Общая химия Кузнецов Л.М. Литература: Глинка Н.Л Общая химия. 24-е изд., испр. - Л.: Химия, с.

Понятие о материи, формы существования материи, формы движения материи Материя (филос.) – объективная реальность данная нам в ощущениях. Материя (физич.) - фундаментальное понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых мы можем судить благодаря нашим ощущениям Вещество – вид материи, состоящий из различных элементарных частиц. (адронное, барионное, антивещество, нейтронное вещество, кварк-глюонная плазма) Поле – совокупность физических полей различной природы (электромагнитное, гравитационное)

Структурные уровни организации материи – микромир, макромир, мегамир. физ поле элем частатомы крист. Горн. породы литосфера Земля салон. сист. галактика Вселенная молекулын. орг. Молек. комплексы гены клетки ткани органы организмы популяции биоценоз экосистема биосфера

Познание Эмпирический путь Теоретический путь Наблюдение Эксперимент Аналогия Моделирование (предметное, знаковое, мысленное) Анализ - мысленное или реальное расчленение предмета на составляющие его части Синтез - процедура соединения различных элементов предмета в единое целое. Индукция - вид обобщений, связанных с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных прошлого опыта, т.е это процесс логического вывода на основе перехода от частного положения к общему. Дедукция - метод мышления, при котором новое положение выводится чисто логическим путем из предшествующих; Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений («общее»), а концом - следствия, теоремы («частное»). Дедукция - основное средство доказательства. Противоположно индукции

Культура Наука Религия Искусство Математика Физика Биология Химия ……. Научная картина мира Эмоциональное познание мира Художественная картина мира Религиозная картина мира

Химия как наука Химия – это наука, изучающая химические формы движения материи (превращения веществ) Химия- наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Предмет - химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции. Химические явления – явления, при которых из одних веществ образуются другие.

7 Формирование химических знаний в древности Истоки накопления химических знаний: 1. Керамика, стеклоделие. металлургия; 2. Фармация и парфюмерия; 3. Получение красителей и техника крашения; 4. Использование биохимических процессов (в частности брожения).

8

9 Примитивная печь для выплавки меди из руды

10 Искусство фармации и парфюмерии Одна из древнейших рукописей Древнего Египта: «Папирус Эберса» ( XVI в. до н.э.) Способы извлечения из растений различных соков и масел, операции: вываривание, настаивание, выжимание, сбраживание.

11 Мумификация в Древнем Египте 1. Труп для обезвоживания закапывали на несколько недель в сухую природную соду - «натрон» (из высохших содовых озер). 2. Вынимали внутренности и мозг. Череп иногда заливали смолой, полость живота набивали ветвями благовонных растений. 3. Труп заворачивали в пропитанную благовонными средствами ткань типа марли. Лицо гримировали, применяя свинцовый блеск (PbS), пиролюзит (MnO 2 ), оксид меди (CuO), окрашенные глины, некоторые растительные краски. На лицо царских мумий клали маску из листового золота. После выполнения всех этих операций труп помещали в саркофаг.

12 Европейская алхимия (XII-XV века) Представления Аристотеля приспособлены для достижения целей алхимии. Земля и вода переформулируются в серу и меркурий. Первичная материя состоит из серы и меркурия, но не в смысле физических тел, а в смысле качественных принципов. Соотношение серы и ртути определяет неповторимое лицо конкретной вещи.

13 Роджер Бэкон «Умозрительная алхимия» (середина XIII века) «...Природа стремится достичь совершенства, то есть золота. Но вследствие различных случайностей, мешающих её работе, происходит разнообразие металлов... Соответственно чистоте или нечистоте этих двух компонентов - ртути и серы - происходят совершенные и несовершенные металлы; совершенные - золото и серебро и несовершенные - олово, свинец, медь, железо...»

14 Усиление роли эксперимента В начале 17 века английский философ Френсис Бэкон ( г.г.) выступил за развитие «естественной» философии, базирующейся на опытном знании. Эксперимент утверждался как решающий довод в научных спорах. До этого место эксперимента занимал авторитет. Пример: Аристотель писал, что число лапок у мухи 4, что долгое время безоговорочно принималось, хотя подсчет дает 6.

