Общая химия. Учебное пособие

Общая химия. Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие представляет собой курс лекций по общей химии, изданный отдельной книгой в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова и читаемый студентам нехимических специальностей. Версия, публикуемая на сайте http://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/, содержит основной материал, достаточный для усвоения дисциплины и успешной сдачи экзамена.

В гипертекстовом варианте пособие имеет множество ссылок на внешние интернет-ресурсы, тщательно отобранные авторами. На каждой странице сайта внешние ссылки отображаются на цветном фоне. Они служат для пояснения некоторых понятий и для более детального ознакомления с разделами курса. В совокупности с материалами, представленными на внешних ресурсах, пособие может служить для углубленного изучения дисциплины "Общая химия", в том числе и студентами химических специальностей. Во многих случаях внешние ссылки сопровождаются внутренними, которые ведут к соответствующим параграфам данного учебного пособия. Такие внутренние ссылки показаны в виде звездочек* или подчеркнутого текста на белом фоне. Отдельные пояснения появляются как всплывающий текст в результате наведения курсора мыши на слово или словосочетание, отображенное на цветном фонеПри наведении курсора мыши появляется всплывающий текст, содержащий дополнительные пояснения..

В гипертекстовой версии пособие не содержит разделов "Атомно-молекулярное учение" и "Химический эквивалент", с которыми читатель может ознакомиться по цитируем здесь внешним источникам. Полезным для изучения дисциплины является также дополнительный раздел "Газовые законы".

Авторы будут признательны за любые замечания и предложения, направленные на улучшение пособия и оптимизацию подборки ресурсов Интернет.

А.И. Хлебников*, И.Н. Аржанова, О.А. Напилкова

1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ

1.1 ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты, сопровождающие химические процессы, а также возможность и направление самопроизвольного протекания процессов.

Системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии с окружающей средой и мысленно обособляемых от нее.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии:

Q = ΔU + A

Это соотношение называется первым началом термодинамики и означает, что если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы A.

Под внутренней энергией системы U подразумевается общий ее запас (энергия движения молекул, электронов, внутриядерная энергия и т.д.) кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.

Работа обычно совершается при расширении системы против внешнего давления и при постоянном давлении равна A=PΔV. Поэтому первое начало термодинамики можно записать в виде:

Q_p = ΔU + PΔV = U₂ - U₁ + P(V₂ - V₁) = (U₂ + PV₂) - (U₁ + PV₁) = H₂ - H₁ = ΔH

Величина H=U+PV называется энтальпией. Таким образом, тепловой эффект процесса при постоянном давлении равен изменению энтальпии ΔH. При постоянном объеме V₁=V₂, поэтому Q_v=ΔU. Q_v≠Q_p, т.е. тепловой эффект процесса зависит от условий его протекания.

В лабораторных условиях реакции обычно проводятся при постоянном давлении (например, в колбе). Тепловые эффекты, измеренные при атмосферном давлении (101325 Па[1]) называются стандартными и обозначаются ΔH°. В обозначении может указываться абсолютная температура, при которой определен тепловой эффект, например ΔH^o₂₉₈ (при 1 атм и 25°С).

Реакции могут протекать с выделением тепла (экзотермические) и с его поглощением (эндотермические). Уравнения реакций, в которых указан тепловой эффект, называются термохимическими. В них приводятся агрегатные состояния веществ (г – газ, ж – жидкость, т – твердое вещество, к – кристаллы), а коэффициенты имеют смысл молей[2] . Например:

H₂(г) + Cl₂(г) → 2 HСl(г) + 184 кДж

Реакция экзотермическая, поэтому тепловой эффект указан со знаком “плюс”. Однако ΔH^o₂₉₈= –184 кДж, т.к. система теряет теплоту, отдавая ее в окружающую среду. То же уравнение можно записать по-другому:

1/2 H₂(г) + 1/2 Cl₂(г) → HСl(г) + 92 кДж; ΔH^o₂₉₈= –92 кДж

Закон Гесса: Тепловой эффект процесса зависит только от состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от способа его проведения. Проиллюстрируем применение закона Гесса схемой образования углекислого газа при окислении графита:

Углекислый газ может быть получен в одну стадию; тепловой эффект этой стадии равен ΔH. Двухстадийный путь состоит в окислении графита сначала до CO (тепловой эффект стадии равен ΔH₁), а затем до CO₂ (тепловой эффект ΔH₂). При обоих способах проведения процесса система переходит из одного и того же начального состояния (графит) в одно и то же конечное (углекислый газ), поэтому, согласно закону Гесса, ΔH=ΔH₁+ΔH₂.

В химических справочниках невозможно привести тепловые эффекты всех реакций. Но из закона Гесса можно получить важные следствия, позволяющие вычислить ΔH почти всех процессов. Для этого введем определения.

Теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции получения 1 моля этого вещества из простых веществ[3] (обозначается ΔH^o_f , кДж/моль).

Теплотой сгорания вещества называется тепловой эффект сгорания 1 моля этого вещества (ΔH^o_cг , кДж/моль).

Для многих веществ ΔH^o_f и ΔH^o_cг приведены в справочниках (см., например, подробный on-line справочник или краткую таблицу 1 приложения). Рассмотрим схему:

Исходные вещества и продукты некоторой реакции, имеющей искомый тепловой эффект ΔH, можно получить из одних и тех же простых веществ (тепловые эффекты ΔH₁ и ΔH₂ равны суммарным теплотам образования исходных веществ и продуктов соответственно). Поэтому, согласно закону Гесса:

Это равенство выражает первое следствие из закона Гесса. Например, для реакции

2 NO(г) + O₂(г) → 2 NO₂(г)

ΔH^o = 2ΔH^o_f (NO₂ , г) - [2ΔH^o_f (NO , г) + ΔH^o_f (O₂ , г)

Для простых веществ ΔH^o_f = 0, поэтому ΔH^o = 2ΔH^o_f (NO₂ , г) - 2ΔH^o_f (NO , г)

Рассмотрим другую схему:

Очевидно, что исходные вещества и продукты некоторой реакции всегда дают одни и те же продукты сгорания. Поэтому, согласно закону Гесса:

1

Паскаль(Па) - единица давления в системе СИ. Один паcкаль равен давлению, производимому силой в один ньютон на площадь в один квадратный метр.

2

Моль - единица количества вещества, включающая 6,02 ^. 10²³ (число Авогадро) молекул или других частиц вещества.

3

Простые вещества - это вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида: O₂ - кислород, Fe - железо, N₂ - азот. Если вещество состоит из разных атомов, то оно называется сложным, например CO - оксид углерода (угарный газ).