- •Министерство образования и науки Российской Федерации
- •Программа дисциплины
- •3. Растворы. Электрохимические процессы.
- •3.1. Растворы.
- •3.2. Окислительно-восстановительные процессы. Электрохимия.
- •3.3. Коррозия и защита металлов и сплавов от коррозии.
- •5. Химия и охрана окружающей среды.
- •I. Контрольные задания
- •1.1. Основные понятия химии и единицы их измерения
- •1.2. Строение атома. Периодическая система химических элементов д.И. Менделеева. Периодичность свойств элементов и их соединений.
- •Примеры решения типовых задач.
- •1.3. Химическая связь и строение молекул.
- •Энергия химической связи (d) – количество энергии, которое выделяется при образовании данной химической связи из атомов.
- •Метод валентных связей
- •При наложении двух π-связей на одну σ-связь возникает тройная связь, например, в молекулах азота, ацетилена, синильной кислоты:
- •Метод молекулярных орбиталей
- •Примеры решения типовых задач.
- •1.4. Энергетика химических реакций.
- •Примеры решения типовых задач
- •1.5. Химическая кинетика и равновесие
- •Примеры решения типовых задач.
- •Растворы
- •Способы выражения концентрации растворов
- •1.6.1. Ионно-молекулярные (ионные) реакции обмена
- •В кислой среде и.
- •Гидролиз соли, образованной сильной кислотой и слабым основанием.
- •Гидролиз соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием.
- •1.6.2. Жесткость природных вод и ее устранение
- •Примеры решения типовых задач.
- •Задача 1. Сколько граммов содержится в воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна ?
- •1.7. Окислительно-восстановительные реакции
- •Примеры решения типовых задач.
- •Задача 1. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции между перманганатом калия и сульфитом натрия в среде серной кислоты.
- •Переходим к молекулярной форме уравнения:
- •1.8. Электрохимические процессы
- •Определить абсолютные значения электродных потенциалов невозможно. Их можно только сравнивать.
- •1.8.2. Электролиз
- •Примеры электролиза растворов электролитов с нерастворимыми анодами.
- •Примеры электролиза растворов электролитов с растворимыми анодами.
- •Законы Фарадея. Выход продукта по току
- •Для расчетов используют математическое выражение обобщенного закона Фарадея:
- •Примеры решения типовых задач.
- •1.9. Коррозия и защита металлов и сплавов от коррозии
- •Кинетика коррозионного процесса
- •Методы защиты металлов от коррозии
- •Примеры решения типовых задач
- •1.10. Комплексные соединения
- •Методы получения комплексных соединений.
- •Примеры решения типовых задач.
- •1.11. Задачи к контрольной работе №1
- •1.12. Задачи к контрольной работе №2
- •Определите рН 0,001 м раствора кон, считая диссоциацию полной.
- •Подберите по два уравнения в молекулярном виде к каждому из кратких ионных уравнений:
- •При сливании растворов иобразуется осадок гидроксида хрома (III). Объясните причину этого явления и напишите соответствующие уравнения в молекулярном и ионном виде.
- •Водородный показатель (рН) 0,003н раствора гипохлорита калия равен 9,5. Вычислите степень гидролиза этой соли и напишите уравнения реакций гидролиза в молекулярном и ионном виде.
- •Определите степень гидролиза (для первой ступени) и рН в 0,001м растворе и. Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.
- •II. Варианты контрольной работы № 1
- •Варианты контрольной работы № 2
- •III. Приложение
- •IV. Содержание
- •Основные понятия химии и единицы их измерения………..………..6
Метод молекулярных орбиталей
Согласно методу МО электроны в молекулах распределены по МО, которые подобно АО характеризуются определенной энергией и формой. В отличие от АО, молекулярные орбитали охватывают систему атомов, т.е. являются многоцентровыми.
Наиболее широко в методе МО используется линейная комбинация АО (ЛКАО). При образовании МО из соответствующих АО должны соблюдаться следующие правила:
Число МО равно общему числу АО, из которых комбинируется МО.
Энергия одних МО оказывается выше, других – ниже энергии исходных АО. Средняя энергия МО, полученных из набора АО, приблизительно совпадает со средней энергией этих АО.
Электроны заполняют МО, как и АО, в порядке возрастания энергии, при этом соблюдается принцип Паули и правило Гунда .
Наиболее эффективно комбинируются между собой те АО, которые характеризуются соответствующими энергиями и соответствующей симметрией.
