Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Пособие для самоподготовки к лабораторным по химии в [12]

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
944.09 Кб
Скачать

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра химии

И.А. ЗАБЕЛИНА, Л.В. ЯСЮКЕВИЧ

М е т о д и ч е с к о е п о с о б и е для самостоятельной подготовки

клабораторным занятиям

по к у р с у

ХИМИЯ

для студентов БГУИР всех специальностей

в 2-х частях часть I

МИНСК 2006

Преподавание химии, кроме курса лекций, включает проведение лабораторных занятий. Для экономии времени и более глубокого осмысления лабораторных работ необходима самоподготовка студентов, организовать которую помогает данное методическое пособие.

В пособии активизируется и закрепляется лекционный материал. Пособие построено по принципу управляющего типа. Его основной структурной единицей является отдельная тема. В каждой теме сформулирована цель, приводятся требования к исходному уровню знаний и литература, которую студент может использовать для восполнения пробелов в знаниях.

С целью управления самостоятельной работой студентов используется система обучающих задач. Наряду с обучающими задачами пособие содержит варианты контрольных задач для самостоятельного решения. Проверка степени усвоения материала осуществляется с помощью тестов.

Учитывая то, что в рамках университетской программы для студентов многих специальностей химия является общеобразовательной дисциплиной, авторы данного методического пособия в ряде случаев сознательно шли на упрощение изложения материала.

© И.А. Забелина, Л.В. Ясюкевич 2006

СОДЕРЖАНИЕ

 

1

Кинетикафизико-химическихпроцессов. Химическоеравновесие4

1.1

Значимостьизучаемойтемы.....................................................................

4

1.2

Требованиякисходномууровнюзнанийиумений...............................

4

1.3

Содержаниетемы. Основныепонятияиопределения...........................

5

 

1.3.1

Скоростьхимическойреакции.............................................

8

 

1.3.2 Необратимыеиобратимыереакции. Химическое

 

 

равновесие......................................................................................

14

 

1.3.3

Катализ................................................................................

18

1.4

Примерырешениятиповыхзадач..........................................................

19

1.5

Контрольусвоениятемы.........................................................................

22

 

1.5.1

Индивидуальныезадания....................................................

22

 

1.5.2 Вопросыдлятестовогоконтролязнаний...........................

30

2

Растворыэлектролитовиихосновныехарактеристики...............

37

2.1

Значимостьизучаемойтемы...................................................................

37

2.2

Требованиякисходномууровнюзнанийиумений.............................

37

2.3

Cодержаниетемы. Основныепонятияиопределения.........................

38

 

2.3.1 Растворыэлектролитов. Основытеорииэлектролитической

 

диссоциации...................................................................................

38

 

2.3.2 Основныехарактеристикирастворовэлектролитов..........

40

2.4

Примерырешениятиповыхзадач..........................................................

48

2.5

Контрольусвоениятемы.........................................................................

51

 

2.5.1

Индивидуальныезадания....................................................

51

 

2.5.2

Вопросыдлятестовогоконтролязнаний...........................

55

3

Теоретическиесведениякзанятию № 1

1 Кинетикафизико-химическихпроцессов. Химическоеравновесие

1.1 Значимостьизучаемойтемы

Химическаякинетика— разделфизическойхимии, учениеоскоростяхи механизмах протекания физико-химических процессов. Изучение кинетики превращений позволяетвыяснитьреальный механизм протеканияпроцесса, осуществлять его математическое моделирование, оптимизацию и автоматизацию, открывает возможности управлять физико-химическим процессом:

1)осуществлятьпроцессстребуемойскоростью:

ускорять(технологияпроизводствановыхматериалов);

замедлять(повышениекоррозионнойстойкостиматериалов);

2)получатьмаксимальноеколичествоматериаласзаданнымисвойствамис минимальнымиспользованиемисходныхвеществ;

3)сокращатьэнергозатратынаосуществлениепроцесса.

Даннаятемаявляетсятеоретическойбазойдляследующихразделовкурса: “Растворыэлектролитов”, “Электрохимическиепроцессыиявления”.

1.2 Требованиякисходномууровню знанийиумений

Чтобы легче было разобраться в вопросах данной темы, нужно знать следующиевопросышкольного(ш) ивузовского(в) курсовхимии.

1.Скорость химической реакции. Зависимость скорости от природы реагирующихвеществ, концентрации, температуры(ш).

2.Катализикатализаторы(ш).

3.Необратимыеиобратимыереакции. Химическоеравновесие(ш).

4.Тепловойэффектхимическихреакций. Экзоиэндотермическиереакции

(ш).

ЕслипоодномуизвопросовисходногоуровняуВасимеетсяпробел, заполнитеего, проработавсоответствующийразделлекционногоматериалаи учебника.

