Repetitor_po_khimii_posle_RIO_16_11

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

РЕПЕТИТОР ПО ХИМИИ ДЛЯ ПЕРВОКУРСНИКА

Допущено Редакционно-издательским советом УГАТУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по направлениям 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника», 140400 «Электроэнергетика и электротехника»,

150100 Материаловедение и технология материалов», 150700 «Машиностроение», 151000 «Технологические машины и

оборудование», 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение», 152200 «Наноинженерия», 221000 «Мехатроника и робототехника», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 160100 «Авиастроение»,

160700 «Двигатели летательных аппаратов», 162300 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей»,

190700 «Технология транспортных процессов»,

200100 «Приборосторение», 201000 «Биотехнические системы и технологии», 210100 «Электроника и наноэлектроника»

Уфа 2012

1

Авторы: Н. А. Амирханова, Л. С. Беляева, Р. Р. Невьянцева, О. Г. Смольникова

УДК 54(07) ББК 24.1я7 Р85

Рецензенты:

зав. кафедрой аналитической химии ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет» д-р хим. наук, проф. Кудашева Ф. Х., доцент кафедры общей и аналитической химии ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» канд. хим. наук, доцент Сергеева Л. Г.

Р85 Репетитор по химии для первокурсника: учебное пособие / Н. А. Амирханова, Л. С. Беляева, Р. Р. Невьянцева, О. Г. Смольникова; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа:

УГАТУ, 2012. – 175 с.

ISBN 978-5-4221-0375-1

Пособие содержит систематизированный теоретический материал по курсу химии, необходимый для сдачи экзамена. Включает все элементы содержания, проверяемые контрольноизмерительными материалами, и помогает обобщить знания и умения по общей химии.

Теоретический материал изложен в краткой, доступной форме и иллюстрирован примерами. Приведены контрольные вопросы, позволяющие проверить свои знания и степень подготовленности к экзамену.

Предназначено для студентов технических специальностей, изучающих курс «Химия», а также для их подготовки к интернеттестированию.

Табл. 20 . Ил. 37 . Библиогр.: 17 назв.

УДК 54(07) ББК 24.1я7

2

1.3.Закон эквивалентов. Вычисление эквивалентов элементов

3.1.Ковалентная связь. Механизмы образования и свойства

ковалентной связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2.Гибридизация атомных орбиталей и пространственная

конфигурация молекул. Полярность молекул . . . . . . . . . . . 42

3.3.Ионная связь. Механизм образования и свойства ионной

связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.4.Комплексные соединения. Состав и строение комплексных соединений. Получение и типы

4.1.Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.

Энтальпия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2. Термохимические реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3.Стандартная энтальпия образования вещества. Закон

4.4.Энтропия и её изменения в химических процессах.

4.5.Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса. Стандартная энергия Гиббса. Термодинамическая

вероятность протекания процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3

5.ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ

РАВНОВЕСИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.1.Скорость химических реакций. Понятие «фаза».

Гомогенные и гетерогенные реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.2.Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Константа скорости. Молекулярность реакции.

Порядок реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.3.Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Правило

6.1.Способы выражения содержания растворенного вещества

(концентрация) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации.

Сильные и слабые электролиты. Константа диссоциации. . 77 6.3. Ионное произведение воды. Водородный показатель, рН. . 79 6.4. Гидролиз солей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.5.Равновесие в гетерогенных системах. Произведение

растворимости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ, ИХ СВОЙСТВА . . . . . . . . 87 7.1. Коллоидные растворы. Мицелла и ее строение. . . . . . . . . . . 87 7.2. Свойства коллоидных растворов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

8. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

8.1.Окислительно–восстановительные реакции. Окислитель.

Восстановитель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.2. Метод электронно-ионного баланса. Направление ОВР. . . 93

8.3.Электрод. Стандартный электродный потенциал.

8.5.Электролиз. Закономерности катодных и анодных

процессов. Закон Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4

9. ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

9.1.Физические и химические свойства металлов. Химическая

связь в металлах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

9.2.Типы кристаллических структур металлов, их

характеристика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 9.3. Химические свойства металлов. Взаимодействие

металлов с простыми окислителями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

9.4.Взаимодействие металлов с электролитами.

