Rövid kémia tanfolyam egyetemek számára. Rövid előadások a „kémia” tudományágról

Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség Minisztérium mezőgazdaság Orosz Föderáció Szövetségi Állami Költségvetési Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem, N.I. Vavilov" ÁLTALÁNOS KÉMIA rövid előadások elsőéves hallgatóknak Képzési irány 110400.62 Agronómia Képzés profilja Agronómia Saratov 2011 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyv-szolgáltató Ügynökség UDC 54 BBK 24 R99 Lektorok: Tudományok doktora, professzor az Ökológiai Tanszék » Szövetségi Állami Költségvetési Szakmai Felsőoktatási Intézmény "Saratov Állami Műszaki Egyetem" T.I. Gubina doktor műszaki tudományok, a Szövetségi Állami Költségvetési Szakmai Felsőoktatási Intézet Biotechnológiai és Kémiai Tanszékének professzora "Saratov State Agrarian University" L.A. Fomenko R99 Általános kémia: rövid előadási kurzus elsőéves hallgatóknak a felkészítés témakörben 110400.62 „Agronómia” / Összeállította: G.E. Ryazanova // Szövetségi Állami Költségvetési Szakmai Felsőoktatási Intézmény "Saratov Állami Agráregyetem". – Szaratov, 2011. – 97 p. Az „Általános kémia” tudományterületről szóló rövid előadások a tudományági programnak megfelelően kerülnek összeállításra, és a 110400.62 „Agronómia” szakterület hallgatói számára készültek. Egy rövid előadássorozat elméleti anyagot tartalmaz az általános kémia alapvető kérdéseiről. Célja, hogy a tanulókban ismereteket fejlesszenek a kémiai jelenségek alapvető törvényszerűségeiről, hogy ezeket az ismereteket felhasználják a természetben lezajló folyamatok megértésére, környezeti problémák megoldására. Az anyag a leendő mezőgazdasági szakemberek szakmai kompetenciájának kérdéseire összpontosít. UDC 54 BBK 24 Ryazanova G.E., 2011 Szövetségi Állami Költségvetési Szakmai Felsőoktatási Intézmény "Saratov State Agrarian University", 2011 Copyright JSC "CDB "BIBKOM" & LLC "Agency Kniga-Service" Bevezetés A kémia az egyik természettudományok. Ennek eredményeként tanulmányozza az anyagok szerkezetét, tulajdonságait és átalakulását kémiai reakciók. A modern kémia számos szakaszból áll, amelyek közötti határvonalak tetszőlegesek. Az általános (elméleti) kémia alapja az atom-molekuláris elmélet, az atomok és molekulák szerkezetének elmélete, a periodicitás elmélete, a kémiai kötések elmélete, az oldatok elmélete, a redoxreakciók elmélete, az ún. komplex vegyületek, kémiai kinetika és kémiai folyamatok termodinamikája. Az általános kémia ismerete alapvető más kémiai tudományágak tanulmányozásához, valamint az ezt követő mezőgazdasági kémia, talajtan, növényélettan, ill. vegyi védelem növények. A kémia olyan tudomány, amely elválaszthatatlanul kapcsolódik az emberi termelési tevékenységekhez. Az általános kémiai ismeretek minősége lehetővé teszi számunkra, hogy elméletileg megértsük a mezőgazdaság hatékony vegyszerezésének megszervezésével kapcsolatos problémákat. 3 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Előadás 1 A KÉMIA ALAPVETŐ FOGALMAI ÉS ALAPVETŐ TÖRVÉNYEI 1.1. A tudományág tanulmányozásának céljai A kémia a természettudományok közé tartozik, vagyis a természetről, a minket körülvevő világról szóló tudományok. A kémia általános oktatás és nem speciális tudományág, de a mezőgazdasági dolgozók számára nagyon fontos. Minden mezőgazdasági szakember ideológiai és szakmai poggyászának fontos részét képezi. Ez határozza meg a kémia tanulmányozásának céljait: Kémiai ismeretek megszerzése, amely az egyetemes tudomány és kultúra fontos részét képezi; Sajátítsa el a kémia tanulási módszereit. A kémiai jelenségek példáján keresztül fejlessze az értelmi képességeket és a logikus gondolkodás képességét; Megérteni a kémia jelentőségét a mezőgazdaságban, az ökológiában, és szakmai útmutatást kapni. 1.2. A kémia jelentősége a mezőgazdaságban A kémia nagy jelentőséggel bír a mezőgazdaságban. A legfontosabb tényező a mezőgazdasági termelés intenzifikálása a mezőgazdaság kemizálása (ezt a kifejezést D.N. Prjanisnyikov vezette be 1924-ben). A mezőgazdaság kemikalizálása vegyszerek és eljárások alkalmazása a talaj termékenységének növelésére, a termelés hatékonyságának és a munkatermelékenység növelésére a mezőgazdaságban. Ide tartozik: Növényi tápanyagokat tartalmazó ásványi műtrágyák használata. Ezek a következők: – A legfontosabb makroelemek – nitrogén, foszfor, kálium (NPK); – Mikroelemek – magnézium, vas, réz, cink, molibdén, kén, bór, stb. Vegyi rekultiváció, a növények számára kedvező környezet kialakítása. Ezek a következők: – savanyú talajok meszezése (CaCO3) stb.; – lúgos szikes talajok gipszezése (gipsz – CaSO4∙2H2O) stb. Vegyi növényvédő szerek. Ezek a következők: – peszticidek (kártevők és betegségek ellen); – gyomirtó szerek (gyomirtáshoz), stb. Növénynövekedést szabályozó szerek. A biotechnológia a következőket jelenti: mikrobiológiai műtrágyák, enzimek, vitaminok stb. A mezőgazdaságban a vegyszerezés hatékonysága a gazdálkodási kultúrától függ. D.N. Prianishnikov azt mondta: "A szükséges tudás hiányát még a műtrágya túlzott mennyisége sem pótolhatja." Így a műtrágya kijuttatásának dózisának és időzítésének megsértése esetén környezeti problémák lépnek fel, és a növények anyagcseréje megzavarodik. A vegyszeres rekultiváció nem megfelelő végrehajtása rontja a talaj termőképességét. 