Красноярск, 2008 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной подготовки

Красноярск, 2008 Кафедра химииХимия Для студентов нехимических специальностей технических вузов

УДК54 ББК24 Х46 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Химия» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Институт фундаментальной подготовки», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Х46Химия. Презентационные материалы. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : наглядное пособие / А. Г. Аншиц, Е. В. Грачева, О. К. Клусс, Е. А. Салькова. – Электрон. дан. (3 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, – (Химия : УМКД / рук. творч. коллектива А. Г. Аншиц). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 3 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. ISBN (комплекса) ISBN (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Химия», включающего учебную программу, учебное пособие, лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, а также контрольно- измерительные материалы «Химия. Банк тестовых заданий». Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Химия». Предназначено для студентов нехимических специальностей технических вузов. © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию Объем 3 Мб Красноярск: СФУ, , Красноярск, пр. Свободный, 79

4 Строение атома и периодическая система элементов Д. И. МенделееваСтроение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева Теория химической связи и строение молекул Комплексные соединения Энергетика химических процессов Химическая кинетика и равновесие Растворы Дисперсные системы Электрохимические процессы Коррозия металлов Общая характеристика металлов Полимеры и олигомеры Химическая идентификация Оглавление

Строение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

6 Свойства электронов (e), протонов (p) и нейтронов (n) ЧастицаМасса, гЗаряд, Кл e 0, –27 –1,6 10 –19 p 1, –24 +1,6 10 –19 n 1, –24 0

7 Соотношение масс электрона и атома водорода

8 Изотопы и изобары Изотопы имеют одинаковые заряды ядер,но различные атомные массы: 24 Mg и 25 Mg; 35 Cl и 37 Cl; 1 H, 2 H, 3 H. Изобары имеют одинаковые массовые числа,но различные заряды ядер и разные химические свойства: 40 Ag, 40 K, 40 Ca; 54 Fe, 54 Cr.

9 Двойственные свойства электрона Как частицы: Как волны: 1. Дифракция. 2. Интерференция. 3. Неопределенность положения в пространстве (принцип Гейзенберга). 1. Масса: 2. Заряд: 3. Спин: уравнение де Бройля (1924 г.).

10 Волновое уравнение Шредингера (1926 г.) Волновые функции, являющиеся решениями уравнения Шредингера, называют орбиталями (s-, p-, d-, f-орбитали).

11 Квантовые числа главное (n) и орбитальное (l) n – характеризует энергию электрона на энергетическом уровне и удаленность его от ядра: n = 1, 2, 3, …,. l – характеризует энергию электрона на энергетическом подуровне и форму электронного облака (орбитали): l = 0, 1, 2, …, (n – 1) приl = 0 s-орбиталь, l = 2 d-орбиталь, l = 1 p-орбиталь, l = 3 f-орбиталь.

12 Формы электронных облаков

13 Квантовые числа: магнитное (m l ) и спиновое (m s ) m l –определяет количество ориентаций электронных облаков в пространстве и энергию электрона в каждой ориентации: m l = +l, …, 0, …, –l. m s – характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по и против часовой стрелки: m s = 1/2. Спин – собственный угловой момент электрона.

14 Периодичность изменения радиусов ионов элементов IV периода

Теория химической связи и строение молекул

16 Ковалентная связь Неполярная ковалентная связь ЭО А =ЭО В А=В H 2, Cl 2, O 2, N 2 … H : H = 0 Полярная ковалентная связь ЭО А ЭО В HCl, H 2 O, NH 3 … H : Cl > 0 до 3,5 Очень полярная ковалентная или ионная связь ЭО А 3,5 до 10 + – + – – дипольный момент = l e, Д + – l –

17 Изменение энергии системы при образовании химической связи

18 - и -ковалентные связи -связь

19 Ковалентная -связь в молекуле HF ZZ y FH X

20 Образование - и -связи в молекуле O 2 ZZ y X y

21 Гибридизация Гибридизация – смешивание электронных облаков разной формы с получением облаков новой, но уже одинаковой формы.

22 sp 3 -гибридизация

23 Водородная связь МежмолекулярнаяВнутримолекулярная

24 Межмолекулярное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса, E) E = E ориент. + E инд. + E дисп. E – энергия ориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействия молекул.

