/моль

Мэкв(H₂SO₄) = M(H₂SO₄)/2 = 98/2 = 49 г/моль

Мэкв(Al₂(SO₄)₃) = M(Al₂(SO₄)₃)/(2·3) = 342/6 = 57 г/моль

В окислительно-восстановительных реакциях Мэкв окислителей или восстановителей рассчитывают по формуле:

Мэкв = М/n,

где n- число перемещаемых электронов.

Например:

2Н⁺ + 2е → Н₂⁰

Мэкв (Н₂) = М/2 = 2/2 = 1г/моль

Для газообразных веществ вводят понятие эквивалентный объем Vэкв – объем, занимаемый 1 эквивалентом газа при нормальных условиях (н.у.). Если 1 моль Н₂ с массой 2г/моль при н.у. занимает объем 22,4л, то 1 эквивалент Н₂ с массой 1г/моль будет занимать объем 11,2л.

Vэкв(Н₂) = 11,2л/моль

Vэкв(О₂) = 5,6л/моль