4 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 1.3. A kémia tárgya A kémia tanulását a kémia fogalmának megértésével kell kezdeni. Jelenleg a kémia tárgyának több tucat definíciója létezik különböző szerzők által. A definíció pontosságában és a kérdés megközelítésének szempontjaiban különböznek egymástól. Ez a kérdés néha még vitatottá is válik. Adjunk néhány meghatározást. A kémia olyan tudomány, amely az anyagok átalakulásának folyamatait vizsgálja, változásokkal együtt kémiai összetételés szerkezetek. A kémia az atomok kémiai vegyületeinek tudománya (kémiai anyagok és átalakulásaik... A kémiai kötés jelenléte az anyagban a fő kritériuma annak, hogy az anyag kémiai.(O.S. Sirotkin) A kémia az a tudomány, amely a folyamatokat vizsgálja az anyag összetételének és szerkezetének megváltoztatásáról olyan anyagformák, amelyek anyaghordozói az atomok (V.E. Komarov) Önálló munkafeladat: ismerkedjen meg a kémia tantárgy meghatározásával. különböző szerzők(F. Engels, D. I. Mengyelejev, N. L. Glinka, O. S. Zaicev, N. N. Szemenov, D. N. Knyazev stb.), és válassza ki azt, amelyik a legjobban megfelel a kérdés megértésének. DI. Mengyelejev úgy vélte: "Az atomok az anyag kémiai egységei, amelyek kémiai úton lebonthatatlanok." Egy kémiai anyag anyaghordozója (legkisebb részecskéje) egy atom. 1.4. A kémia alapfogalmainak és törvényeinek dialektikája A kémia a tudósok sok generációja által nyert kísérleti adatokon alapul. különböző országokban. Az általános (elméleti) kémia alapja az atom-molekuláris elmélet, a periodicitás elmélete, az atomok és molekulák szerkezetének elmélete, a kémiai kötések elmélete, az oldatok elmélete, a redoxreakciók elmélete, az ún. komplex vegyületek, kémiai kinetika és kémiai folyamatok termodinamikája. Az atom-molekuláris elmélet, amely nemcsak a kémia, hanem az összes természettudomány közös alapja, a 18. század óta jött létre és fejlődik ma is. A kémia alaptörvényein, a sztöchiometria (a görög stoicheion - elem szóból) törvényein alapul. A sztöchiometria a kémia egyik ága, amely a reakcióba belépő reagensek mennyisége és a reakció eredményeként keletkező reagensek mennyisége közötti összefüggést vizsgálja. A kémiai reakciók egyenleteiben szereplő anyagok képlete előtti együtthatókat sztöchiometrikus együtthatóknak nevezzük. Az emberek tudása nem valami megfagyott. Megfelelnek a tudomány adott fejlettségi fokán lévő állapotának és változhatnak, hiszen a tudomány egy nyitott rendszer, amely a természeti jelenségek egyre igazabb, mélyebb és teljesebb tükrözésére törekszik. Példa erre a kémia alaptörvényeiről alkotott elképzelések változása a tudomány fejlődésének különböző szakaszaiban. A tömegmegmaradás törvényét a nagy orosz tudós, M. V. fedezte fel. Lomonoszov (1748-1756): 5 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A reakcióba bevitt anyagok tömege megegyezik a reakció eredményeként képződött anyagok tömegével. Ezt a törvényt tőle függetlenül megerősítette 1789-ben A.-L. Lavoisier francia kémikus. : 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O Ennek nagy jelentősége van a gyakorlati kérdések megoldása szempontjából, mivel így kiszámolható a szükséges kiindulási anyagok mennyisége a kívánt termékek ipari méretekben történő előállításához. A huszadik században ezt a törvényt tisztázták. A természet általános törvénye az energiamegmaradás törvénye: Az energia nem keletkezik a semmiből és nem tűnik el nyomtalanul, hanem csak szigorúan meghatározott mennyiségben megy át egyik formából a másikba. A relativitáselmélet megalkotója, A. Einstein (1905) bebizonyította a tömeg és az energia kapcsolatát: E = mc2 Ezért az exoterm reakciók során, amikor hő szabadul fel, vagy az endoterm reakciók során, amikor a hő elnyel, a reakciótermékek tömege csökkenni fog. valamivel kevesebb legyen, ill több tömeg kiindulási anyagok az egyenlet szerint: ∆E = ∆mc2 Ez alapján pontosabb a tömegmegmaradás törvényének következő megfogalmazása: Exoterm reakciók esetén a reakcióba belépett anyagok tömege megegyezik a a reakciótermékek tömege és a felszabaduló energiával egyenértékű tömeg. Endoterm reakció esetén a reakcióba lépő anyagok tömege egyenlő a reakciótermékek tömege és az elnyelt energiával egyenértékű tömeg különbségével. Mivel a kémiai reakciókban a hő felszabadulása vagy elnyelése által okozott tömegváltozás nagyon kicsi, ezért vitatható, hogy a tömegmegmaradás törvénye nagy pontossággal teljesül. Az összetétel állandóságának törvényének tartalma is megváltozott. Az összetétel állandóságának törvénye (J. Proust (1801-1808), Franciaország): Minden kémiai vegyület állandó összetételű, függetlenül az előállítás módjától. Proust törvénye alapvető. Megerősítette a molekulák létezését és az atomok oszthatatlanságát. Berthollet (Franciaország) lett Proust ellenfele. Berthollet azzal érvelt, hogy egy anyag összetétele az előállítás módjától függ. Proust támogatta a nagy angol vegyész John Dalton és Berthollet ötletét elutasították. Mára megállapították, hogy az összetétel állandóságának törvénye csak a molekulaszerkezettel rendelkező anyagokra érvényes. 6 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A nem molekuláris szerkezetű anyagok összetétele az előállítás módjától függ (oxidok, átmeneti fémek szulfidjai, földpát stb.). Berthollet ötlete jelenleg a kémiai anyagtudomány alapja, amely pontosan az anyag szerkezetének és tulajdonságainak összetételének az előállítás módjától való függését használja fel. Most az anyagok állandó személyzet daltonidoknak, a változó összetételű anyagokat pedig berthollidoknak nevezik azon tudósok tiszteletére, akiknél az összetétel állandóságának törvényének megfogalmazása vita tárgyát képezte. 