Комплексные соединения

26 Комплексные соединения (строение) Центральный атом (ц.а.) или комплексообразователь Лиганды Координационное число (к.ч.) Внешняя сфера Внутренняя сфера или комплексный ион Ц. а. – металлы: Fe 2+, Co 2+, Pt 2+, Cu 2+, Hg 2+ … неметаллы: N 3+, B 3+, P 5+, Si 4+, S 6+ … Лиганды – нейтральные молекулы: H 2 O, NH 3, CO … ионы: Cl –, Br –, SO 4 2–, CN –, F –, I – … К.ч. – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12, чаще всего: 4 и 6.

27 Комплексные соединения Константа нестойкости

28 Комплексные соединения Модели строения молекул при к.ч.= 6 – лиганды, – центральный атом

29 Комплексные соединения о-, м-, п-изомеры, к.ч. = 6 NH 3, X – лиганды, – центральный атом NH 3 X X X X X X орто-мета-пара-

30 Комплексные соединения цис- и трансизомеры октаэдрической модели строения, к. ч. = 6 NH 3, X – лиганды – центральный атом NH 3 X X X X цис- транс-

31 Цис- и трансизомеры комплексных соединений с к.ч. = 4 Pt – центральный атом A, X – лиганды Pt A AX X A XA X цис- транс-

Энергетика химических процессов

33 Внутренняя энергия (U) U=U1+U2+U3+U4+U5,U=U1+U2+U3+U4+U5, где U 1 – энергия поступательного движения молекул; U 2 –энергия вращательного движения молекул; U 3 –энергия движения электронов; U 4 –внутриядерная энергия; U 5 –энергия внутримолекулярных колебаний электронов.

34 Работа расширения газа

35 Энтальпия ( Н), кДж/моль.

36 Изменение энтальпии в экзо- и эндотермических реакциях

37 Закон Гесса (1840 г.)

38 Следствие из закона Гесса

39 Энтропия (S), Дж/моль К Стандартные условия: T = 298 К, P = 101,3 кПа = 1 атм.

40 Энергия Гиббса ( G) (изобарно-изотермический потенциал) –стандартная энергия Гиббса образования вещества.

41 Направленность химических реакций 1. При G < 0 возможна прямая реакция. 2. При G > 0невозможно протекание прямой реакции, но возможна обратная. 3. При G = 0состояние химического равновесия, т. е. H = T S.

Химическая кинетика и равновесие

43 Закон действия масс При постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна произведению концен- траций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. где K 1 и K 2 – константы скорости реакции.

44 Влияние температуры на скорость химической реакции Правило Вант-Гоффа При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции возрастает в 2–4 раза: где – температурный коэффициент; V – скорость реакции.

45 Изменение концентрации исходных веществ

46 Зависимость скорости реакции от концентрации веществ

47 Энергия активации (E), ккал/моль

48 Влияние катализатора на скорость реакции

49 Химическое равновесие Константа равновесия Гомогенная реакция: 2H 2 (г) + O 2 (г) 2H 2 O(пар) Гетерогенная реакция: CaCO 3 (т) = CaO(т)+CO 2 (г). Концентрации [CaCO 3 ] и [CaO] при состоянии равновесия постоянны..

50 Фазовые равновесия Правило фаз Гиббса: С = k – f + n, где k– число независимых компонентов; f–число фаз; n–число внешних параметров, влияющих на состояние фазового равновесия; С–число степеней свободы, т. е. число параметров, которые можно менять, не изменяя число фаз в системе.

Растворы

52 Растворы РазбавленныеКонцентрированныеНасыщенные Виды концентрации растворов 1. –массовая доля вещества, % или доли единицы. 2. С M –молярная концентрация, моль/л. 3. С m –моляльная концентрация, моль/кг. 4. С H –нормальная или эквивалентная концентрация, моль/л. 5. T–титр раствора, г/мл и др.

53 Растворы Способы выражения их концентрации 1.Массовая доля вещества ( ) показывает, какая масса растворенного вещества содержится в 100 г раствора: 2.Молярная концентрация (С M ) определяется коли- чеством (n) моль растворенного вещества в 1 л раствора:

54 Растворы (продолжение) 3.Нормальная или эквивалентная концентрация (С H ) равна количеству (n Э ) эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора: 5.Титр раствора (T) соответствует числу грамм растворенного вещества в 1 мл раствора: M Э – молярная масса эквивалента растворенного вещества.