КузьменкоН.Е., ЕреминВ.В., ПопковВ.А. Начала химии. – М.: Изд-во

«Экзамен», 1999.

ГлинкаН.Л. Общаяхимия. – Л.: Химия, 1988. КоровинН.В. Общаяхимия. – М.: Высш. шк., 2000.

Курсобщейхимии/ Подред. Н.В. Коровина. – М.: Высш. шк., 1981, 1990,

1998.

4

1.3 Содержаниетемы. Основныепонятияиопределения

В настоящем методическом пособиипринятобычный способнаписания

химическихформул(НО, СО ит.д.), которыесостоятизсимволовэлементови

2 2

подстрочныхиндексоввыражаютсяцелымичислами, обозначающимитолько атомныеотношенияэлементов.

Для соединений сковалентным типом связи, имеющих молекулярную структуру, формулаотражает состав отдельной молекулы. В этом случае числовыеиндексы, стоящиевнизусправаотсимволахимическогоэлемента, указываютначислоатомовданногоэлементаводноймолекуле.

Длясоединенийсионнымтипомсвязиформулауказываетсоставионови количественное соотношение между положительными и отрицательными ионами. Так, формулаNa2SO4 показывает, чтовданномсоединениинакаждые дваионанатрияNa+ приходитсяодинионSO42-.

Нижеприводятсязначения сокращенных слов, которыепишутсяпосле формулы для указаниянафазовоесостояниевеществаили накакие-либо дополнительныеданные:

тв.(т) — твердое; крист.(к) — кристаллическое; жидк.(ж) — жидкое; газ.(г) — газообразное;

1 атм. — придавленииводнуатмосферу.

Так, записьО , 25°, 1 атм. означаетмолекулярныйгазообразныйкислород

2(г)

при25°Сидавленииводнуатмосферу. Длявыполнениярасчетовнарядусединицамимассы иобъемавхимии

используютфизическую величинуколичествовещества. Следуетразличать массуиколичествовещества. Массувеществаизмеряютвграммах, аколичество веществавмолях.

Количествовещества(n) — размернаяфизическаявеличина, определяемая числомсодержащихсявэтомвеществеструктурныхчастиц(атомов, молекул, ионов, электронов). ВСИзаединицуколичествавеществапринятмоль.

Моль— этотакоеколичествовещества, вкоторомсодержитсячислочастиц любоговида(атомов, молекул, ионов), равноечислуАвогадроNА(6,02 1023). При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относитсяэтоттермин. Соответственно, можноговорить«мольмолекул», «моль атомов», «мольионов» ит.д. Например, мольмолекулводорода, мольатомов водорода, мольионовводорода.

Вуравненияххимическихреакцийкоэффициентыпередформуламивеществ (стехиометрические коэффициенты) указываютна отношение числа молей

5

реагирующихвеществ.

Масса1 молявеществавграммах, т.е. масса6,02 1023 частицвещества, называетсямольноймассой(М) иравнаотношению массы вещества(m) к соответствующемуколичествувещества(n):

M mn , г/моль.

Мольная (молярная) масса вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной массе Мr, выраженной в атомных единицах массы(а.е.м.). Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 44 а.е.м., томассаодногомолямолекулравна44 г, т.к.

М= NA · m (1 молекулы) = NA · Мr · 1 а.е.м. = (NA · 1 а.е.м.) · Мr = Мr

Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переходотмолекулярныхсоотношений кмолярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей. Например, уравнениереакции

Ca + H2 = CaH2

означает, чтоодинатомкальцияреагируетсодноймолекулойводорода, или, что одноитоже, одинмольатомовкальцияреагируетсодним молем молекул водорода.

Объем1 молягазаназываетсямолярнымобъемом(VМ) иравенотношению объемагаза(V) кколичествувещества(n):

VМ = Vn , л/моль

Молярныйобъемлюбогогазапринормальныхусловиях(сокращеннон.у.) равен 22,4 л. Нормальными условиями для газов считают давление

Р= 1 атм= 101,325 кПаитемпературуТ = 273 К= 0ºС (вбуквенныхзаписях

0 0

этиусловияобозначаютсянижниминдексом«0»: Р, Т, V ).

0 0 0

Химическаяреакция

В основефизико-химических процессовлежитхимическоепревращение однихвеществвдругие, т.е. химическаяреакция. Химическойреакциейможно считатьлюбоеизменениевещества, прикоторомобразуютсяилиразрываются химические связи между атомами. Химические реакции записываются посредством химическихуравненийисхем, содержащихформулы исходных веществипродуктовреакции. Вхимическихуравнениях, вотличиеотсхем, числоатомовкаждогоэлементаодинакововлевойиправойчастях, чтоотражает законсохранениямассы.