1811-ben Amadeo Avogadro (Olaszország) felfedezett egy törvényt, amely 50 évvel később (1860) kapott elismerést. Avogadro törvénye: A különböző gázok azonos térfogatai azonos körülmények között (p és t) azonos számú molekulát tartalmaznak. Az Avogadro-törvény első következménye: Egy mól gáz normál körülmények között 22,4 litert foglal el. Az Avogadro-törvény második következménye: Egy gáz moláris tömege egyenlő az egyik gáz másik gázhoz viszonyított relatív sűrűségének (D) és egy másik gáz moláris tömegének szorzatával: Mgas = 2DN 2, Mgas = 29Dair Avogadro megállapította: - a gáznemű egyszerű anyagok molekulái két atomból állnak (H2, O2, N2, Cl2); – Bármely anyag 1 mólja 6,023 1023 atomot vagy molekulát tartalmaz (Avogadro-szám). Az ekvivalens törvényét W. Richter (1793) és W. Wollaston (1807) egymástól függetlenül fogalmazta meg: Az anyagok az ekvivalenseikkel arányos mennyiségben lépnek reakcióba egymással. Az egyenértékek törvénye a „kémiai egyenérték” fogalmán alapul. A kémiai ekvivalens egy anyag valós vagy feltételes részecskéje, amely egy adott sav-bázis reakcióban egy hidrogénkationnal vagy egy adott redox reakcióban egy elektronnal ekvivalens. Az f'eq ekvivalencia-tényezőt egy adott reakció sztöchiometrikus együtthatói alapján számítják ki. Az ekvivalencia-tényező egy szám, amely azt jelzi, hogy egy valódi részecske hány része egyenértékű egy hidrogénkationnal egy adott sav-bázis reakcióban vagy egy elektronnal egy adott redox reakcióban. Az ekvivalencia tényező egy dimenzió nélküli mennyiség. Az ekvivalencia-tényező lehet egy vagy egynél kisebb. Például: a) H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + 2H2O; feq(H2SO4) = b) H2SO4 + KOH = KHSO4 + H2O; feq(H 2 SO 4) = 1 1 2 A sztöchiometrikus számításokat széles körben alkalmazzák vegyi anyagokat tartalmazó eljárásoknál. 7 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az atomi-molekuláris oktatás alapvető rendelkezései: – az anyagok molekulákból állnak; – a molekulák atomokból állnak; – a molekulák és az atomok folyamatos mozgásban vannak. Az atom egy kémiai elem legkisebb elektromosan semleges részecskéje. A molekula egy kémiai anyag legkisebb elektromosan semleges részecskéje. Jelenleg az anyagmennyiség mértékegysége a MOL. A mól annak az anyagnak a mennyisége, amely annyi szerkezeti egységet tartalmaz, ahány atom van 0,012 kg 12C szénben. A mól olyan anyagmennyiség, amely 6,02 1023 (Avogadro-szám) képletegységet (molekulát vagy atomot) tartalmaz. A számításokhoz a következő arányokat használjuk: m nM n m M M m , n ahol m az anyag tömege, g; M – moláris tömeg, g/mol; n – anyag mennyisége, mol. Modern szemmel nézve a kémiai anyagok szerkezete eltérő lehet: molekuláris (metán CH4, ammónia NH3), atomi (gyémánt), ionos (sók), gyökös (Cl, H). Egy anyag állhat makromolekulákból vagy különböző részecskék összetett kombinációjából. A modern kémia az anyagi világ végtelen minőségi sokféleségének elvén alapul. Anyagok a eltérő szerkezet különféle törvények hatálya alá tartoznak. 1.5. A kémia tanulmányozásának módszerei A kémiai jelenségek mélyreható megértése csak a filozófia oldaláról, elméleteinek és kategóriáinak alkalmazásakor lehetséges. A filozófia a bölcsesség szeretete (philosophia – görögül). A filozófia legfontosabb elmélete a dialektika. Dialektika - A filozófia kategóriái, az anyag legáltalánosabb törvényeinek doktrínája, a mozgás, az ellentmondás, a természet, a társadalom és a gondolkodás, a mennyiség és a minőség, az ok és okozat Az anyag az objektív valóság megjelölésére szolgáló filozófiai kategória. Anyagtípusok Az anyag olyan anyagtípus, amelyet m ≠ 0 nyugalmi tömeg jellemez; A kémiai anyag olyan anyagtípus, amelynek anyaghordozója atomok; Mező – olyan anyagtípus, amelynek nyugalmi tömege nulla (mágneses, elektromágneses, gravitációs tér) m = 0; A vákuum az anyag különleges állapota. Nincsenek benne részecskék (üresség), de a „virtuális részecskék” rövid távú energiaingadozásokból keletkeznek. Az erős mezőkben valódi részecskék jelennek meg. A plazma az anyag különleges állapota nagyon magas hőmérsékletek(>7000). Egyfajta gáz képződik elemi részecskékből, magokból és ionokból. 8 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency BEC (gáznemű Bose-Einstein kondenzátum) egy új halmazállapotú anyag ultraalacsony hőmérsékleten. Különleges tulajdonságok: a fény lelassul V = 17 m/sec-re, mint egy forgó fekete lyuk közelében. 1.1. ábra. Az anyag mozgásformái (f.m.) 1.2. ábra. Mozgásfajták Rajz. 1.3. Szervetlen anyagok evolúciója 9 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Szolgáltatás Ügynökség Ok-okozati összefüggések a kémiai jelenségekben A determinizmus elve: a valódi jelenségek természetes módon keletkeznek, fejlődnek és pusztulnak, bizonyos okok hatására . 1.4. ábra. Egyszerű oksági diagram 1.5. ábra. Ok-okozati összefüggések egyes hidroxidok tulajdonságaiban Kémiai jelenségek vizsgálati módszerei Kísérlet Megfigyelés Kémiai reakciók modellezése Az indukció a konkréttól az általános felé való érvelési módszer. A dedukció egy érvelési módszer az általánostól a konkrétig. Általános szabályok konkrét problémák megoldására kell alkalmazni. Az analógia egy olyan megismerési módszer, amelyben a kémiai objektumok egy jellemzőjének hasonlósága alapján következtetést vonnak le a hasonlóságukról más jellemzőkben. Tehát az ortofoszforsav képletének ismeretében megírhatja az ortoarzénsav képletét. Az elemzés egy kémiai anyag vagy kémiai jelenség összetevőire (tulajdonságaira, jellemzőire) történő szétválasztása. 