Text
                    А. Владин

ХИМИЯ

Заметки по курсу общей химии для решения типовых заданий.

Выборг 2024


15.12.2024 Заметки по химии. А. Владин Содержание 1 Заметки по химии 3 1.1 Основные понятия химии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Сводка формул для выражения концентраций. . . . . . . . . . 4 1.3 Понятие о квантовых числах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Электронные формулы атомов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Валентность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 Электронно-графические формулы атомов. . . . . . . . . . . . 7 1.7 Типы химических связей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8 Химическая кинетика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.9 Окислительно-восстановительные реакции. . . . . . . . . . . 10 1.10 Электролиз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.11 Коррозийный гальванический элемент. . . . . . . . . . . . . . 11 Приложение Таблица Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева Таблица Растворимость кислот, солей и оснований в воде. Таблица Электроотрицательности химических элементов по Л. Полингу. Таблица Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы. 2
15.12.2024 1 1.1 Заметки по химии. А. Владин Заметки по химии Основные понятия химии. Моль (от лат. moles – масса), единица количества вещества. Один моль вещества содержит столько же тождественных структурных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах нуклида 12 C, а именно постоянной величине NA - называемой числом Авогадро (постоянная Авогадро). NA = 6, 02214076 · 1023 моль–1 Число частиц данного вещества N можно найти по формуле: N = n · NA (1) Где n - количество вещества в молях. Закон Авогадро - равные объёмы различных (идеальных) газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Следствие из закона Авогадро - 1 моль любого (идеального) газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Нормальные условия - стандартные физические условия, в которых обычно рассматривают свойства вещества, образом: температура T = 273, 15K определены следующим (0◦ C), атмосферное давление p = 1 атм = 101325 Па = 760 мм рт.ст. При указанных условиях 1 моль идеального газа занимает объем 22,4 литра. Молярная масса M – это масса одного моль вещества, измеряется в кг/моль. M= m n (2) Где m - масса вещества (кг). Выразив из формулы (2) количество вещества n и подставив его в формулу (1) получим: N= m · NA M 3 (3)
15.12.2024 1.2 Заметки по химии. А. Владин Сводка формул для выражения концентраций. Таблица формул для пересчёта концентрации раствора. ω C CН T Массовая доля Молярность Нормальность Титр ω, доли C, моль/л CН , моль-экв/л T , г/мл m mр-ра C = ω·ρ M CН = Mω·ρ·f ω·ρ T = 1000 ω= C·M ρ C = Vnрв CН = Cf T = C·M 1000 ω= ω= CН ·M ·f ρ C = CН · f C = nв f ·Vр CН ·f ·M 1000 CН = CН = T = T = Примечание: ω= ω= ω% 100% m - масса вещества, грамм. mр-ра - масса раствора, грамм. M - молярная масса вещества, грамм/моль. ρ - плотность раствора, грамм/литр. ρ (г/л) = 1000 · ρ (г/мл) f - фактор эквивалентности вещества. nв -количество вещества, моль. Vр - объём раствора, литр. 4 T ·1000 ρ T ·1000 M T ·1000 f ·M m Vр ·1000