15 Понятие о химическом элементе Английский ученый Роберт Бойль ( ) Книга «Химик-скептик», 1661 г. «Свойства тел не носят абсолютного характера, они зависят от взаимоотношений между материальными компонентами, или химическими элементами, каковыми являются простейшие тела, представляющие собой предел разложения на более простые части».

16 Учение о составе Центральная идея – связь между химическим составом и свойствами Усилия химиков были направлены на решение задачи научиться выделять в чистом виде отдельные вещества и устанавливать их состав. Почти все исследователи XVIII в. Занимались химическим анализом различных руд, солей, вод минеральных источников.

17 Исследования в координатах «состав-свойства» Применение усовершенствованных физических приборов (весов, термометров, ареометров, микроскопов) позволило в XVIII в. устанавливать характерные физические константы и специфические свойства различных веществ, на основе которых можно было отличать одно соединение от другого.

18 Пневматическая химия Термин «газ» ввел Ван Гельмонт. В 1620 г. Ван Гельмонт открыл, что уголь при сгорании выделяет «лесной дух». Впервые собрал газ в сосуд методом вытеснения жидкости в 1660 г. Р. Бойль. Детально разработал технику собирания газов над жидкостью в «пневматической ванне» в начале XVIII в. английский ботаник и химик Стивен Гейлс ( ).

19 Химическая революция Лавуазье В 1775 г. он выступил с докладом в Академии наук, в котором утверждал, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одна пятая часть воздуха соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходима для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, т.е. порождающим кислоты, так как полагал, что кислород - необходимый компонент всех кислот.

20 Таблица элементов Лавуазье Впервые были систематизированы 23 известных в то время химических элемента. Таблица Лавуазье стала прологом большой серии исследований по систематизации элементов. Чрезвычайно важную роль в этом процессе сыграло использование количественных методов.

Атомно-молекулярная теория базируется на следующих законах и утверждениях: Все вещества состоят из атомов Атомы одного химического вещества (химический элемент) обладают одинаковыми свойствами, но отличаются от атомов другого вещества При взаимодействии атомов образуются молекулы (гомоядерные - простые вещества, гетероядерные - сложные вещества) При физических явлениях молекулы не изменяются, при химических происходит изменение их состава Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состояли исходные вещества Атомно-молекулярное учение

Вещество - это форма материи, обладающая массой покоя и определенными физическими и химическими свойствами. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Молекула – частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать, это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Атом - предел химического разложения любого вещества. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий, водород, сера) - разлагается на атомы одного вида. Сложное вещество - на атомы разных видов. Химический элемент - это вид атомов с определенным положительным зарядом ядра.

Стехиометрические законы 1. Закон сохранения массы - масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. (Ломоносов М.В г.) 2. Закон постоянства состава - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношение их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами (Пруст Ж.Л., 1808 г) 3. Закон кратных отношений – Если 2 элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой, как небольшие целые числа. (1803 Дж.Дальтон) CO – угарный газ O:C=16/12=1,33 CO 2 – углекислый газ O:C=32/12=2,66 2,66/1,33=2

4. Закон простых объемных отношений - при равных условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов как небольшие целые числа (Гей-Люссак, 1808 г). 5. Закон Авогадро - В равных объемах любых газов, взятых при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул. (1811 г) Из закона Авогадро вытекают два следствия: Одинаковое число молекул любых газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем. Относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных масс.

Число Авогадро – число частиц в моле любого вещества; N A =6, моль –1. Моль - единица измерения количества вещества в СИ. Соответствует количеству вещества, содержащему столько структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа 12 C Молярный объем – объем моля любого газа при нормальных условиях; равен 22,4 моль –1. Молярная масса (M) – масса одного моля вещества, численно совпадающая с относительными массами атомов, ионов, молекул, радикалов и других частиц, выраженных в г моль –1. 6. Закон эквивалентов - в молекулярных соединениях массы составляющих их элементов относятся между собой как их эквиваленты. (Вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам)

Химический эквивалент – реальная или условная частица вещества, способная соединиться и заместить 1 моль атомов водорода в реакциях присоединения и замещения или принять (отдать) 1 моль электронов в окислительно- восстановительных реакциях. Эквивалент вещества Эквивалент элемента

Атомные и молекулярные массы. Моль Абсолютная масса – масса, выраженная в абсолютных единицах массы (грамм, килограмм …) Относительная масса – масса выраженная в атомных единицах массы Атомная масса – масса атома. Молекулярная масса – масса молекулы. Для единицы измерения относительной атомной/молекулярной массы используют 1/12 массы изотопа углерода 12 С.