10 Copyright OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A szintézis egy kémiai anyag vagy kémiai jelenség oldalainak, tulajdonságainak, jellemzőinek kombinációja egyetlen egésszé. A fogalom egy tárgyról vagy annak jellemzőiről alkotott gondolat. A következtetés a fogalmak működése 1.1. Logikus gondolkodási formák Igyekezzünk a megszerzett ismereteket egy-egy szakmai kérdés megoldására alkalmazni. Ehhez alkalmazzuk: – a vegyi anyagok tulajdonságaira vonatkozó fogalmakat; – a levonás módja; – „ok-okozati” kategóriák; – a gondolkodás logikai formái: fogalom → ítélet → következtetés. Feladat: Hatásos-e a CuSO4 mikrotrágya alkalmazása lúgos talajokon? CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4 oldható oldhatatlan 1. Fogalmak: A CuSO4 egy oldható só. A Cu(OH)2↓ gyenge oldhatatlan bázis. 2. Ítélet: Csak oldható anyagok állnak rendelkezésre a növények általi felszívódáshoz. Lúgos talajokon az oldható CuSO4 oldhatatlan Cu(OH)2↓-vé alakul, és a növények számára hozzáférhetetlenné válik. 3. Következtetés: A CuSO4 alkalmazása lúgos talajokon nem megfelelő. Kérdések az önkontrollhoz 1. Adja meg a kémia definícióját, amely megfelel a probléma megértésének. 2. Hasonlítsa össze a tömegmegmaradás törvényének megértését a 18. és 21. században! 3. Határozza meg a fejlődés típusát (a kémiai reakciók előrehaladása vagy regressziója): H2CO3 = CO2 + H2O CaO + CO2 = CaCO3 4. Írja fel az analógiás módszer alapján az arzén és a szelénsav képleteit! 5. Használjon dedukciót a FeSO4 mikroműtrágya lúgos talajokon való hatástalanságának magyarázatára. 6. Hogyan érti D.N szavait? Pryanishnikova: „A szükséges ismeretek hiányát még a műtrágyatöbblet sem pótolhatja”? 11 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency HIVATKOZÁSOK Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin. – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Egorov, V.V. Környezetkémia. /V.V. Egorov. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 192 p. 2. Naydysh, V.M. Fogalmak modern természettudomány. /V.M. Naydysh. – M.: AlfaM; INFRA-M, 2004, – 622 p. 3. Sirotkin, O.S. A kémia a helyén van. / O.S. Sirotkin // Kémia és élet. – 2003. - 5. sz. – P. 26. 4. Mineev V.G., A nitrátok és foszfátok védelmében. / V.G. Mineev // Kémia és élet. – 2008. No. 5. – P. 20. 5. http://www.xumuk.ru/encyclopedia/2/2994.html 12 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency 2. előadás MODERN TANÍTÁS A AZ ATOM SZERKEZETE 2.1. Az atom szerkezetére vonatkozó elképzelések dialektikája A klasszikus kémiában kétféle mikrorészecskéről - atomokról és molekulákról - voltak elképzelések. A 19. századig a tudománynak az volt az elképzelése, hogy az atom oszthatatlan, és nem tartalmaz alkatrészeket. IN késő XIX században a fizikusok felfedezték az atom szerkezetének összetettségét bizonyító tényeket (az elektron felfedezése, a katódsugarak, a radioaktivitás jelensége). 1911-ben a Nobel-díjas Ernest Rutherford a részecskék vékony fémlemezek általi szórásával kapcsolatos kísérletsorozat alapján javasolta az atom szerkezetének nukleáris (bolygós) modelljét. Az atom Rutherford bolygómodellje Az atom egy pozitív töltésű magból és az atommag körül keringő negatív töltésű elektronokból áll. A Rutherford-modell ellentmondásai 1. Miért stabil az atom? A klasszikus fizika törvényei szerint az elektronnak az atommag körül mozogva energiát kell kibocsátania és 10-8 másodperc alatt ki kell merítenie. és essen a magra. 2. Ha egy elektron folytonos áramban bocsát ki energiát, ennek meg kell felelnie folytonos spektrum. A spektrum azonban vonalazott. Miért? E problémák megoldására Niels Bohr 1913-ban egy elméletet javasolt, amely Rutherford atommagmodelljét ötvözte az atommal. kvantumelmélet Light Planck. Bohr fő gondolata (nagyon merész): Az elektron mozgása az atomban nem engedelmeskedik a klasszikus fizika törvényeinek. A makrokozmoszban és a mikrokozmoszban különböző törvények érvényesülnek. Bohr posztulátumai 1. Az atomban lévő elektron nem bármelyik, hanem egy bizonyos stacionárius pályán mozog, és nem bocsát ki energiát. 2. Az energia részleges kibocsátása (kvantumok) csak akkor következik be, amikor az elektron egyik pályáról a másikra mozog Bohr elmélete nem tud magyarázatot adni fontos tulajdonságait atom, voltak benne ellentmondások. A 20. század 20-as éveiben megalkották az atom szerkezetének kvantummechanikai elméletét. Az elmélet Louis de Broglie (1924) gondolatán alapul: Az elektronnak kettős részecskehullám tulajdonsága van, pl. a részecskék és a hullámok tulajdonságai egyszerre. 