15.12.2024 1.3 Заметки по химии. А. Владин Понятие о квантовых числах. Квантовые числа определяют значения физических величин, которые характеризуют квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу) и отдельные элементарные частицы. Состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами, соответственно четырём степеням свободы электрона (3 степени свободы связаны с тремя координатами, определяющими пространственное положение электрона, а четвёртая, внутренняя, степень свободы — с его Спином). Для атома водорода и водородоподобных атомов эти квантовые числа образующие полный набор, следующие: Главное квантовое число n определяет уровни энергии электрона и равно номеру периода элемента в таблице Менделеева. Орбитальное (Азимутальное) квантовое число l характеризует размер и форму электронного облака (орбиты). В электронной формуле обозначается латинскими буквами: l = 0 s - орбиталь l = 1 p - орбиталь l = 2 d - орбиталь l = 3 f - орбиталь Магнитное квантовое число ml характеризует ориентацию электронного облака (орбиты) в пространстве. Cпиновое число (Магнитное спиновое) ms характеризует возможные значения проекции спина электрона. Краткая сводка о каждом квантовом числе представлена в таблице (см. след. страницу). 5
15.12.2024 Заметки по химии. А. Владин Таблица понятие о квантовых числах. Принимаемые № Название 1 Главное значения n 1, 2, 3, . . . , +∞ Что характеризует? Энергетический уровень. Форму орбитали, 2 Орбитальное l 0, 1, 2, . . . , (n − 1) энергетический подуровень. Ориентация 3 Магнитное ml −l, . . . , −1, 0, 1, . . . , l орбитали в пространстве. Собственный 4 Спиновое ms − 12 , 1 2 импульс электрона. 6
15.12.2024 1.4 Заметки по химии. А. Владин Электронные формулы атомов. Система обозначений в электронной формуле атома: nlx, где n - номер периода (цифра), l - орбитальное квантовое число (латинская буква), x - число электронов. Таблица максимальная ёмкость орбиталей. Подуровень Количество электронов s 2 p 6 d 10 f 14 Построение периода: В начале: s-элементы, в конце: p-элементы. В 4 и 5 периодах между ними помещаются d-элементы, в 6 и 7 периодах к ним добавляются f-элементы. Пример электронная формула Скандия: 1.5 21 Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 Валентность. Валентность элемента количественно характеризует возможности его атомов взаимодействовать с другими атомами. Номер группы (для большинства элементов) равен общему числу валентных электронов. Спиновая валентность - число одиночных (неспаренных) валентных электронов атома. 1.6 Электронно-графические формулы атомов. Пример заполнения электронно-графической формулы атома хлора: ↑↓ ↑↓ 1s2 2s2 ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2p6 ↑↓ 3s2 7 ↑↓ ↑↓ 3p5 ↑
15.12.2024 1.7 Заметки по химии. А. Владин Типы химических связей. Электроотрицательность - свойство атомов притягивать к себе электроны. При химических реакциях электроны переходят или смещаются к атомам элементов, обладающих большей электроотрицательностью. Ковалентная неполярная связь - это химическая связь образованная между атомами с одинаковой электроотрицательностью. Пример образования ковалентной связи в молекуле водорода: H ·+·H →H :H Ковалентная полярная связь - это химическая связь образованная между атомами, электроотрицательность которых незначительно отличается. Пример образование молекулы хлороводорода: H · + · C̈l .. :→ H : C̈l .. : В той части молекулы, где находится более электроотрицательный элемент, накапливается избыток отрицательного заряда, а где менее электроотрицательный элемент - избыток положительного заряда. Ионная связь - химическая связь которая образуется при взаимодействии