Периодический закон и периодическая система 1869 г. Менделеев Д.И. Закон: свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ, стоят в периодической зависимости от их атомного веса (заряда ядра). Следствие периодического закона – периодическая система элементов. Вертикальные столбцы – группы Горизонтальные строки - периоды Две формы таблицы: компактная и широкая:

период ы РядыГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ IIIIIIIVIVVVIVIII 1IH 1 1,0079 1S 1 ВОДОРОД 2 He ГЕЛИЙ 2IILi 3 6,94 2s 1 ЛИТИЙ Be БЕРИЛЛИЙ 5 B БОР 6 C УГЛЕРОД 7 N АЗОТ 8 O КИСЛОРО Д 9 F ФТОР 10 Ne 20,17 НЕОН 3IIINa S 1 НАТРИЙ Mg 12 24,31 МАГНИЙ 13 Al 26,98 АЛЮМИН ИЙ 14 Si 28,09 КРЕМНИЙ 15 P 30,97 ФОСФОР 16 S 32,06 СЕРА 17 Cl 35,45 ХЛОР 18 Ar 39,94 АРГОН 4IVK 19 39,09 4s 1 КАЛИЙ Ca 20 40,08 КАЛЬЦИЙ Sc 21 44,96 СКАНДИЙ Ti 22 47,90 ТИТАН V 23 50,94 ВАНАДИЙ Cr 24 51,99 ХРОМ Mn 25 54,94 МАРГАНЕ Ц Fe 26 55,84 ЖЕЛЕЗО Co 27 58,93 КОБАЛЬТ Ni 28 58,70 3d 8 4S 2 НИКЕЛЬ V29 Cu 3d 10 4S МЕДЬ 30 Zn 65,38 ЦИНК 31 Ga 69,72 ГАЛЛИЙ 32 Ge 72,5 ГЕРМАНИ Й 33 As 74,92 МЫШЬЯК 34 Se 78,96 СЕЛЕН 35 Br 79,90 БРОМ 36 Kr 83,80 КРИПТОН 5VIRb s 1 РУБИДИЙ Sr 38 87,62 СТРОНЦИ Й Y 39 88,91 ИТТРИЙ Zr 40 91,22 ЦИРКОНИ Й Nb 41 92,91 НИОБИЙ Mo 42 95,94 МОЛИБДЕ Н Tc 43 98,91 ТЕХНЕЦИ Й Ru ,07 РУБИДИЙ Rh ,91 РОДИЙ Pd ,44d 10 5S 0 ПАЛЛАДИЙ VII47 Ag 5S СЕРЕБРО 48 Cd 112,41 КАДМИЙ 49 In 114,82 ИНДИЙ 50 Sn 118,69 ОЛОВО 51 Sb 121,75 СУРЬМА 52 Te 127,60 ТЕЛЛУР 53 I 126,91 ИОД 54 Xe 131,30 КСЕНОН 6VIIICs S 1 ЦЕЗИЙ Ba ,33 БАРИЙ La 57 -Lu ,91 174,97 ЛАНТАН Hf ,49 ГАФНИЙ Ta ,95 ТАНТАЛ W ,85 ВОЛЬФРА М Re ,207 РЕНИЙ Os ,2 ОСМИЙ Ir ,22 ИРИДИЙ Pt ,09 ПЛАТИНА IX79 Au 5d 10 6S ЗОЛОТО 80 Hg 200,59 РТУТЬ 81 Tl 204,37 ТАЛЛИЙ 82 Pb 207,2 СВИНЕЦ 83 Bi 208,98 ВИСМУТ 84 Po 209 ПОЛОНИЙ 85 At 210 АСТАТ 86 Rn 222 РАДОН 7XFr S 1 ФРАНЦИЙ Ra ,03 РАДИЙ Ac 89 -Lr АКТИНИЙ Ku КУРЧАТОВ ИЙ Ns НИЛЬСБОР ИЙ

Строение атома 1897 г открытие электрона (Дж.Томсон). В центре массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра находятся электроны.

