Химия учеб посрбие
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Г.К. Лобачева
ХИМИЯ
Учебное пособие
Рекомендовано УМО по образованию в области экологии
и устойчивого развития в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям
«Геоэкология» и «Природопользование»
Волгоград 2004
ÁÁÊ 24ÿ73 Ë68
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой Волгоградского государственного технического университета
В.Ф. Желтобрюхов; д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой Волгоградского
государственного технического университета
О.И. Тужиков
Лобачева Г.К.
Ë68 Химия: Учебное пособие. — Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2004. — 170 с.
ISBN 5-85534-
Учебно-методическое пособие содержит материал, соответствующий требованиям «Стандарта для высших и средних специальных учебных заведений», и способно помочь в обобщении и систематизации основных сведений по общим вопросам химии, в усвоении основных законов химии, при выполнении лабораторного практикума и решении химических задач, а также проверки усвоения полученных знаний методом тестирования.
ÁÁÊ 24ÿ73
ISBN 5-85534-
© Г.К. Лобачева, 2004 © Издательство Волгоградского
государственного университета, 2004
— 2 —
Предисловие
Курс химии в высшей школе находится в настоящее время в стадии перестройки в связи с открытием новых специальностей, таких как «Геоэкология» и «Экономика природопользования».
Углубляется теоретический фундамент дисциплины и одновременно принимаются меры к укреплению связи химии с различными направлениями подготовки (геоэкология, природопользование).
Естественно, что введение новых направлений требует определенных изменений и в постановке лабораторных занятий по химии, а также новых подходов к оценке полученных знаний по дисциплине с помощью тестирования. В связи с этим разработан курс лекций, практических работ и тестов по химии для специальностей «Геоэкология» и «Экономика природопользования».
Âучебно-методическом пособии обобщен многолетний опыт преподавательской работы со студентами высшей школы по преподаванию дисциплины «Химия», «Общая и неорганическая химия» и «Полимеры».
Основное внимание уделено общим вопросам химии: периодическому закону Д.И. Менделеева, строению атома, химической связи и строению молекул, растворам, основным закономерностям протекания химических реакций, окислительно-вос- становительным реакциям, основам электрохимии, основным понятиям органической химии и полимерам.
Âпособии подчеркивается ведущая роль химии как науки о веществе, составляющем основу материального мира.
Данное учебно-методическое пособие предназначено для подготовки геоэкологов и специалистов в области природопользования, и поэтому его особенность состоит в более фундаментальном характере изложения материала, в формировании у студентов общего химического мировоззрения и развитии химического мышления.
Âпрограмме учебной дисциплины определяется объем и уровень общей и специальной подготовки студентов (знания, умения, навыки) в соответствии с уровнем развития современной
—3 —
химии и методики химии с учетом требований философских и психологических знаний.
Программа определяет основные требования по химии. Эти требования не следует считать однозначно установленными для специалиста на протяжении всей его практической деятельности. Со временем объем знаний должен расширяться, а уровень их совершенствоваться в соответствии с развитием химической науки, с возникающими по мере развития нашего общества новыми задачами в области науки. Поэтому одним из основных требований к совершенствованию подготовки должно быть развитие у студента умения анализировать и обобщать практический опыт, приобретать новые знания и умело применять их в процессе практической работы.
Задачи преподавания дисциплины:
а) усвоение студентами основ науки — важнейших фактов, понятий, химических навыков и теории;
б) ознакомление с научными основами химического производства, с применением химии в важнейших отраслях народного хозяйства страны;
в) развитие умений наблюдать и объяснять химические явления, протекающие в природе, лаборатории, производстве и повседневной жизни, пользоваться логическими приемами мышления;
г) формирование умений обращаться с веществами и выполнять несложные химические опыты;
д) развитие любви к науке, пытливости, бережного отношения к природе, умения самостоятельно приобретать и пополнять знания.
Общие практические требования и навыки:
1.Знание правил работы в химической лаборатории, организации рабочего места, техники выполнения отдельных операций.
2.Умение обращаться с основным лабораторным оборудованием, химической посудой, простыми приборами.
3.Знание правил работы с электрическим током, умение обращаться с электрооборудованием химической лаборатории (распределительный щит, лабораторный автотрансформатор, выпрямители, реостаты, электронагревательные приборы, индуктор высокого напряжения и др.).
—4 —
Владение простыми приемами электромонтажа (сборка простой установки по схеме, составление монтажной схемы установки с включением электроизмерительных приборов для регулирования тока).