Термодинамика и кинетика процесса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

10. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ . . 122 10.1. Классификация коррозионных разрушений. . . . . . . . . . . . . . 122 10.2. Показатели скорости коррозии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 10.3. Газовая коррозия металла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 10.4. Электрохимическая коррозия. Поляризация и

перенапряжение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 10.5. Коррозия с водородной деполяризацией и её

термодинамическая вероятность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 10.6. Коррозия с кислородной деполяризацией. . . . . . . . . . . . . . . . 134 10.7. Защита металлов от коррозии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

11. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ, ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ В

МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ. . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.1 Основные понятия химии полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.2. Методы получения полимеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 11.3. Классификация, структура и свойства полимеров. . . . . . . . 155 11.4. Физико–химические свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . 162

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5

Человек бывает мал или велик в зависимости от степени приложения собственных усилий.

Самюэль Смайлс, англ. писатель

ВВЕДЕНИЕ

Химия – одна из фундаментальных естественных наук, которая формирует научное мировоззрение обучаемых, понимание особенностей химической формы движения материи, свойств веществ и их взаимодействия, позволяющих совершенствовать и создавать новые, более эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов, способы защиты от коррозии, увеличения срока службы машин, приборов и аппаратов.

В соответствии с требованиями ФГОС по дисциплине Химия формируются следующие компетенции: способность использовать основные законы естественно-научных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.

Для формирования компетенций студенты должны освоить соответствующие умения и навыки:

-проводить экспериментальные работы с учетом особенностей свойств химических веществ и физико-химических процессов;

-выполнять расчетные задачи по химии и анализировать полученные результаты;

-пользоваться справочной литературой для проведения расчетов по оценке термодинамической вероятности химических процессов и скорости химических реакций;

-анализировать свойства химических веществ и их соединений, физико-химические явления, возникающие при изготовлении и эксплуатации машиностроительных изделий;

-определять задачи и привлекать научную и справочную литературу для решения производственных проблем, связанных с физикохимическими процессами в машиностроении.

Цель данного учебного пособия – углубление знаний по химии, выработка умений и навыков для использования в практической деятельности.

Книга дает возможность с наименьшими затратами времени сформировать базу данных по основным теоретическим понятиям

химии, охватывающую все темы предусмотренные учебной

6

программой. Изложенный материал помогает на конкретных примерах более четко представить свойства химических систем, таких как атомы, молекулы, металлы, полимеры, растворы, электрохимические и коррозионные системы, и параметры, характеризующие их свойства. Для понимания особенностей физикохимических процессов взаимодействия веществ рассматриваются кинетические закономерности, термодинамические параметры и их использование для оценки процессов.

Основной задачей книги является формирование теоретической базы для последующего применения химических знаний, постановки задачи, проведения необходимых расчетов, с привлечением данных из справочной литературы и анализа полученных результатов.

Учебное пособие учитывает степень подготовки студентов и сложность материала, изучаемого в вузе, поможет студенту при выполнении домашних заданий, подготовке к зачетам и экзаменам. Поэтапное усвоение знаний у обучаемых формирует устойчивые навыки применения полученных знаний в дальнейшей производственной деятельности.

7

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

1.1 Основные понятия и законы химии

Химия – наука, изучающая вещества и процессы их

превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Заряд ядра эквивалентен порядковому номеру элемента в Периодической системе.

На сегодня зарегистрировано 111 элементов. Химические элементы подразделяются на две группы – металлы и неметаллы.

Атом – наименьшая частица элемента, сохраняющая все его свойства. Каждому химическому элементу соответствует определенный вид атома.

Молекула – наименьшая частица индивидуального

вещества, способная к самостоятельному существованию, обладающая его основными свойствами и состоящая из одинаковых или различных атомов.

Химическая формула – выражение состава химического вещества.

Различают простые и сложные вещества.