Размеры атомов порядка 10 –10 –10 –9 м. Размеры ядра в раз меньше (10 –15 –10 –14 м). Заряд электрона 1,6 х кл. Заряд ядра соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе, сл-но число электронов в атоме соответствует порядковому номеру элемента в п.с. Квантовая теория Бора. Постулаты 1. Электрон в атоме может находиться только на определенных (стационарных) орбитах 2. Двигаясь по орбите электрон не излучает электромагнитную энергию 3. Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую Теория Бора основана на механике классических частиц с дополнением в виде квантовых постулатов

Строение атома в квантовой механике Всем элементарным частицам присущ корпускулярно- волновой дуализм Е – энергия волны h – постоянная Планка, 6,62 х Дж·с λ – длина электромагнитной волны - уравнение Де Бройля Электрон рассматривается как электронное облако – область вблизи ядра атома, где сосредоточена большая часть массы электрона.

Квантовые числа электрона в атоме При решении волнового уравнения Шрёдингера для атома водорода возникают три квантовых числа, обычно обозначаемые символами n, l и m 1. Главное квантовое число: n. Определяет возможные энергетические состояния электрона в атоме. Значения 1,2.3….. Радиус орбиты электрона: a – радиус первой Боровской орбиты 5,29· м Энергетический уровень – совокупность электронов с одинаковым значением n KLMNOPQ

Формы электронных облаков на подуровнях 0123 spdf 2. Орбитальное. l – определяет форму электронного облака. Значения от 0 до n-1. Энергетический подуровень – совокупность электронов с одинаковым значением l. Подуровни: s, p, d, f

3. Магнитное квантовое число. (m) 2l+1 значений от -l до +l. Определяет ориентацию электронного облака в пространстве. s- электроны (l=0) m=0 p- электроны (l=1) m= (-1,0,+1) d-электроны (l=2) m= (-2,-1,0,+1,+2)

электрон имеет собственный момент импульса, или спин, т.е. его можно представить себе вращающимся вокруг собственной оси одновременно с вращением по орбите вокруг ядра. 4. спиновое квантовое число (S): +1/2 или -1/2 Принцип Паули: в каждом отдельном квантовом состоянии может находиться только один электрон. Квантовое – состояние характеризующееся 4-мя квантовыми числами. Максимальное число электронов в подоболочке (подуровне) равно 2(2l + 1), а максимальное число подоболочек составляет n. Для каждого n полностью заполненная оболочка содержит 2n 2 электронов. Атомная электронная орбиталь – состояние, характеризующееся опр. значением n, m, l. Обозначается Спаренные электроны – находящиеся на одной орбитали с противопложными спинами:

S – подуровень. l=0, m=0 сл-но, есть только одна орбиталь P -подуровень l=1, m=3 сл-но, есть три орбитали d- подуровень l=2, m=5 сл-но, есть пять орбиталей f - подуровень l=3, m=7 сл-но, есть семь орбиталей S 1 1s 1 водород 1 S Гелий 1 1s 2 p S Li 11s 2 2s 1 2S 2p 2S 2p Ве В

2S 2p 2S 2p С N 2S 2p 2S 2p 2S 2p OF Ne 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 1 Na 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 Mg Правило Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 Ar 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 1 4S K

Первое правило Клечковского: при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантового числа к орбиталям с большим значением этой суммы. 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 4S Ca 3d n=3, l=2 4S n=4, l=0 Второе правило Клечковского: при одинаковых значениях суммы n+l заполнение орбиталей происходит в направлении увеличения n.

3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 1 4S 2 4S Sc 3S 3p 3d 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 10 4S 2 4S Zn Связь размеров атомов с положением в периодической системе В периоде размеры уменьшаются слева направо, т.к. растет заряд и сила притяжения электронов к ядру. В группе нет четкой зависимости, т.к увеличивается и заряд и количество электронных слоев.

Строение атомных ядер Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд.

Нейтрон на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Протон (P) имеет массу 1,00728 а.е.м, заряд +1 Нейтрон (n) имеет массу 1,00867 а.е.м, заряд 0 Число протонов = заряд ядра = порядковый номер элемента Число нейтронов = масса атома - порядковый номер элемента Протоны и нейтроны = нуклоны. Нуклоны удерживаются в ядре ядерными силами (короткодействующие, сильные взаимодействия). Дефект масс – масса ядра меньше чем масса нуклонов, из которых оно составлено. Энергия связи ядра - энергия, выделяющаяся при его образовании из нуклонов. Изотопы – атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов.