Умение провести и объяснить лабораторный опыт с использованием электрического тока (испытание электропроводности твердых веществ, растворов).
4.Умение обращаться с наиболее широко применяемыми в работе и исследовательской практике реактивами, знание правил их хранения.
5.Умение провести инструктаж по технике безопасности при выполнении химических опытов и требовать их строгого соблюдения. Умение оказать первую помощь при травмах. Знание общих положений по организации охраны труда и техники безопасности при работе с газообразными веществами, едкими веществами и легковоспламеняющимися жидкостями, при эксплуатации электрооборудования.
6.Владение методикой решения и правильного оформления расчетных и экспериментальных задач, умение составлять рас- четные и качественные задачи по темам курса и усложнения задачи для практической работы.
7.В области химического эксперимента студент должен:
а) четко знать цели и задачи осуществляемого эксперимента, его теоретическое обоснование;
б) строго соблюдать условия проведения опыта, уметь оценивать влияние изменения условий на результаты опыта;
в) уметь вести целенаправленное наблюдение за ходом опыта, фиксировать все изменения в процессе протекания реакции;
г) уметь анализировать опыт и делать выводы из наблюдений; д) уметь обрабатывать результаты эксперимента, получен-
ные различными методами; е) уметь вести лабораторные записи.
Выражаю благодарность студенту 4 курса группы ГЭ ВолГУ Малыхину Дмитрию за помощь, оказанную при подготовке учебнометодического пособия.
— 5 —
Òåìà 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
М.В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения массы (веса) (1748 г.). Масса (вес) веществ, вступивших в реакцию, равна массе (весу) веществ, образующихся в результате реакции, — экспериментально подтвердил ученый на примере обжигания металлов в запаянных сосудах в 1756 г.
М.В. Ломоносов является основоположником атомно-молекулярного учения, в основе которого лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является ÷åì-òî сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц.
Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою оче- редь состоят из атомов.
Àòîì — наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.
В состав молекулы может входить различное число атомов: H2, N2, Cl2, O2 — двухатомны, Н2О — трехатомна. Молекулы белков, каучуков, нуклеиновых кислот состоят из такого количества атомов, которые измеряются тысячами и сотнями тысяч.
— 6 —
Идеи М.В. Ломоносова не были поняты современниками, и только в конце XVIII в. в химии прочно утвердились количе- ственные методы исследования, был изучен количественный состав многих веществ.
В XVIII в. был установлен закон постоянства состава: каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, имеет определенный весовой состав (CuO, N2O3, Al2O3).
Из этого закона следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в строго определенных весовых отношениях.
Изучая соединения, которые образуют несколько соединений с теми же элементами (Fe2O3, FeO; CO, CO2), английский ученый Дальтон (1766—1844) в 1803 г. установил закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же количество другого, относятся между собой как небольшие целые числа.
В конце XVIII в. был открыт очень важный для химии закон эквивалентов: вещества взаимодействуют друг с другом в весовых количествах, пропорциональных их эквивалентам.
Количество вещества, масса которого в граммах численно равна его эквиваленту, называется грамм-эквивалентом и обозначается г-экв: 1 г-экв Cl = 35,5 г, 1 г-экв Na = 23 г.
Измеряя объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, Гей-Люссак пришел к обобщению, известному под названием закона простых объемных отношений, èëè «химического» закона Гей-Люссака: объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.
3H2 + N2 → 2NH3 |
3VH2 + 1VN2 = 2VNH3 |
|
3 : 1 : 2 |
(при одинаковом давлении и температуре) |
|
2Í2 + Î2 → |
2Í2Î |
— 7 —
Итальянский физик Авогадро установил закон: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при
|
одинаковом давлении, содержится одно и то же |
|
число молекул. |
|
Отсюда следует, что грамм-молекулы всех ве- |
|
ществ в газообразном состоянии при одинако- |
|
вом давлении и одинаковой температуре зани- |
|
мают равные объемы. |
|
Нетрудно рассчитать, какой объем занимает одна |
|
грамм-молекула газа при нормальных условиях |
Амедео Авогадро |
(òî åñòü ïðè Ð = 760 ìì ðò. ñò. è t = 0 °Ñ). |
(1776—1856) |
Масса 1 л О2 при нормальных условиях |
равна 1,43 г. Следовательно, объем 1 г-м кислорода (32 г) при тех же условиях составит: 32 : 1,43 = 22,4 л. Это относится и к азоту, и двуокиси углерода, и т. д.