13 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az elektronnak mint részecske tömege van, és egyetlen egészként jelenik meg. Az elektron hullámtulajdonságai mozgásának sajátosságaiban, az elektron interferenciájában és diffrakciójában nyilvánulnak meg. A de Broglie-egyenlet ezt a dualizmust tükrözi: λ = h/m, ahol h Planck állandó; m – részecske tömege; – részecskesebesség. E. Schrödinger (Ausztria, 1926) egy egyenletet fogalmazott meg, amelynek megoldása lehetővé teszi a Ψ(x, y, z) elektronhullámfüggvény megtalálását, amely megfelel a háromdimenziós hullámfolyamat amplitúdójának. Schrödinger-egyenlet (Ausztria, 1926) ψ x2 2 ψ у2 ψ z2 2 2 8π 2 m (E V)ψ h2 0, ahol a hullámfüggvény; x, y, z – a háromdimenziós tér koordinátái. A 2 érték annak a valószínűségének felel meg, hogy a körmagos tér különböző pontjain elektront találunk. A Schrödinger-egyenlet megoldása lehetővé teszi, hogy megtaláljuk az elektronpályát. Van den Broek (Hollandia, 1912) azt javasolta: Bármely elem atommagjának töltése számszerűen megegyezik az elem rendszámával a periódusos rendszerben. Ezt a ragyogó intuitív sejtést Moseley (Anglia) 1913-ban kísérletileg megerősítette. 2.2. Az atom szerkezetének modern kvantummechanikai modellje Az atom összetett szerkezetű. Pozitív töltésű magból áll, amely protonokat és neutronokat tartalmaz, valamint negatív töltésű elektronokból, amelyek az atommag körül mozognak. Az atomban lévő elektron óriási, változó sebességgel mozog. Mozgásának pályája ismeretlen. Az elektron kaotikusan, véletlenszerűen mozog, elektronfelhőt (elektronpályát) képezve. Az elektronpálya az atommag körüli térrész, amelyben az elektronmozgás a legvalószínűbb. Az elektron viselkedését az atomban a Heisenberg-féle bizonytalansági elv jellemzi: egy atomi skálán lévő mikrorészecskére nem lehet egyszerre azonos pontossággal megadni a koordinátákat és a szögimpulzust. Kvantum számok Az atomban lévő elektron állapotának leírását négy kvantumszám határozza meg. Az n főkvantumszám az elektron adott szinten lévő energiatartalékát és az atommagtól való távolságát jellemzi. Megfelel az elektronikus szintszámnak. Elfogadja az egész számok értékeit: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ... 14 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az l másodlagos (pálya) kvantumszám jellemzi az orbitális szöget momentum elektron. Meghatározza az elektronfelhő (pálya) térbeli alakját. 0 és n–1 közötti egész értékeket fogad el. A számértékek (0, 1, 2, 3) betűjellel rendelkeznek (s, p, d, f). 2.1. táblázat – Pályakvantumszámok és pályák alakja 0 1 2 3 Pálya alakja Gömbsúlyzó Két keresztbe tett súlyzó Még bonyolultabb alak l (s) (p) (d) (f) Az azonos alakú elektronpályákkal rendelkező elektronok alszinteket alkotnak adott energiaszint. Az egy szinten lévő alszintek száma megfelel a szint számának. 2.2 táblázat – Az alszintek számának függősége a szintek számától n (szint) 1 2 3 4 l (alszintek) S s, p s, p, d s, p, d, f Mágneses kvantumszám Jellemzők mágneses tulajdonságok elektronok, amelyek az elektronfelhő térbeli elhelyezkedésének irányától függenek. Egész értékeket fogad el az oldalkvantumszám nagyságán belül, pozitív és negatív értéket is, beleértve a 0-t (nulla). 2.3 táblázat - m Kapcsolat a szekunder és mágneses kvantumszámok értékei között Értékek m 0 (egy) 1, 0, –1 (három) 2, 1, 0, –1, –2 (öt) 3, 2 , 1, 0, –1 , –2, –3 (hét) l 0 1 2 3 Az Nm mágneses kvantumszám értékeinek száma a következő képlettel számítható ki: Nm = 2l +1, ahol l a az oldalkvantumszám értéke. 2.4. táblázat – Pályák száma alszinteken s p D f Pályák száma – (egy) – – – (három) – – – – – (öt) – – – – – – – (hét) 15 Copyright OJSC “CDB “BIBKOM ” & Kniga-Service Agency LLC A spinkvantumszám az elektron belső impulzusimpulzusát jellemzi. Felveszi a h 1 1 + és – értékeket (egységekben). 2 2 2 A Pauli-elv Egy atomnak nem lehet két olyan elektronja, amelyek mind a négy kvantumszámának azonos értékűek. Következmény: Egy pályán legfeljebb két ellentétes spinű elektron lehet. 2.5. táblázat – Az elektronok maximális száma az n szinten N 1 2 2 8 3 18 4 32 Nn = 2n2, ahol n a szintszám (főkvantumszám). 2.6. táblázat – Az elektronok maximális száma az l N1 0(s) 2 alszinten, ahol l egy mellékkvantumszám. 1(p) 6 2(d) 10 3(f) 14 N1 = 2(2l + 1), A minimális energia elve Az atomban lévő elektron minimális energiájú pozíciót foglal el a szinten és az alszinten, ez energetikailag kedvező és stabil számára. 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p Рисунок 2.1. Схема расположения энергетических подуровней в многоэлектронном атоме 16 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Правило Хунда Устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором величина суммарного спина электронов максимальна. Это условие выполняется, если электроны заполняют все свободные орбитали сначала по одному, а затем происходит пополнение каждой орбитали вторым электроном. Пример: Рисунок 2.2. Последовательность заполнения электронами р – подуровня Правила В.М. Клечковского 1. Уровни и подуровни атомов заполняются электронами в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l). 2. При одном и том же значении суммы (n+l) электроны заполняют орбитали с меньшим п, но с большим l. 2.3. Электронные формулы элементов На основе принципа Паули, принципа минимальной энергии, правила Хунда, представлений об энергетических уровнях и подуровнях составляются электронные формулы элементов. Электронные формулы показывают распределение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. При составлении электронной формулы сначала пишут цифру, соответствующую номеру энергетического уровня, на который поступает электрон. Затем пишут букву, соответствующую подуровню и справа наверху, в виде показателя, обозначают число электронов на данном подуровне. Примеры: I период (один энергетический уровень) Электронная формула: Н 1S1 Электронно-графическая формула: Водород Н №1 +1 (заряд ядра) 1ē 1-й S - элемент 1 S Степень окисления водорода: +1 (Н2О, NH3, HCl) Исключение: степень окисления водорода – 1 в соединениях с очень активными металлами (NaH, KH). 