атомов элементов, электроотрицательности которых резко отличаются. Пример образование фторида натрия: N a0 + F 0 → N a+ F − Донорно-акцепторная связь - один из способов образования химической ковалентной связи, осуществляется за счёт пары электронов одного атома (донора) и свободной (незаполненной) орбитали другого (акцептора). Металлическая связь - тип связи атомов в кристаллических веществах, обладающих металлическими свойствами, характеризующийся взаимодействием свободных, делокализованных по всей кристаллической решетке электронов с катионами металла, находящимися в ее узлах. 8
15.12.2024 1.8 Заметки по химии. А. Владин Химическая кинетика. Химическая кинетика – это область химии, которая изучает скорость химической реакции, а также факторы, влияющие на ее величину. Схематичная химическая форма движения материи: aA + bB → cC + dD где A и B - реагенты (исходные вещества), C и D - продукты реакции (конечные вещества). Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ: V = k · CAx · CBy где V – скорость химической реакции, k - константа скорости реакции, CA и CB - концентрации веществ A и B, x и y – частные порядки реакции по реагентам A и B (порядки реакции могут определены исключительно экспериментально). Зависимость скорости реакции от температуры отображается формулой Вант-Гоффа: t2 −t1 V t2 = γ 10 V t1 где V - скорость реакции при указанной температуре (t2 или t1 ), γ - температурный коэффициент реакции. Константа химического равновесия. [C]c · [D]d K= [A]a · [B]b где [A], [B], [C], [D] - равновесные концентрации соответствующих газообразных и растворенных веществ (для реакции в растворе). Твёрдые вещества не включаются в правую часть, так как их концентрации считают постоянными. 9
15.12.2024 1.9 Заметки по химии. А. Владин Окислительно-восстановительные реакции. Процессы в результате которых происходит переход или смещение валентных электронов от атомов с меньшей электроотрицательностью к атомам с большей электроотрицательностью, являются окислительно восстановительными реакциями. Окислитель - частица, принимающая электроны. Восстановитель – частица, отдающая электроны. Окисление - процесс отдачи электронов. Восстановление - процесс присоединения электронов. Степень окисления определяется числом электронов, смещённых от одного атома элемента к другому атому элемента. В соединениях сумма абсолютных значений степеней окисления равна нулю. Межмолекулярные - реакции атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав разных веществ. Внутримолекулярные реакции - атом-окислитель и атом восстановитель, являясь атомами разных элементов, входят в состав одного и того же вещества. Реакции диспропорционирования - происходят в результате окисления и восстановления одного и того же атома, находящегося в промежуточной степени окисления. Реакции сопропорционирования - ОВР, в которых в процессе окисления и в процессе восстановления образуются одни и те же продукты. 10
