Билет №1. Химическая система. Вещество и химические превращения. Химический элемент. Простое и сложное вещество. Основные свойства химических систем. Химическая двойственность. Типы химических реакций.
Химическая система – совокупность микро и макро количеств веществ, способных воздействием внешних факторов (условий) к превращениям с образованием новых химических соединений.
Вещество - вид материи, обладающее массой покоя и состоящий главным образом из элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов).
Любое вещество состоит из структурных единиц – атомов, молекул, ионов.
Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Является самой простой электро нейтральной химической микросистемой, подчиняющейся законам квантовой механики.
Химические превращения – такие превращения, при которых происходят изменения только во внешних электронных слоях атомов, не затрагивая внутренние слои и ядра.
Основные признаки химических привращений:
Выделение газа.
Образование осадка.
Выделение или поглащение теплоты Q.
Изменение цвета как результат изменения электронного стороения или степени окисления элементов в молекулах.
Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (пример: 63Сu и 65Сu – изотопы).
Молекула – наименьшая частица химического вещества, способная к самостоятельному существованию как единая динамическая система, состоящая из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов (пример: 2Cl—2e->Cl2).
Ионы – частицы реального вещества (одно или много атомные), несущие на себе электрический заряд (пример: простые – H+, Na+, Сu2+; сложные – NH4+, SO42-).
Простые вещества – молекулы состоят из атомов одного и того же элемента (пример: металлы и неметаллы атомного строения – Cu, Ag, C, Si; неметаллы молекулярного строения – J2, Br2, O2).
Сложные вещества – молекулы состоят из атомов разных химических элементов (примеры: LiH, NaF).
Свойство веществ проявлять различные свойства в зависимости от условий среды называется химической двойственностью (пример: амфотерность Al(OH)3)
Типы химических реакций:
Разложения – реакции при которых из одного вещества происходит образование нескольких веществ (пример: 2HgO=2Hg+O2).
Cоединения – оброазование из нескольких веществ одного (пример: H2+I2=2HI).
Обмена – реагирующие вещества обмениваются составными частями (пример: CaO+2HCl=CaCl2+H2O). Частным случаем является реакции нейтрализации – взамодействие кислот с основаниями.
Замещения – простое вещество вытесняет из простое из сложного (пример: Fe+2HCl=FeCl2+H2).
К особому типу относятся окислительно-восстановительные реакции, сочетающие в себе все или отдельные вышеперечисленные типы реакций.
|
Билет №2. Электронное строение атома, квантовые числа, типы орбиталей. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней (минимум энергии, принцип Паули, правило Хунда, правило Клечковского). Особенности формирования многоэлектронных подуровней (d и f подуровней). Валентность.
Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств, состоит из положительно заряженного ядра и электронов. Является самой простой электро нейтральной химической микросистемой, подчиняющейся законам квантовой механики.
Для электрона в атоме справедлив принцип двойственности: электрон является одновременно и материальной частицей малой массы и электромагнитной волной.
Принцип неопределнности Гейзенберга: В каждый конкретный момент времени нельзя с одинаковой точностью определить место нахождения электронов (координаты x,y,z) и его скорость (или импульс).
Движение электорона в атоме может быть представлено в виде электронного облака.
Область электронного облака, в которой электрон проводит более 95% времени называется электронной орбиталью (Э.О.). Больший размер орбитали характеризует большую энергию электрона. Орбитали близкого размера образуют энергетические уровни, которые состоят из подуровней.
Для описания состояния электрона в атоме используются 4 квантовых числа (n,l,m,s). Первые три соответствуют трем степеням свободы электрона в трехмерном пространстве, а четвертое соответсвует вероятности вращения электрона вокруг воображаемой собственной оси. Квантовые числа:
“n” – главное квантовое число. Характеризует уровень энергии электрона в поле атома (удаленность от ядра). Математическая зависимость энергии связи с ядром: Ea=-13,6/n2 Эв, n=1,2,… Для реальных элементов n=1,…,7. n=номеру периода.
“l” – орбитальное квантовое число. Характеризует тип подуровня (форма электронного облака). l=0,1,2,…,(n-1). Обозначается буквами. При этом l=0 соответствует s, 1-p, 2-d, 3-f, 4-q, 5-h. (s,p,d,f,q,h - это типы орбиталей)
“m” – магнитное квантовое число. Характеризует пространственное расположение орбитали. m=± 0, ± 1, ± 2,…, ± l. Cумма орбиталей на подуровне: е =2l+1.
“s” – спиновое квантовое число. Характеризует вероятность вращения электрона вокруг своей оси в двух противоположенных направлениях. s=± 1/2. “+” – по часовой стрелке, “-“ – против часовой стрелке. Вращение сообщает электрону собственный магнитный момент, который называется спином электрона.
Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней:
Принцип Паули (запрет): у атомов, имеющих больше одного электрна не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Или так: на одной орбитали могут находится только два электрона, причем с противоположенными спинами.
Принцип минимума энергии: последовательное заполенние электронов в атоме должно отвечать как минимому энергии самого электрона, так и минимому энерги атома в целом. Или так: минимум энергии соответствует максимому устойчивости. Заполение идет в соответсвии с уравнением энергии орбитали: ns<(n-1)d» (n-2)f
Правило Клечковского: сначала заполняются те подуровни, сумма n+l которых наименьшая. Если для двух подуровней сумма n+l равна, то сначала заполняется подуровень с меньшим n.
Правило Хунда: в основном (невозбужденном) состоянии атома на подуровнях np, nd и nf всегда имеется максимальное количество неспаренных электронов (максимальный неспаренный спин).
Валентность – способность образовывать химические связи.
Основное состояние – состояние с минимальной энергией, т.е электроны находятся ближе к ядру.
Возбужденное состояние – состояние, при котором все или часть электронов в атоме распарены и находятся на подуровне с большей энергией, т.е дальше от ядра.
Максимальная валентность наблюд. в возбужденном сост. и как правило совпадает с ном. группы, в которой находится элемент.
|
Билет №3. Периодическая система Д.И.Менделеева (ПСЭ). Взаимосвязь химических свойств простых веществ с электронным строением атомов. Характер зависимостей радиусов атомов, энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности в ПСЭ. Металлы и неметаллы.
Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра и порядкового номера элемента в таблице, т.к. с ростом заряда и порядкового номера периодически возобновляются на более высоких уровнях электронные конфигурации внешних слоев.
Взаимосвязь химических (физических) свойств с местоположением элемента:
Орбитальный радиус свободного атома R. R в периоде слева направо уменьшается с увеличением порядкового номера. Монотонное уменьшение нарушается при переходе от одного типа элемента к другому. Монотонность нарушается: а) при переходе от d к p - R(Zn)
- Энергия ионизации (Э.И.) – энергия, необходимая для отрыва электрона и удаления его от атома на бесконечность. В периодах Э.И. возрастает, но не равномерно. В главных подгруппах уменьшается сверху вниз, т.к. радиус увеличивается.
- Энергия сродства к электрону – энергия, выделяемая или поглощаемая, при присоединении электрона к атому. Свойства аналогичны Э.И.
- Электроотрицательность (Э.О.) – способность атома притягивать или отталкивать электронные пары химической связи. Если Э.О. > 1,5 – металл; 1,5< Э.О.<2 – переходные свойства; Э.О.>2 – неметаллы. По Полингу абсолютная Э.О. определяется как (Еион+Еср)/z. На практике используется относительная. Э.О. возрастает по периоду, в целом имея сложную зависимость.
|
Билет №4. Химическая связь. Метод валентных связей. Основные виды (ковалентная, ионная, донорно-акцепторная, водородная и металлическая) и характеристики (энергия, длина, направленность, полярность и Поляризуемость) химической связи. Взаимосвязь вида, характеристик химической связи и электроотрицательности элементов. Характеристики химической связи, состав и строение молекул. Степень окисления. Межмолекулярные взаимодействия.
Химическая связь - это совокупность сил электростатического притяжения и отталкивания, создающее динамически устойчивую систему из двух и более атомов. Основной принцип образования молекул из атомов – это стремление к минимальной энергии и к максимальной устойчивости (пример: H(г)+H(г)=H2(г) + 435 кДж/моль энергии).
Метод валентных связей: теория Гайтлера, Лондон 1940 г.
Объясняет принцип образование валентных связей
Объясняет два типа ковалентных связей
Виды химической связи:
Ковалентная связь – связь атомов за счет обществления электронной пары с антипараллельными спинами. Ковалентная неполярная связь возникает между неметаллами, разность электроотрицательности между которыми невелика: 0<Э.О.<0,4 (пример: PH3; Э.О.(P)=2,1; Э.О.(H)=2,2; D Э.О.=0,1). Соответственно ковалентная полярная связь возникает между элементами с большой электроотрицательностью: 0,4<Э.О.<2 (пример: HCl Э.О.(H)=2,2; Э.О.(Cl)=3,1; D Э.О.=0,9).
Ионная связь – это связь обусловленая электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов. Для ионной связи Э.О.>2 (пример: NaCl Э.О.(Na)=0,9; Э.О.(Cl)=3,1; D Э.О.=2,2).
Водородная связь – связь, обусловленная положительно поляризованным водородом в молекуле и электроотрицательным атомом другой или той же молекулы.
Металлическая связь – связь, обусловленная электростатическим взаимодействием между обобществленными делокализованными валентными электронами и положительно заряженными катионами в узлах кристаллической решетки.
Донорно-акцепторная связь: один из способов образования химической ковалентной связи, осуществляется за счёт пары электронов одного атома (донора) и свободной (незаполненной) орбитали другого (акцептора).