17 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Водород Водородное пламя создает t = 2800o Восстановитель Источник, переносчик и концентратор энергии Получение аммиака, жидкого топлива, твердых жиров Экологически чистое топливо будущего Схема 2.1. Значение и применение водорода Элементы, у которых электроны заполняют s - подуровень, называются s– элементами. Первые два элемента любого периода являются s–элементами. Не Гелий Не №2 +2 (заряд ядра) 1S2 1 S первый уровень завершен 2å 2-й S - элемент Гелий – инертный газ. Гелий Дирижабли с гелиевым наполнением Теплоноситель ядерных реакторов В медицине: гелиевый воздух лечит бронхиальную астму, применяется для водолазов В электронике: жидкий гелий – среда для сверхпроводников Схема 2.2. Значение и применение гелия (инертный, легкий) Литий Li №3 +3 (заряд ядра) 3ē 1-й S - элемент II период (два энергетических уровня) Li 1S2 2S1 (валентный уровень) Литий – активный щелочной металл. Степень окисления: +1. Формулы соединений: Li2O → LiOH. Литий В атомной технике: теплоноситель, растворитель соединений урана Для кондиционирования воздуха применяют соли лития В медицине: для лечения психических расстройств Схема 2.3. Значение и применение лития 18 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Be 1S2 2S2 Бериллий Ве №4 +4 (заряд ядра) 4ē 2-й S - элемент (валентный уровень) Бериллий – амфотерный металл. Соединения: ВеО → Ве(ОН)2 Н2ВеО2 Бериллий Материалы космической, ракетной и авиационной техники Бериллий токсичен ПДК в воздухе – 0,001 мг/м3 Для человека, животных вреден: рахит, ослабление костной ткани, отек легких Для растений безвреден Схема 2.4. Значение и применение бериллия При получении энергии извне (при нагревании) атомы переходят в возбужденное состояние. При этом электронная пара распаривается и электрон переходит в свободную орбиталь подуровня в пределах своего номера уровня. В 1S22S22р1 Электронно-графическая формула Бор (валентный уровень) №5 +5 (заряд ядра) 5ē 1-й р - элемент Бор Бороводородное топливо, военная техника, легирование стали Важнейший микроэлемент, влияет на белковый и углеводный обмен Схема 2.5. Значение и применение бора Бор – первый р – элемент второго периода. Элементы, у которых электроны заполняют р – подуровень, называются р – элементами. Последние 6 элементов любого периода (кроме первого и седьмого) являются р – элементами. 19 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Свойства s – и р – элементов У s– и р– элементов электроны заполняют внешний уровень от 1 до 8. Химические свойства элементов меняются быстро, от металлических к неметаллическим и до инертного газа. Количество электронов на внешнем уровне у s– и р– элементов соответствует номеру группы, в которой находится элемент. У s– и р– элементов валентными являются электроны внешнего уровня. Главные подгруппы образуют s– и р– элементы. Правила нахождения степени окисления элемента 1. Отрицательная степень окисления элемента (неметалла) равна числу электронов, которое он принимает для завершения внешнего уровня до 8 электронов. 2. Положительные степени окисления элемента равны (обычно, есть исключения) числу неспаренных электронов в нормальном и izgatott állapot atomokat, amiket kiad. Önkontroll kérdések 1. Határozza meg az „atom” fogalmát! 2. Miből áll az atom? 3. Milyen részecskék találhatók az atommagban? 4. Miben azonosak és miben különböznek a szénatom elektronjai? 5. Fogalmazd meg Niels Bohr, Louis de Broglie fő gondolatát. 6. Mi az elektronpálya? 7. Hány pálya van az s –, p –, d –, f – részszinteken? 8. Hogyan nyilvánul meg a minimális energia elve az elemek atomjainak szerkezetében? 9. Hogyan érti a Pauli-elvet? 10. Magyarázza el, hogyan érti Hund szabályát! IRODALOM Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Klinsky, G.D. Szervetlen kémia /G.D. Klinsky, V.D. Szkopincev. – M: MCHA Kiadó, 2001. – 384 p. 2. Gelfman, M.I. Szervetlen kémia / M.I. Gelfman, V.P. Jusztratov. – Szentpétervár: „Lan” kiadó, 2009. – 528 p. 3. Szervetlen kémia (biogén és abiogén elemek): Tankönyv / szerk. V.V. Egorova. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 320 p. 4. ru.wikipedia.org 20 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3. előadás IDŐSZAKOS JOG ÉS IDŐSZAKOS RENDSZER D.I. MENDELEJEV 3.1. Periodikus törvény és periodikus elemrendszer D.I. Mengyelejev - az alap modern kémia Periodikus törvény és periodikus rendszer D.I. Mengyelejev a kémiai tudomány legnagyobb vívmánya. A törvény felfedezése és a periodikus rendszer létrehozása a nagy orosz tudós, D. I. hosszú és kemény munkájának eredménye. Mengyelejev. Periodikus törvény: Az egyszerű testek tulajdonságai, valamint az elemek vegyületeinek formái és tulajdonságai benne vannak periodikus függőség az elemek atomsúlyának értékéből D. I. Mengyelejev (1869) Mengyelejev úgy vélte, hogy „a jövő nem fenyegeti a periodikus törvényt pusztítással, csak felépítményeket és fejlődést ígér”. A periodikus törvényt a 19. században fedezték fel. A huszadik században S.A. Shchukarev azt mondta: „Megértés teljes jelentése A rendszer egy feneketlen mélységű probléma, amelynek megoldására az ember örökké törekszik, mint az elérhetetlen és teljesen felfoghatatlan igazságok egyike. Periodikus törvény (modern