15.12.2024 1.10 Заметки по химии. А. Владин Электролиз. Электролиз расплавов на инертных электродах, разрядка ионов, входящих в состав электролита: Катодный процесс: M en+ + ne− = M e0 Анодный процесс: X m− − me− = X 0 Электролиз водных растворов веществ, возможность участия воды в электродных реакциях: Катодный процесс: 2H2 O + 2e− = H2 + 2OH − Анодный процесс: 2H2 O − 4e− = O2 + 4H + Не участвуют в электродных реакциях: которых стандартный электродный потенциал E 0 катионы металлов, у ≤ −1, 6 B. Вместо указанных частиц участниками электродной реакции являются молекулы воды. При электролизе водного раствора соли на электродах выделяются водород и кислород. Водород может выделяться на катоде в случае металлов с E 0 < −1, 6 B. Выделение кислорода можно ожидать в тех случаях, когда в состав соли входят кислородосодержащие анионы. 1.11 Коррозийный гальванический элемент. Анодный процесс: окисление металла с более отрицательной величиной электродного потенциала: M e − ne− = M en+ Катодный процесс: восстановление частиц, присутствующих в электролите на катоде (металл с менее отрицательным электродным потенциалом). В кислых средах: 2H + + 2e− = H2 . В нейтральных и щелочных средах (влажный воздух, морская вода, почвенные воды нейтрального характера и т.п.): O2 + 2H2 O + 4e− = 4OH − 11
Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева Г р у п п ы I II III IV V VI VII VIII 2 1 1 H 1,008 Водород 3 П 2 е 3 Li 6,94 4 5 Be 6 B C Литий 11 9,01 Бериллий 12 Na 22,99 Mg 24,31 Натрий 19 Магний 20 26,98 Алюминий 21 28,09 Кремний 22 K 39,10 Ca 40,08 Sc 44,96 Ti 47,90 и Калий 29 Кальций 30 Скандий 31 Титан 32 о 63,55 Медь 37 65,39 Цинк 38 Rb 85,47 Sr 87,62 Y 88,91 Рубидий 47 Стронций 48 Иттрий 49 р 4 Cu 5 д Ag ы 6 107,87 Серебро 55 Cd 112,41 Кадмий 56 Al Ga 69,72 Галлий 39 In 114,82 Индий 57 12,01 Углерод 14 Si Ge 8 N 14,00 Азот 15 P 30,97 Фосфор 23 V 50,94 Ванадий 33 As Au 196,97 Золото 87 Барий 80 Hg 200,59 Ртуть 88 Лантан 81 Tl 204,38 Таллий 89 Fr [223] Ra 226 Ac** [227] Франций 111 Радий 112 Актиний 113 Rg Cn Nh O 16,00 Кислород 16 S 32,06 Сера 24 He 4,00 9 Гелий 10 F Неон 18 Cl 35,45 Хлор 25 Fe 55,85 Co 58,93 Ni 58,69 Марганец 35 Железо Кобальт Никель Se Mo 95,94 Tc 98,91 Молибден 52 Технеций 53 Sb Гафний 82 Pb 207,2 Свинец 104 Rf [261] Резерфордий 114 Fl [280] Рентгений [285] Коперниций [286] Нихоний [289] Флеровий Тантал 83 Bi Te 127,60 Теллур 74 W 183,85 Вольфрам 84 Po 36 Br Nb 121,75 Сурьма 73 28 Mn 54,94 Zr Sn 27 Хром 34 79,90 Бром 43 118,69 Олово 72 26 Cr 52,00 78,96 Селен 42 92,91 Ниобий 51 Ar 39,95 Аргон 74,92 Мышьяк 41 91,22 Цирконий 50 Ne 20,18 19,00 Фтор 17 72,59 Германий 40 Cs 132,91 Ba 137,33 La* 138,91 Hf 178,49 Ta 180,95 Цезий 79 7 Zn 10,81 Бор 13 7 (H) 126,90 Иод 75 Kr 83,80 Криптон 44 Рутений 54 Ксенон 76 Re 186,21 Os 190,2 Рений 85 Осмий 77 78 Ir 192,22 Pt 195,08 Иридий Платина 86 At [210] Астат 107 Rn [222] Sg [266] Bh [264] Hs [269] Дубний 115 Сиборгий 116 Борий 117 Хассий Lv Палладий Xe 131,29 Db [262] [293] Ливерморий Родий I [209] Полоний 106 Mc 46 Ru 101,07 Rh 102,91 Pd 106,42 208,98 Висмут 105 [290] Московий 45 Радон 108 109 Mt [268] Мейтнерий 110 Ds [271] Дармштадтий 118 Ts Og [294] [294] Теннесий Оганесон * Лантаноиды 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce 140 Pr 141 Nd 144 Pm [145] Sm 150 Eu 152 Gd 157 Tb 159 Dy 162,5 Ho 165 Er 167 Tm 169 Yb 173 Lu 175 Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th 232 Pa 231 U 238 Np 237 Pu [244] Am [243] Cm[247] Bk[247] Cf[251] Es [252] Fm[257] Md[258] Lr [262] Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Фермий Менделеевий No [259] ** Актиноиды Калифорний Эйнштейний Нобелий Лоуренсий
РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОТ, СОЛЕЙ И ОСНОВАНИЙ В ВОДЕ OH– F– Cl– Br– I– S2– HS– SO32– HSO3– SO42– HSO4– NO3– NO2– PO43– HPO42– H2PO4– CO32– HCO3– CH3COO– SiO32– MnO4– Cr2O72– CrO42– ClO3– ClO4– H+ Li+ K+ Na+ NH4+ Ba2+ Ca2+ Mg2+ Sr2+ Al3+ Cr3+ Fe2+ Fe3+ Mn2+ Zn2+ Ag+ Hg2+ Pb2+ Sn2+ Cu2+ Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Н Р Р Р Р Р Р М Р Р Р Р Р Р ? Р Р Р Р Н ? Р Р Р Р Н Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р – Р Р Р Р Р ? Р Р Р Р Р Р М Р Р Р – Р Н Р Н ? Р P Н H P Н P Р Н Р М Н P Р М Н Р Р Р – Р Н Р М ? Р P Н H P Н P Р Н Р Р Р P Р Н Н Р Р Р – Р М Р Р ? Р P Н M P Н P Р Н Р ? Р P Р М Н Р Р Р Н Р Н Р Н – P P H H P H P P H Р Н Н P P Н М Р Р Р – ? ? ? Р ? Р ? Н ? ? ? ? – ? Р ? ? Р Р Н Н Р Р ? – ? – ? Р ? Р ? Н ? ? ? ? Р ? ? ? ? Р Р Н Н Р Р Р Н ? Н ? Р ? Р ? Н H P Н P Р Н ? ? ? ? Р Н Н Р Р ? – ? ? ? Р ? Р ? Н ? ? – ? – ? ? Р Н ? Р Н Р Р Р Р Н ? ? ? Р ? Р ? Н H P Н ? Р Н ? ? Н Р Р Н Р Р Р Р Н ? М ? Р ? Р ? Н ? P Н ? Р Н Р ? Н Р Р – Р Н Н Н Н ? Н ? М ? Р M Н ? P Н ? Р ? ? Н Н Р Р – – Р М Н Н ? Н ? – ? Р ? Н ? ? Н ? Р ? ? Н Н Р Р Н Н М М Н Н ? Н ? Н Н Р ? Н M – Н P Р Н ? М Н Р Р Н Р Р Р М Н ? ? ? Р ? – ? Н Н ? ? ? – ? ? ? Н ? ? Н Р Р Р ? Н ? ? ? Р ? Р ? Н ? ? Н ? Р ? ? Р Н Р Р «Р» – растворяется (> 1 г на 100 г H2O); «М» – мало растворяется (от 0,1 г до 1 г на 100 г H2O) «–» – в водной среде разлагается «Н» – не растворяется (меньше 0,01 г на 1000 г воды); «?» – нет достоверных сведений о существовании соединений РЯД АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОВ / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЯД НАПРЯЖЕНИЙ Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au активность металлов уменьшается
Электроотрицательность (X) химических элементов по Л. Полингу1 № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 Элемент X H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge 2,20 – 0,98 1,57 2,04 2,55 3,04 3,44 3,98 – 0,93 1,31 1,61 1,90 2,19 2,58 3,16 – 0,82 1,00 1,36 1,54 1,63 1,66 1,55 1,83 1,88 1,91 1,90 1,65 1,81 2,01 № 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Элемент X As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd 2,18 2,55 2,96 – 0,82 0,95 1,22 1,33 1,6 2,16 2,10 2,2 2,28 2,20 1,93 1,69 1,78 1,96 2,05 2,1 2,66 2,60 0,79 0,89 1,10 1,12 1,13 1,14 – 1,17 – 1,20 № 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 Элемент X Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu – 1,22 1,23 1,24 1,25 – 1,0 1,3 1,5 1,7 1,9 2,2 2,2 2,2 2,4 1,9 1,8 1,8 1,9 2,0 2,2 – 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,3 1,3 Данные из справочного издания: CRS Handbook of Chemistry and Physics, 87th Edition / Ed. D. R. Lide. – Taylor & Francis: CRC Press, 2007. – P. 9.77.
ПРИЛОЖЕНИЕ Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы (по отношению к потенциалу стандартного водородного электрода) Окисленная форма Число полученных электронов Восстановленная форма ϕ0,В Li+ Rb+ K+ Cs+ Ba2+ Sr2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Mn2+ 2H2O(pH = 14) 1 1 1 1 2 2 2 1 2 3 2 2 –3,045 –2,925 –2,925 –2,923 –2,900 –2,880 –2,870 –2,714 –2,370 –1,662 –1,180 –0,828 Zn2+ Cr3+ Fe2+ Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Al Mn H2 + 2OH– 2 3 2 Zn Cr Fe –0,763 –0,744 –0,440 2H+(pH = 7) Cd2+ 2 2 H2 Cd –0,414 –0,403 Co2+ Ni2+ Sn2+ 2 2 2 Co Ni Sn –0,277 –0,250 –0,136 Pb2+ 2H+(pH = 0) 2 2 –0,126 0 Cu2+ O2 + 2H2O(pH = 14) I2 Pb H2 2 4 2 Cu 4OH– 2I– +0,337 +0,401 +0,536 Fe3+ Hg2+ 1 2 Fe2+ 2Hg +0,771 +0,798 Ag+ O2 + 2H2O(pH = 7) 1 4 Ag 4OH– +0,799 +0,815 Hg 22 + 2 Hg +0,854 Br2 2 2Br– +1,065 4 2 2 H2O 2Cl– +1,229 +1,359 Au3+ 3 Au +1,500 SO24 − 2 S2 O82− +2,010 F2 2 2F– +2,870 4H+ O2 + Cl2 22