Химическая связь и строение молекул Теория строения хим. Соединений по Бутлерову 1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию новых веществ. 2. Соединение атомов происходит в соответствии с валентностью 3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их хим. строения. Значение теории Бутлерова 1. Возможность определения строения молекул по данных об их химических свойствах и наоборот. 2. Систематизация веществ 3. Разработка технологий синтеза химических соединений

Способы изображения строения молекул Структурные формулы Валентные схемы Хлорноватис тая кислота хлороводород Хлорноватая кислота Этиловый спирт Метиловый спирт аммиак вода Диоксид углерода метан

Ковалентная связь Ковалентная связь - связь, образованная направленными валентными электронными облаками Ковалентную связь образуют атомы (или группы атомов), на валентных орбиталях которых имеются неспаренные электроны. Обобществление последних ведет к формированию общей для связывающихся атомов электронной пары ++-

Виды ковалентной связи Неполярная – зона перекрытия симметрична относительно ядер взаимодействующих атомов. Полярная - зона перекрытия смещена к одному из ядер взаимодействующих атомов. Относительная электроотрицательность -мера способности атома в веществе притягивать к себе электроны, связывающие этот атом с другими атомами

Способы образования ковалентной связи

Обменный механизм реализуется за счет неспаренных электронов возбужденного (1) и невозбужденного (2) атома: 2S 2p С 2S 2p С* ЭНЕРГИЯ Оксид углерода 3S 3p 3d Cl Cl* 1 2 Особенности ковалентной связи: 1. Насыщаемость 2.Направленность

Направленность ковалентной связи S-облака образуют связь - связь. Две области перекрывания Ионная связь Простые ионы Na +, K +, F -, Cl - Сложные NH 4 +, OH -, NO 3-, SO Направленность - отсутствует. Насыщаемость - отсутствует.

Взаимная поляризация ионов. Поляризуемость ионов Li + <Na + < K + <Rb + <Cs + Поляризующая способность Li + >Na + > K + >Rb + >Cs + Металлическая связь Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Водородная связь Внутримолекулярная Межмолекулярная ацетилацетон Водородная связь – межмолекулярная связь, образованная за счет частичного акцептирования неподеленной пары электронов атома не связанным с ним химической связью атомом водорода.

Химическая термодинамика и кинетика Энергетика химических процессов. Термодинамика – это наука о тепловых явлениях. Внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Внутренняя энергия является функцией состояния. Тепловой эффект реакции – количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся в ходе химической реакции. Экзотермическая Эндотермическая

Термохимические уравнения. З-н Гесса. 2H 2 +O 2 =2H 2 O+571 к ДжN 2 +O 2 =2NO к Дж 2NaOH+H 2 SO 4 =Na 2 SO 4 +2H 2 O к Дж NaOH+H 2 SO 4 = NaHSO 4 + H 2 O+61.7 к Дж NaHSO 4 + NaOH= Na 2 SO 4 + H 2 O+69.7 к Дж Закон: тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса Следствие: тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции минус сумма теплот образования исходных веществ. Теплота образования – количество теплоты, выделяющееся при образовании одного моля соединения из простых веществ. Н ,8 к Дж/моль

В термодинамике используют следующие термодинамические величины: Энтропия (S)- определяет меру необратимого рассеивания энергии. Предел величины энтропии равновесной системы при стремлении температуры к абсолютному нулю полагают равным нулю. Существует мнение, что мы можем смотреть на Ω и как на меру беспорядка в системе. Рассмотрим, например, распределение молекул идеального газа. В случае идеального газа наиболее вероятным состоянием, соответствующим максимуму энтропии, будет равномерное распределение молекул. При этом реализуется и максимальный "беспорядок", т.к. при этом будут максимальные возможности конфигурирования.

Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал свободная энтальпия) - один из потенциалов термодинамических системы. Обозначается G, определяется разностью между энтальпией H и произведением энтропии S на термодинамическую температуру Т: G = H - T·S. Изотермический равновесный процесс без затраты внешних сил может протекать самопроизвольно только в направлении убывания энергии Гиббса до достижения ее минимума, которому отвечает термодинамическое равновесное состояние системы. Энтальпия (H) – это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.