Как и методе ВС, прочность связи в методе МО пропорциональна степени перекрывания орбиталей.
Если обозначить АО атомов А и В через и, а МО через, то согласно ЛКАО
,
где: – волновая функция электрона в молекуле (МО);a и b – коэффициенты, учитывающие долю каждой АО в образовании МО;
и – волновые функции электронов (АО) атомов А и В соответственно.
При знаке плюс получаются связывающие МО, при знаке минус – разрыхляющие МО (обозначаемые знаком *). Образование МО молекулы водорода из s-AO атомов водорода можно представить следующей энергетической диаграммой.
Можно видеть, что согласно вышеприведенным правилам заполнения МО, образующаяся молекула Н2 обладает минимумом энергии, что обусловливает ее стабильность.
Примеры решения типовых задач.
Пример 1. Расчет энергии связи.
Задача 1. Вычислите энергию связи H-S в молекуле H2S по следующим данным: 2H2 (г) + S2 (г) = 2 H2S (г) – 40,30 кДж; энергии связей D(H-H) и D(S-S) соответственно равны –435,9 кДж/моль и – 417,6 кДж/моль.
Решение. Образование двух молекул H2S можно представить как последовательный процесс разрыва связей H-H в молекуле H2 и связей S-S в молекуле S2:
2 H-H 4 Н– 2D(H-H)
S-S 2 S – D(S-S)
4 Н+ 2S 2H2S + 4D(S-H),
где D(H-H), D(S-S) и D(S-H) – энергии образования связей H-H, S-S и S-Н соответственно. Суммируя левые и правые части приведенных уравнений, приходим к термохимическому уравнению
2H2 (г) + S2 (г) = 2 H2S (г) –2D(H-H) – D(S-S) + 4D(S-H).
Тепловой эффект этой реакции равен
Q = –2D(H-H) – D(S-S) + 4D(S-H), откуда
D(S-H) = .
Пример 2. Вычисление длины связи.
Задача 1. Рассчитайте длину связи в молекуле HBr, если межъядерное расстояние в молекулах Н2 и Br2,равны 0,74∙10-10 и 2,28∙10-10м соответственно.
Решение. Длина ковалентной связи между двумя разноименными атомами равна сумме их ковалентных радиусов
l(H-Br) = r(H) + r(Br).
В свою очередь, ковалентный радиус атома определяется как половина межъядерного расстояния в молекулах Н2 и Br2:
.
Таким образом,
Пример 3. Определение вида гибридизации орбиталей и пространственной структуры молекулы.
Задача 1. Какой вид гибридизации электронных облаков имеет место в атоме кремния при образования молекулы SiF4? Какова пространственная структура этой молекулы?
Решение. В возбужденном состоянии структура внешнего энергетического уровня атома кремния следующая:
-
3s
3p
↑
↑
↑
↑
3s
3px
3py
3pz
В образовании химических связей в атоме кремния участвуют электроны третьего энергетического уровня: один электрон в s-состоянии и три электрона в р-состоянии. При образовании молекулы SiF4 возникают четыре гибридных электронных облака (sp3-гибридизациия). Молекула SiF4 имеет пространственную тетраэдрическую конфигурацию.
Пример 4. Определение валентностей элементов в химических соединениях на основе анализа графических электронных формул основного и возбужденных состояний атомов этих элементов.
Задача 1. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами, может проявлять сера в основном и в возбужденном состоянии?
Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня серы …3s23p4 с учетом правила Гунда имеет вид:
|
s |
|
p |
|
|
d |
|
|
|
16S |
↑↓ |
↑↓ |
↑ |
↑ |
|
|
|
|
|
Атомы серы имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход спаренных 3р- и 3s- электронов на 3d подуровень, что приводит к двум возбужденным состояниям:
|
s |
|
p |
|
|
|
d |
|
|
16S |
↑↓ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
|
|
|
|
|
s |
|
p |
|
|
|
d |
|
|
16S |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
|
|
|
Из анализа основного и двух возбужденных состояний следует, что валентность (спинвалентность) серы в нормальном состоянии равна двум, в первом возбужденном состоянии – четырем, во втором – шести.
Пример 5. Использование метода молекулярных орбиталей (МО) для описания строения молекул.
Задача 1. а) Обоснуйте радикальный характер молекулы оксида азота (II) с помощью метода МО.