Основные характеристики химической связи:
Энергия химической связи (Exc) – определяет прочность связи. Данная энергия необходима для превращения одного моля газообразного (молекулярного) вещества в отдельные газообразные атомы. Энергия ковалентной связи имеет порядок 10-1000 кДж/моль.
Длина химической связи (Lxc) – расстояние между ядрами химически связанных атомов. Чем короче длина химической связи, тем связь прочнее. Длина химической связи имеет порядок 0,1-0,3 нм.
Полярность химической связи – неравномерное распределение электронной плотности между атомами в молекуле из-за разной электроотрицательности. В неполярных молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные молекулы являются диполями.
Поляризуемость – способность электронной плотности становится полярной в результате действия на молекулу внешнего электрического поля – в частности поля других молекул, вступающих в реакцию.
Направленность – определенное направление химической связи, которое возникает в результате перекрывания электронных облаков. Направленность определяется строением молекулы.
Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул.
Строение молекул (молекулярная структура), взаимное расположение атомов в молекулах.
Степень окисления - (окислительное число), условный показатель, характеризующий заряд атома в соединениях.
Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами.
К межмолекулярным взаимодействиям относятся: ориентационные – взаимодействие полярных молекул друг с другом обусловленная наличием постоянных дипольных моментов; индукционные – взаимодействие полярных молекул и неполярных с индуцируемыми полями; дисперсионные – взаимодействие неполярных молекул друг с другом за счет возникновения мгновенных дипольных моментов.
|
Билет №5. Энергетика химических процессов. Тепловой эффект и энтальпия реакции. Законы термохимии. Энтальпия образования химических соединений. Энтропия. Энергия Гиббса, ее связь с направлением химических процессов.
Энергетика химических процессов – часть химической термодинамики (часть общей термодинамики).
Энергетическое состояние химической реакции как системы описывается с использованием следующих характеристик: U-внутренняя энергия, H-энтальпия, S-энтропия, G-энергия Гиббса.
Теплота, которую получает система, идет на приращение внутренней энергии и совершение работы: Q=U+A. Если система не совершает никакой работы, кроме работы расширения, то Q=U+pV. Величина H=U+pV при p=const называется энтальпией реакции. Т.к. внутреннюю энергию тела измерить невозможно (можно измерить только изменение U), то точно так же невозможно измерить энтальпию тела – в расчетах используется изменение энтальпии H. Чем отрицательнее H тем вещество более устойчивое и менее реакционноспособное.
Стандартной энтальпией образования называется изобарный тепловой эффект реакции получения одного моля сложного вещества из простых веществ, взятых в их наиболее устойчивой форме при стандартных условиях (T=298К, p=1 атм., С=1 моль/л). Энтальпия образования простых веществ в их устойчивом состоянии при стандартных условиях принимается равной 0.
Законы термохимии:
Лавуазье-Лапласа: тепловой эффект образования химических соединений равен, но обратен по знаку тепловому эффекту его разложения.
Гесса: тепловой эффект реакции при постоянном давлении или объеме зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода.
Энтропия – количественная мера беспорядка системы. Имеет статистический смысл и является характеристикой систем, состоящих из достаточно большого, но ограниченного числа частиц. Энтропия выражается через термодинамическую вероятность системы – числа микросостояний, соответствующих данному микросостоянию. Энтропия зависит от: от числа частиц в системе, от природы вещества, от агрегатного состояния. Для химических реакций изменение энтропии рассчитывается по абсолютным значениям энтропии компонентов. Для реакций, протекающих в водном растворе, расчет производится по краткой ионной формуле. Для газообразных веществ знак S определяется по изменению объема. Если объем не изменяется, то знак определить нельзя. В изолированных системах возможны процессы, которые идут с увеличением энтропии. Это означает, что знак S можно принять за критерий возможного самопроизвольного протекании реакции (только в изолированных системах!). В общем случае в открытых системах данный критерий применять нельзя.
Суммарное влияние энергетических и энтропийных факторов при постоянном давлении и температуре отражает изменение изотермического потенциала, который называется изменением свободной энергии Гиббса: G=H-TS. Свободной энергией Гиббса называется энергия, складываемая из энергий химических связей. Знак G есть критерий термодинамической вероятности самопроизвольного протекания процесса в данных условиях (p,T=const). При данных условиях могут самопроизвольно протекать только те процессы G для которых меньше 0. Из уравнения видно, что можно определить направление процесса при любой температуре, но данный расчет приблизителен, т.к. не учитывается температурная зависимость энтальпии и энтропии. При низких температурах протекают главным образом экзотермические реакции. При высоких температурах главную роль играет энтропийный член уравнения, что видно на примере того, что реакции разложения сложных веществ на простые в основном протекают при высокой температуре.
|
| |