megfogalmazás) Az elemek tulajdonságai, valamint az elemek vegyületeinek formái és tulajdonságai periodikusan függnek az atommagok töltéseinek nagyságától A periódusos rendszer rendkívül tömören koncentrálja a kiterjedt kémiai ismereteket forma. Az elemek periódusos rendszerét meghatározott tér- és időviszonyok között kell figyelembe venni. Ultramagas hőmérsékleten az atom megfosztja az elektronoktól, és a nagy nyomás megváltoztatja az atomokban való elrendeződésüket. Ilyen körülmények között az atomok már nem engedelmeskednek a periodikus törvénynek. Az elemek periodikus rendszere a periodikus törvény grafikus (táblázatos) kifejezése. A rendszer egy szigorú matematikai kategória, amely rendezett halmazt jelent. A függvénykészletek közötti kapcsolatok létrehozásához a mátrix ötletét használják. A mátrix egy téglalap alakú táblázat, amely sorokból és oszlopokból áll. 21 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 3.1. táblázat. A kémiai elemek időszakos rendszere, D. I. Mengyelejev 22 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A periodikus rendszer egyfajta mátrix. Elemei kémiai elemek. A vonalak időszakok. Az oszlopok csoportok. A periódusos rendszer azt a tényt tükrözi, hogy az egyes kémiai elemek az elemek rendezett halmazát képviselik, amelyek belső kapcsolatoknak vannak kitéve. Minden egyes kémiai elem egy anyag fejlődésének természetes lépése, és nem véletlenszerű képződmény. Kémiai elemek osztályozása Adott tulajdonságú anyagok beszerzése A filozófia törvényszerűségeinek megerősítése A további kutatások előrejelzésének eszközei Periodikus törvény Agrokémia Ásványok földtani feltárása Űrkutatás Orvostudomány, gyógyszeripar 3.1. A periódusos törvény jelentése: „Az élő anyag átlagos összetételében a talajhoz kapcsolódik, és sejtjeit ugyanazon törvények szerint építi fel elemekből, amelyek alapján az anyag a Nap és a csillagok atmoszférájából vagy anyagokból épül fel.” A.E. Fersman A periodikus elemrendszer 118 jelenleg felfedezett elemet foglal magában, amelyek 7 periódusban és 8 csoportban helyezkednek el. 3.2. A periódusos rendszer felépítése Minden kémiai elemnek sorszáma van. A rendszám egyenlő: az atommag töltése; protonok száma az atommagban; teljes szám elektronok semleges atomban. A periódus az elemek vízszintes sorozata, amely s-elemekkel (alkálifémekkel) kezdődik és p-elemekkel (nemesgázokkal) végződik. A periódus alatt a külső elektronikus szintező 1-8 elektronra épül fel. Az elkészült külső szint 8 elektront tartalmaz. Az időszak száma megfelel a számnak energiaszintek egy atomban. Az I. periódus csak két elemet (egy sort) tartalmaz. A második és a harmadik periódus 8-8 elemet tartalmaz. Az I., II. és III. periódusokat „kis periódusoknak” (egy sor) nevezzük. A IV., V. és VI. periódusok (főperiódusok) két sorból állnak. 23 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A csoport olyan elemek függőleges sorozata, amelyek azonos elektronikus konfigurációval rendelkeznek. Az elemcsoport két alcsoportot tartalmaz: fő (A) és másodlagos (B). A fő alcsoportokat s - és p - elemek alkotják. Az oldalsó alcsoportok d - elemeket alkotnak. A fő alcsoportok elemeinek külső energiaszintjén az elektronok száma (ē) megegyezik a csoportszámmal. Az oldalsó alcsoportok elemeinek külső energiaszintjében az elektronok száma 2, függetlenül a csoportszámtól. Ennek oka az elemek atomjainak elektronszerkezetének időszakos változása időszakos változás az elemek kémiai tulajdonságait, valamint az általuk alkotott összetett vegyületeket. A periódusos rendszer jelentősége az oktatási problémák megoldásában A periódusos rendszer segítségével jellemezhetjük egy elem kémiai tulajdonságait. Ehhez a periódusos rendszer számait kell használni kódként, amely felfedi az atom szerkezetét és az elem tulajdonságait. 3.3. Algoritmus egy elematom általános jellemzőihez 1. Az elem sorszáma (Sz.). 2. Egy atom magjának töltése (Z). 3. Az atommagban lévő protonok száma (p+). 4. Relatív atomtömeg (Ar). 5. A neutronok száma az atommagban (nem). 6. Egy atomban lévő összes elektronszám (ē). 7. Periódusszám → energiaszintek száma. 8. Csoportszám, alcsoport (fő vagy oldal) → szám ē az atom külső szintjén. 8.1. Fő alcsoport → szám ē külső szinten egyenlő a csoport számával. 8.2. Az oldalsó alcsoport száma ē külső szinten 2, függetlenül a csoport számától (vagy 1). 9. Értékelje, hogy egy elem fém vagy nem fém (a külső szinten ē). 10. Határozza meg, hogy az elem melyik elektronikai családba tartozik (s, p vagy d), és ennek az elektronikus családnak melyik elemei közé tartozik! 11. Készítsen elektronikus képletet, emelje ki a vegyértékelektronokat! 11.1. A fő alcsoport eleméhez - a külső szint elektronjai. 11.2. Az oldalsó alcsoport eleméhez - a külső szint elektronjai és d - az utolsó előtti szint alszintje. 12. Készítsen elektrongrafikus képleteket (Hund-szabály alapján), mutassa be a vegyértékelektronok szint- és alszint-eloszlását normál és gerjesztett állapotban. 13. Nevezze meg az elem oxidációs állapotát! 14. Írja fel az elem oxidációs állapotának megfelelő legfontosabb vegyületek (oxidok, hidroxidok, hidrogénvegyületek) képleteit! 15. Jellemezze a legfontosabb vegyületek tulajdonságait! 