Решение. Молекула NO образуется путем взаимодействия атомных орбиталей внешних электронов атомов азота и кислорода, т.е. 2s- и 2p- орбиталей. Со стороны каждого атома во взаимодействии участвуют 4 орбитали (одна 2s- и три 2р-орбитали). Следовательно, при общем количестве взаимодействующих орбиталей, равном восьми, образуется 8 молекулярных орбиталей. При этом взаимодействие двух 2s-орбиталей атомов азота и кислорода приводит к одной σS-связывающей и одной σS*-разрыхляющей орбитали. Аналогично, взаимодействие двух 2р-орбиталей этих атомов дает одну σр-связывающую и одну σр*-разрыхляющую орбиталь. Взаимодействие четырех остающихся р-орбиталей (по две от каждого атома) приводит к образованию двух связывающих и двух разрыхляющих π- орбиталей. Изложенные соображения иллюстрируются следующей схемой образования МО:
· : N · ·
_↑_ _↑_ _↑_ 2р 2р 2р
_↑↓_ 2s |
NO ___ _↑_ σр* ______
_↑↓_ _↑↓_ _↑↓_ σр
_↑↓_ σs*
_↑↓_ σs
|
· : O : ·
_↑↓_ _↑_ _↑_ 2р 2р 2р
_↑↓_ 2s |
В соответствии с порядком заполнения МО (в первую очередь заполняются МО с меньшей энергией) произведено размещение электронов, ранее находящихся на внешнем уровне атомов N и O, на молекулярные орбитали NO. Можно видеть, что, во-первых, взаимодействие р-орбиталей приводит к энергетическому минимуму, обусловливающему статичность молекулы NO; во-вторых, на одной из разрыхляющих π*-орбиталей находится один электрон, обусловливающий радикальный характер молекулы NO.
Задача 2. б) Обоснуйте с помощью метода МО, почему гелий является одноатомным газом.
Решение. Представим себе образование двухатомной молекулы гелия через взаимодействие 1s орбиталей его атомов 2He. Такое взаимодействие приводит к образованию одной связывающей σ-орбитали и одной разрыхляющей σ*-орбитали. Представим это взаимодействие схемой:
| ||
_↑↓_ 1s |
_↑↓_ σs*
_↑↓_ σs |
_↑↓_ 1s
|
Можно видеть, что размещение принадлежащих атомам гелия четырех электронов не приводит к общему понижению энергии (формированию энергетического минимума), так как стабилизация, достигнутая при заполнении связывающей МО, теряется при заполнении разрыхляющей МО. Поэтому 2 атома гелия не могут удерживаться в молекулярной структуре He2.
Пример 6. Оценка энергий МО межмолекулярных взаимодействий на основе температуры кипения соединений.
Задача 1. Объясните наблюдаемые различия в температурах кипения у следующей группы соединений с близкой молекулярной массой.
Соединение |
Ткип,оС |
CH3CH2CH2CH3 |
0 |
CH3CH2OCH3 |
11 |
CH3CH2CHO |
49 |
CH3CH2CH2OH |
97 |
Решение. Н-бутан содержит в своей структуре атомы углерода в sp3-состоянии и атомы водорода, близкие по своей электроотрицательности и слабо поляризуемые. Это обусловливает слабость сил диполь-дипольного, индукционного и дисперсионного взаимодействий между молекулами и неустойчивость молекулярных ассоциатов. В метилэтиловом эфире появляются предпосылки для дисперсионных взаимодействий из-за более высокой неполяризуемости атома этого ряда по сравнению с углеродом. Из-за полярности связей С–О увеличивается по сравнению с н-бутаном сила диполь-дипольных и индукционных взаимодействий. Молекула пропионового альдегида характеризуется сильно полярной связью С=О из-за дополнительного смещения π-электронов к электроотрицательному атому кислорода. Это обусловливает возрастание по сравнению с метилэтиловым эфиром сил индукционного и диполь-дипольного взаимодействия и общее упрочнение межмолекулярных связей, что требует более высокой энергии для разрыва этих связей, т.е. более высокой температуры кипения. Наконец, в молекуле спирта появляются структурные предпосылки для образования более прочных по сравнению с Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями водородных связей: наличие кислого водорода связи Н–О и электроотрицательного атома кислорода.
··· Н – О ·· Н – О ··· Н – О ···
| | |
R R R
Разрыв таких связей в процессе испарения требует еще большей энергии, и, соответственно, более высокой температуры.