Простым называют вещество, если его молекула состоит из одинаковых атомов. Чтобы записать химическую формулу простого вещества, к химическому знаку элемента справа внизу приписывают цифру, обозначающую число его атомов в молекуле, называемую

индексом: He, Fe, Al, Ca, Ar, S, H2, Cl2, O3, P4.

Сложные вещества образованы атомами разных элементов. Делятся на:

оксиды – H2O, CO2, MgO, Al2O3; кислоты – HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4; основания – KOH, Ca(OH)2, Fe(OH)3;

соли – Na2CO3, Cu(NO3)2, K3PO4.

Закон Авогадро (1811): в равных объемах различных газов,

при одинаковых физических условиях, содержится одинаковое число частиц.

Чаще на практике используют следствие из закона:

8

Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (273,15 К, 101,3 кПа), этот объем равен 22,4 литра.

Моль (ν, n) – количество вещества системы, которое содержит столько определенных структурных элементов (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0,012 кг

углерода-12 ( 126 С ) и равно числу Авогадро NА.

NА= 6,02·1023.

Число частиц в одном моле любого вещества равно числу

Молярная масса (М) – масса одного моля вещества (г/моль).

1.2. Классы неорганических соединений

Важнейшими классами неорганических соединений являются оксиды, кислоты, основания, соли [1,5,7,9,12,18].

ОКСИДЫ

Оксидами называются сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления

«–2».

Почти все химические элементы образуют оксиды. До настоящего времени еще не получены оксиды трех благородных газов

– гелия, неона и аргона.

Согласно международной номенклатуре названия оксидов образуют из латинского корня названия элемента с большей электроотрицательностью с суффиксом –ид и русского названия элемента с меньшей электроотрицательностью в родительном падеже.

9

Если же элемент образует несколько оксидов, то в их названиях указывается степень окисления элемента римской цифрой в скобках сразу после названия. Например, Н2O – оксид водорода (вода), FeO

– оксид железа (II), Fe2O3 – оксид железа (III), Р2O3 – оксид фосфора (III), Р2O5 – оксид фосфора (V) или пентаоксид дифосфора, Р4O6 – гексаоксид тетрафосфора, Си2О – оксид меди (I) или оксид димеди.

Если, наконец, элемент образует большее число оксидов, то остальные называют обычно ангидридами тех кислот, которые получают при действии на них воды. Например, N2O3 – азотистый ангидрид, N2O5 – азотный ангидрид.

По химическим свойствам оксиды делятся на три группы:

основные, кислотные и амфотерные.

Основными называются такие оксиды, которым соответствуют основания. Например, основным оксидам Nа2O, CaO, FeO, NiO

соответствуют основания NaOH, Ca(OH)2, Fe(OH)2, Ni(OH)2.

Основные оксиды образуются только металлами.

Кислотными называются такие оксиды, которым соответствуют кислоты. Например, СO2, Р2О5, SO2, SO3 – кислотные оксиды, так как им соответствуют кислоты Н2СO3, Н3РO4, H2SO3, H2SO4. Большинство кислотных оксидов при взаимодействии с водой образуют кислоты.

Кислотные оксиды образуются неметаллами и некоторыми металлами, проявляющими высокую степень окисления (например, оксиду Мn2O7 соответствует марганцовая кислота НМnO4).

Увеличение степени окисления элемента приводит к усилению кислотного характера соединения.

Амфотерными называются такие оксиды, которые в зависимости от условий проявляют основные или кислотные свойства, т. е. обладают двойственными свойствами. К ним относятся некоторые оксиды металлов: ZnO, A12O3, Сг2O3, SnO2 и др.

Амфотерные оксиды с водой непосредственно не соединяются, но они реагируют и с кислотами, и с основаниями.

Удобно рассматривать свойства оксидов, пользуясь Периодической системой элементов Д. И. Менделеева. Так, свойства оксидов элементов третьего периода (Na2O, MgO, А12O3, SiO2, Р2О5, SO3, Cl2O7) закономерно изменяются в соответствии со строением их атомов от основных (Na2O, MgO) через амфотерный (А12O3) к

кислотным (SiO2, P2O5, SO3, C12O7). Такой переход справедлив для оксидов элементов всех периодов (кроме первого и седьмого).

10