55 Молярные массы эквивалентов (М э ),

56 Осмотическое давление (прибор для его определения) 1 – сосуд с раствором сахара; 2 – полупроницаемая мембрана; 3 – сосуд с водой.

57 Гидролиз солей по аниону I ступень II ступень

58 Гидролиз солей по катиону I ступень II ступень

59 Жесткость воды Соли временной жесткости воды: Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2. Соли постоянной жесткости воды: CaCl 2,CaSO 4,Ca(NO 3 ) 2, MgCl 2,MgSO 4,Mg(NO 3 ) 2.

60 Способы устранения жесткости воды Ca

61 Схема растворения ионного кристалла

Дисперсные системы

63 Классификация дисперсных частиц Название системы Характер и размеры частиц, м Гетерогенность и устойчивость Грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии, аэрозоли) Крупные частицы, 10 –5 – 10 –7 Гетерогенны, неустойчивы Коллоидно- дисперсные системы (золи) Коллоидные частицы, 10 –7 – 10 –9 Микрогетеро- генны, довольно устойчивы Истинные растворы Молекулы, ионы, 10 –10 Гомогенны, устойчивы

64 Строение мицеллы {m[AgJ] nJ – (n – x) K + }x K + m[AgJ] – агрегат; m[AgJ] nJ – – ядро; {m[AgJ] nJ – (n–x)K + } – коллоидная частица.

Электрохимические системы

66 Окислительно-восстановительные реакции Окисление – процесс отдачи электронов атомом или ионом. Восстановление – процесс присоединения электронов атомом или ионом. – –

67 Окислительно-восстановительные свойства металлов

68 Водородный электрод ЭДС = 0

69 Химическая активность металлов Значения E 0, ВМеталлы Химическая активность от –3,045 до –1,662 Li–Al Активные металлы от –1,628 до 0Ti до H Металлы средней активности от +0,337 до +1,691 Cu–Au Неактивные металлы E 0 – стандартный электродный потенциал, В.

70 Гальванические элементы

71 Уравнение Нернста Концентрационный гальванический элемент

72 Электролиз Закон Фарадея Перенапряжение (E n )

73 Электролиз раствора CuCl 2 1 – раствор CuCl 2, 2 – электроды (+) и (–), 3 – источник постоянного тока

74 Электролиз. Процессы на катоде 1. Катионы активных металлов на катоде не восстанавливаются, вместо них выделяется водород из воды по уравнению (–) К 2Н 2 О + 2ē = Н 2 + 2ОН – или 2Н + + 2ē = Н Катионы металлов средней активности – восстанавливаются одновременно с молекулами воды: (–) КMe n+ + nē = Me 0. и 2Н 2 О + 2ē = Н 2 + 2ОН –. 3. Катионы малоактивных металлов сами восстанавливаются на катоде: (–) КMe n+ + nē = Me 0.

75 Электролиз. Процессы на аноде Нерастворимый анод 1. Бескислородные кислотные остатки окисляются на аноде: (+) А2Cl – 2ē = Cl Кислородсодержащие кислотные остатки НЕ ОКИСЛЯЮТСЯ на аноде, выделяется кислород из воды: (+) А2H 2 O – 4ē = O 2 + 4H +, или (+) А4OH – – 4ē = 2H 2 O + O 2. Растворимый анод (+) АMe 0 – nē = Me n+.

76 Электролиз расплава NaCl

77 Электролиз водного раствора NaCl

Коррозия металлов

79 Виды коррозии Коррозия Химическая Электрохимическая Газовая коррозия Электрокоррозия (под действием внешнего электрического тока) Гальванокоррозия (самопроизвольное возникновение микрогальванических элементов) Жидкостная коррозия

80 Контактная электрохимическая коррозия

81 Анодное покрытие Fe (+) K

82 Катодное покрытие Fe ( – ) A

83 Протекторная защита Протектор-металл более активный, чем защищаемый металл В кислой среде Fe E 0 Fe 2+ /Fe = –0,44 В Е 0 Zn 2+ /Zn = –0,76 В (–) A Zn 0 – 2 ē Zn 2+ – окисление; ( +) К 2Н ē Н 2 – восстановление. Защищаемый металл Протектор Внешний проводник Zn (–) А Zn H + Fe (+) K