6

Механизмхимическойреакции

Химические реакции не происходят путем непосредственного взаимодействия исходных молекул с прямым переходом их в молекулы продуктовреакции. В большинствеслучаевреакцияпротекаетвнесколько стадий. Этотсложныйпутьоказываетсяболеевыгодным, т.к. элементарныйакт химической реакции возможен при попарном соударении непрерывно перемещающихсямолекул, соударенияодновременно трех частиц является маловероятнымсобытием.

Простыереакции— реакции, которыепротекаютводнустадию иих стехиометрическиеуравненияправильноотражаютреальныйходпроцесса.

Сложные реакции— реакции, которые протекают через несколько промежуточных стадий и их стехиометрические уравнения не отражают реального хода процесса, а являются отражением суммарного результата несколькихстадий.

Механизм химической реакции— совокупность всех стадий, через которыепроисходитпревращениеисходныхвеществвпродуктыреакции.

Исходные, конечныеипромежуточныевещества

Вещества, вступающиевпроцессхимическогопревращения, называются исходнымивеществами.

Вещества, образующиеся в процессе химического превращения и не претерпевающиевходеэтогопроцессадальнейшиххимическихизменений, называютсяпродуктамиреакции.

Вещества, образующиеся в одних стадиях процесса химического превращенияирасходующиесявдругихстадияхэтогожепроцесса, называются промежуточнымивеществами.

Вещества, образующиеся в одних стадиях процесса химического превращенияирасходующиесявдругихстадияхэтогожепроцесса, называются промежуточнымивеществами.

aA +bB = cC + dD

исходныев-ва продуктыреакции

реагирующиев-ва

реагенты

Гомогенныеигетерогенныепроцессы

Гомогенныепроцессыпротекаютвовсемобъеме, реагирующиевещества находятсяводнойфазе. Молекулы всехреагирующихвеществнаходятсяв одинаковыхусловиях. Примероммогутслужитьреакцииврастворах.

Фаза— частьсистемы, однороднаявовсехточкахпосоставуисвойствами отделеннаяотдругихчастейсистемыповерхностьюраздела, припереходечерез которуюсвойствасистемырезкоменяются.

7

Гетерогенныепроцессы протекаютнаграницеразделафаз, например, окисление и травление металлов и полупроводников, горение твердого и жидкоготоплива, химическаяиэлектрохимическаякоррозияит.д. Особенность этихпроцессов– сложностьимногостадийность.

1.3.1 Скоростьхимическойреакции

Химическоевзаимодействиемежду частицами возникает при взаимном возбужденииэлектронов, необходимомдляразрушениястарыхиобразования новыхсвязей, аэтовозможнолишьпринепосредственномконтакте, т.е. при столкновенииреагирующихчастиц. Скоростьреакцииилиееколичественная интенсивность, равначислуактоввзаимодействиявединицувременивединице реакционного пространства. Для выражения скорости можно использовать пропорциональныечислуактоввзаимодействиявеличины, например, изменение вовремениколичествареагирующихвеществ.

Скоростью химической реакции— называют изменение количества реагирующихвеществвединицувременивединицереакционногопространства. Реакционным пространством вгомогеннойсистемеслужитобъем сосуда, в которомпротекаетвзаимодействие, вгетерогенной— поверхностьразделафаз.

Скоростьгомогенныхреакцийизмеряетсяколичествомвеществасистемы, вступающеговреакцию илиобразующегосяврезультатереакциивединицу временинаединицуобъема. Таккакколичествовещества(моль), отнесенноек

n

занимаемомуимобъему естьмольнаяконцентрация(С, моль/л), можно

V

определить скорость гомогенной химической реакции как изменение концентрацииодногоизвеществ, участвующихвпроцессе, заединицувремени.

Безразлично, концентрацию какого изреагирующих веществ брать для измерения скорости, т.к. концентрации всех реагентов изменяются в эквивалентныхколичествах. Измеренныепоразным веществам скоростине равны, апропорциональныоднадругой. Например, вреакциисинтезааммиака N2 3H2 2NH3 накаждыймольN2 расходуетсятримоляH2 иобразуется

двамоляNH3 . Соответствующиеимскоростиреакцииотносятсякак1 : 3 : 2.

Скорость гетерогенных реакций измеряется количеством вещества системы, вступающеговреакцию илиобразующегосязаединицувременина единицуповерхностиразделафаз. Таккакпроцессосуществляетсяневобъеме твердоговещества, анаповерхности, концентрацияегоостаетсяпостоянной, поэтомускоростьгетерогенныхреакцийопределяетсяизменениемконцентрации газообразных или жидких веществ. Скорость гетерогенных реакций при постояннойтемпературеявляетсяфункциейнетолькоконцентрациивеществ, но иплощадиреакционнойповерхности. Чембольшеповерхностьсоприкосновения реагентов, тембольшевероятностьстолкновениямолекулвеществ, находящихся вразныхфазах, тембольшескоростьгетерогенноговзаимодействия.