В 1961 г. была принята единая шкала атомных весов, основой которой является углеродная единица, представляющая собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода Ñ12. Согласно этой шкале масса атома водорода равна 1,0079 углеродных единиц, масса атома кислорода — 15,9994 углеродных единиц.
В настоящее время атомным весом (относительной атомной массой) элемента называют массу его атома, выраженную в углеродных единицах.
Молекулярным весом (относительной молекулярной массой) простого или сложного вещества называют массу его молекулы, выраженную в углеродных единицах.
Молекулярный вес газа равен его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молекулярный вес второго газа:
Ä= M1
M2
-по воздуху (молекулярный вес воздуха = 29)
-по водороду и т. д.
Грамм-молекулой называется количество вещества, масса которого в граммах численно равна молекулярному весу вещества. Например: масса 1 г-м Н2 = 2 ã, Í2Î = 18 ã.
Одна грамм-молекула любого вещества содержит одно и то же число молекул.
— 8 —
Число молекул в одной грамм-молекуле (число Авогадро) определено с большой точностью А = 6,02.1023.
Грамм-молекула любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Этот объем называется грамм-молекуляр- ным или мольным объемом газа.
Пользуясь мольным объемом, легко вычислить молекулярные веса газов.
Измерения объемов газов обычно проводят при условиях, отличных от нормальных. Для приведения объема к нормальным условиям можно пользоваться уравнением, объединяющим газовые законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака:
PV |
PV |
||
|
= |
o o |
, |
|
|
||
T |
T |
||
|
|
o |
P0, V0, T0 — нормальные условия (P0 — 760 ìì ðò. ñò. = 101,325 êÏà, Ò0 = 273 Ê, V0 — объем газа при нормальных условиях).
Молекулярные веса газов можно вычислить также, пользуясь уравнением состояния идеального газа — уравнением Клайперона — Менделеева:
m
PV = 1000 M RT,
åñëè m — в граммах, Ð — â ìì ðò. ñò., V — в литрах, то R = 62,4 ë . ìì ðò. ñò./ìîëü . ãðàä; åñëè Ð — â Ïà, Ì — его мольная масса, г/моль, V — â ì3, R = 8,314 Äæ/ìîëü . Ê.
При обычных условиях различные газы смешиваются друг с другом в любых соотношениях.
При этом каждый газ, входящий в состав смеси, характеризуется своим парциальным давлением.
Установленный Дальтоном закон парциальных давлений гласит: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь.
Все законы: Дальтона, Гей-Люссака и Авогадро — приближенные законы (они справедливы, когда давления незначительные).
Определение атомных весов. Валентность, закон Авогадро позволяют определить число атомов, входящих в состав молекул простых газов.
— 9 —
Молекулы Cl2, H2, O2, N2 двухатомны.
Определив молекулярный вес и разделив на 2, получим атомный вес.
Метод Канниццаро: сначала находят молекулярные веса возможно большого числа газообразных соединений элемента, затем по данным анализа вычисляют, сколько весовых единиц приходится на долю этого элемента в молекуле каждого из взятых соединений. Наименьшее из полученных чисел и принимается за искомый вес.
|
Молек. вес |
Содержание С, % |
Êîë-âî |
|
|
|
углерода |
ÑÎ2 |
44 |
27,27 |
12 |
ÑÎ |
28 |
42,86 |
12 |
ÑÍ3—ÑΗÑÍ3 |
58 |
62,07 |
36 |
(ацетон) |
|
|
|
Ñ2Í5—ΗÑ2Í5 |
74 |
64,86 |
48 |
(серный эфир) |
|
|
|
При определении атомных весов металлов в свое время был использован другой метод, основанный на зависимости между атомным весом элемента и удельной теплоемкостью соответствующего простого вещества в твердом состоянии:
γ уд. теплоем. = 6,2 êàë/ãðàä.
Найденная закономерность получила название правила Дюлонга и Пти (1819 ã).
Атомная теплоемкость большинства простых веществ в твердом состоянии лежит в пределах 5—7 кал/г-атом . град, в среднем около 6,2 кал/г-атом . ãðàä.
Из правила Дюлонга и Пти следует, что, разделив 6,2 на удельную теплоемкость простого вещества, легко определяемую из опыта, можно найти приближенное значение атомного веса соответствующего элемента.
Между атомным весом элемента и его эквивалентом существует соотношение, в которое входит также валентность элемента.
Связь между валентностью элемента и его положением в периодической системе была установлена Менделеевым. Он же ввел понятие о переменной валентности.
— 10 —