84 Электрозащита Для защиты металла от коррозии применяется электрический ток. В среде электролита Fe К Fe А (+) А Fe 0 А – 2ē Fe А 2+ – окисление. (–) К Восстановление – процесс, зависящий от состава электролита. Защищаемый металл Металлический лом (–) К(+) А

Общая характеристика металлов

86 Минералы металлов в природе Оксиды Fe 2 O 3 – гематит, Al 2 O 3 nH 2 O – боксит, Cu 2 O – куприт Сульфиды FeS 2 – пирит, ZnS – сфалерит, PbS –галенит Сульфаты CaSO 4 2H 2 O – гипс, BaSO 4 – барит Карбонаты CaCO 3 – кальцит, CaCO 3 MgCO 3 – доломит Хлориды KCl – сильвин, NaCl KCl – сильвинит и другие

87 Взаимодействие металлов с водой, щелочами

88 Взаимодействие металлов с разбавленными HCl и H 2 SO 4. ;. ;.

89 Взаимодействие металлов с концентрированной серной кислотой Сера изменяет степень окисления от +6 до: а) – 2; б) 0; в) +4.

90 Взаимодействие металлов с разбавленной азотной кислотой Азот изменяет степень окисления от +5 до: а) –3; б) 0, +1; в) +2.

91 Взаимодействие металлов с концентрированной азотной кислотой. ;

92 Взаимодействие металлов с неметаллами Оксиды – Na 2 O, BaO.Нитриды – Na 3 N, AlN. Пероксиды –Na 2 O 2, BaO 2. Карбиды – Be 2 C, Ca 2 C. Галиды – KCl, CaF 2.Фосфиды – Ca 3 P 2, Na 3 P. Сульфиды –MnS, Al 2 S 3.Бориды – AlB, Mg 3 B 2. Гидриды – LiH, CaH 2.Силициды –Mg 2 Si, Al 4 Si 3.

93 Способы получения металлов из руд пирометаллургия; гидрометаллургия; электрометаллургия; химические методы.

94 Пирометаллургические способы получения металлов из руд 1. Карботермический (восстановители C и CO): 2. Металлотермический (восстановители Mg, Al, Ca…): 3. Силикатометрический (восстановитель Si):

95 Электрометаллургический способ Al 2 O 3 Al 3+ + AlO 3 3– (–) КAl ē Al (+) АAlO 3 3– + 3С – 6ē Al 3+ 3СО t

96 Установка для получения алюминия из расплава Al 2 O 3

97 Химический метод очистки металлов

Полимеры и олигомеры

99 Полимеры и олигомеры

100 Полиэтилен...–CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –... или (–CH 2 –CH 2 –)n

101 Мономеры и полимеры Пропилен СН 2 =СH–CH 3 – мономер полипропилена -аминокислоты – мономеры природных полимеров – белков (полипептидов):

102 Степень полимеризации Степень полимеризации (n) показывает, сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу. n >> 1

103 Классификация полимеров По происхождению природные синтетические искусственные По геометрической форме линейные разветвленные сетчатые (трехмерные) По составу и химическому строению гомоцепные гетероцепные По свойствам при нагревании термопластичные термореактивные По однородности звеньев гомополимеры сополимеры По методу синтеза полимеризационные поликонденсационные

104 Гомоцепные полимеры Полиэтилен Полиизобутилен Поливинилхлорид (полихлорвинил) Политетрафтор- этилен Поливинилацетат Полиакриловая кислота

105 Гетероцепные полимеры Полисахариды Полиамиды Полипептиды

Физико-химические методы анализа

107 Оптические методы анализа 1. Атомный спектральный анализ 2. Молекулярный спектральный анализ Эмиссионная фотометрия пламени Атомно-абсорбционная спектроскопия Колориметрия Фотоколориметрия Спектрофотометрия

108 Оптические методы анализа (продолжение) 3. Люминисцентный метод анализа НефелометрияТурбидиметрия 4. Рефрактометрический анализ 5. Поляриметрический метод анализа

109 Классификация электрохимических методов анализа МетодИзмеряемый параметр ПотенциометрияЭлектродный потенциал Е, В Кондуктометрия. Высокочастотная кондуктометрия Удельная электропроводность, См см –1 ЭлектрогравиметрияМасса m, г Кулонометрия Количество электричества Q, Кл ВольтамперометрияСила тока I, мкА

110 Классификация хроматометрических методов анализа