Посколькускоростьреакции— функциявремени, вхимическойкинетике

8

различаютсреднюю и истинную (мгновенную) скоростьреакции. Средняя скоростьреакциихарактеризуетпроцессзакакой-топромежутоквремени∆t:

 

C

,

(1.1)

t

 

 

 

где С С С ; С иС – концентрацияреагирующего веществав момент

2

1

2

1

времениt2 иt1;

 

 

2

 

 

 

t t2 t1. Измеряетсяскорость: моль/л∙с; моль/м∙с.

Если t 0, товпределесредняяскоростьстановитсяскоростьювданный

моментвремениилиистиннойскоростью:

 

dC

(1.2)

dt

 

Скоростьфизико– химическогопроцессавсегдавеличинаположительная, поэтомупереддробью ставятзнак«±» : знак«+» дляопределенияскорости реакциипонакоплению продуктареакции, знак«–» дляопределенияскорости реакциипоубылиисходноговещества.

Скоростьхимическойреакциизависитот:

1)природыреагирующихвеществ;

2)условий протекания реакции– концентраций реагентов, температуры, давления(длягазов);

3) присутствиякатализаторов.

Влияниеконцентрацииреагирующихвеществ

наскоростьреакции

Призаданныхвнешнихусловиях(температура, давление) скоростьявляется функцией концентрации реагирующих веществ. Этотпостулатвытекаетиз физическиочевидногопредположения, чтореагируюттемолекулы, которые сталкиваются. Вероятность столкновения, следовательно, вероятность взаимодействия, пропорциональнаконцентрациям реагентов. Этазависимость выражаетсяосновнымзакономхимическойкинетикизакономдействующих масс(ЗДМ), получившим своеназваниеоттермина«действующаямасса» – синонимасовременногопонятия«концентрация».

Закондействующихмасс– скоростьгомогеннойхимическойреакциипри постояннойтемпературепрямопропорциональнапроизведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентамвуравненииреакции.

ДляреакцииаА+ вВ сС+ dD математическоевыражениеЗДМ имеетвид

k CaA CBb

(1.3)

где — скоростьреакции;

9

2(г)

k — константаскорости;

СиС — концентрацииреагентовАиВ, моль/л;

АВ

а, в— стехиометрическиекоэффициентывуравненииреакции. Уравнение(1.3) представляетсобойдифференциальноеуравнениескорости

химическойреакции, записанноевусловнойформе. Закондействующихмасс справедливтолькодляпростыхреакций. ДлясложныхреакцийЗДМ справедлив длякаждой отдельнойстадии, нонедлявсегопроцессавцелом. Таккак скорость сложной химической реакции определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии, то математическаязаписьЗДМ самой медленной стадии приложима ко всей реакции, представляя собой лишь математическуюмодельэтогопроцесса.

Вгазовойсмесипарциальноедавлениекаждогогазапропорциональночислу молекул этого газа, содержащихся в данном объеме. Следовательно, парциальныедавлениягазовявляютсямерамиихконцентрацийиввыражении ЗДМ применительнокгазовым реакциям вместоконцентрациймогутбыть указаныпарциальныедавлениягазов

k PAa PBb

(1.4)

ПрименяяЗДМ кгетерогеннымпроцессам, учитывают, чтоконцентрации твердыхвеществпостоянны и включены вконстантускорости, поэтомув уравнениеЗДМ входяттолькоконцентрациигазообразныхилижидкихвеществ.

Например, дляреакцииC(т) O2(г) CO ЗДМ запишетсявследующемвиде:

kCO2 , или kPO 2 .

Константаскорости. Множительk вуравнениях(1.3) и(1.4) называется константойскоростихимическогопроцесса. Числореагирующихмолекули числоихстолкновенийнеодноитоже, поэтомуввыраженииЗДМ скорость реакциинеравна, апропорциональна(k) произведениюконцентраций.

Физическийсмыслk: константаскоростипоказывает, скакойскоростью идетхимическийпроцессприконцентрацияхреагирующихвеществ, равных 1 моль/л. Следовательно, k независитотконцентрацииихарактеризуетвлияние природыреагирующихвеществнаскоростьихвзаимодействиядругсдругом.

Химическийсмыслk: константаскоростиявляетсяколичественноймерой реакционной способности молекул. Значениеk дляразличныхреакцийпри однойитойжетемпературедаетсравнительную характеристикуспособности исходныхвеществквзаимодействиюприэтойтемпературе. Вслучаеничтожно малыхзначенийk любоевозможноеповышениеконцентрацийреагирующих веществнеделаетскоростьреакциизаметной.

Константа скорости химической реакции k определяется природой

10