24 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 16. Fedezze fel az elem és vegyületeinek jelentőségét a növények, a mezőgazdaság és az ipar számára. Példák: Nitrogén N 1) No. 7 9) Nemfém (elfogadja az ē-t, de adhat 2-t is) +7 (magtöltés) 3) 7р+ 10) 3. р – 4. elem) Ar = 14 11) Elektronikus képlet: 5 ) 7nincs 1s22s22p3 vegyértékszint 6) Összesen 7 ē 7) II periódus – két energiaszint 12) Elektrongrafikus képlet: 8) V csoport, fő alcsoport – 5 ē A gerjesztés nem lehetséges külső szinten 13) Oxidációs állapotok: – 3, +1, +2, +3, +4, +5. 14) A legfontosabb vegyületek képlete 3 1 N H3 → ammónia NH4OH → NH4Cl, NH4NO3, (NH4)SO4 ammónium-hidroxid ammónium sók Ammónium ásványi műtrágyák Oxigénvegyületek: 2 2 1 2 indifferens oxidok N 2 O, N Н 2 O, N 2 N 2 O3 → salétromsav 4 2 barna gáz N O2 – 5 2 НNO3 → N 2 O5 → salétromsav sók - nitritek – NaNO2 sók - nitrátok – KNO3, Ca(NO3)2, NH4NO3 nitrát nitrogén műtrágyák (nitrát) A nitrogén a nitrogén legfontosabb makroelem. Foszfor Р Р 1s22s22p63s23р3_ vegyérték szint Az atommag elektrongrafikus képlete) nt szintek Oxidációs állapotok: -3, +3, +5 25 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyv-Szolgáltató Ügynökség A legfontosabb foszforvegyületek 2 31 3 3 RN 3; P2 H 4 P2 O 3 2 P2 O 5 → H3PO4 → sók - foszfátok → H3PO3 → sók-foszfitok foszforsav A foszforsav formái: HPO3 - meta - H3PO4 - orto - H4P2O7 - piro - Na3PO4 NaphPO4 Na2POHPO4 2 – kalcium-dihidrogén-foszfát (szuperfoszfát) CaHPO4∙2H2O – kalcium-hidrogén-foszfát (csapadék) Ca3(PO4)2 ↓ - kalcium-foszfát (foszfátliszt) A foszfor a legfontosabb makrotápanyag. d – nagy periódusok elemei Nagy periódusokban (4, 5, 6, 7) az s- és d-elemek közé 10 d – elemek kerülnek be, amelyekben az elektronok kívülről töltik ki a második szint d – alszintjét. Minden d-elemben, függetlenül a csoportszámtól, két elektron van a külső szinten (vagy egy elektron, ha elektronszivárgás történik). Ezért a d - elemek fémes tulajdonságokkal rendelkeznek. A d-elemekben a vegyértékelektronok két szint elektronjai - a külső szint és az utolsó előtti szint d-alszintje, azaz (n – 1)d és nSnP. A d–elemek a periódusos rendszer oldalsó alcsoportjait alkotják. A legtöbb d - fémnek több oxidációs állapota van, így vegyületeik oxidatív hatásúak helyreállító tulajdonságok. A d-elemek oxidjai és hidroxidjai az őket alkotó d-elem oxidációs fokától függően bázikus, amfoter vagy savas tulajdonságokkal rendelkeznek. d– a fémek jó komplexképzők és stabil komplex vegyületeket képeznek. d – fémek a mangán, kobalt, réz, cink létfontosságú nyomelemek. Ezeknek a fémeknek a szulfátjait mikrotrágyaként használják, amelyeket a magvak vetés előtti kezelésére és a növények lombtakarmányozására használnak. Példa: Vas Fe Fe 1s22s22p63s23р63d64s2 vegyértékszintek No. 26 26 ē 6. d-elem Elektrongrafikus képletek Fe oxidációs állapotai: +2, +3, +6. 26 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Szolgáltatás Ügynökség A legfontosabb vegyületek 2 Fe O → Fe(OH)2 fő bázikus oxid tulajdonságai 3 H3FeO3 → ferrit sók KFeO2 Fe2 O3 → Fe(OH)3 gyenge gyengén amfoter amfoter tulajdonságai Н2О НFeO2 6 Fe O3 → a H2FeO4 savas tulajdonságai → vassav K2FeO4 só-ferrátok (oxidálószerek) A vas esszenciális nyomelem. 3.4. Az elemek és vegyületeik tulajdonságainak változásának periodikussága A kémiai elemek tulajdonságai periodikusan változnak. Időszakosan változó: atomi sugarak (R); ionizációs energia (I. ionizációs potenciál); elektronaffinitás (E) elektronegativitás (χ) χ=I+E vagy χ= I E . 2 Atomsugár (R) a növekvő periódusban sorozatszámát csökkenés (vízszintes periodicitás). Ok: Az atommag töltése nő, de az energiaszintek száma egy periódusban állandó. Minél kisebb a sugár, annál nehezebben adja fel az atom az elektronokat (csökken a fémes tulajdonságok). Hosszú időn keresztül a következők figyelhetők meg: 1. d – összenyomódás (a sugár csökkentése a d – elemek sorában); 2. f – tömörítés (az f – elemek sorában a sugár csökkentése); a) a VI. periódusban – lantanid kompresszió; b) a VII periódusban – aktinoid kompresszió. Csoportokban a sorszám növekedésével az elemek sugara nő (a fő minta). Ok: Az energiaszintek számának növekedése. Következmény: Fokozott elektrondonor képesség → megnövekedett fémes tulajdonságok. 3.2 táblázat - A sugár normál változása az IA csoportban R elem, nm Li 0,155 Na 0,189 K 0,236 Rb 0,248 Az elemek fémes tulajdonságai nőnek. 27 Cs 0,268 Fr 0,280 Szerzői jog JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3.3 táblázat - Az R változás mintázatának megsértése f - tömörítés miatt az IB csoportban R elem, nm Cu 0,128 Ag 0,144 Au másodlagos alcsoport144 Au 0. , a fémes tulajdonságok csökkennek (a lantanid kompresszió hatása). Az ionizációs energia az az energia, amely egy elektron eltávolításához szükséges egy atomból. Az I ionizációs potenciál az a legkisebb feszültség (elektronvoltban), amelyet egy atomra kell alkalmazni, hogy egy elektront eltávolítsunk róla. Az I. ionizációs potenciál az elemek fémes és redukáló tulajdonságait jellemzi. E0 = E+ + ē atomion Általános minta: Növekvő atomszámú periódusokban az ionizációs potenciál nő. Az I értéke a periódus vége felé éri el a maximumát. Általános minta: A csoportok ionizációs potenciálja az atomszám növekedésével csökken. Általános minta megsértése: (alszint kitöltöttségi fokának befolyásolása). A teljesen vagy félig elektronokkal feltöltött alszintek a legstabilabbak (I nő). 3.4. táblázat - Az alszint-kitöltés mértékének hatása az ionizációs potenciálra Elem Valencia elektronok I, eV N 2s22p3 14,53 O 2s22p4 13,61 3.5. ,57 Au 0,144 9,22 Az elektronaffinitás (E, eV) az az energia, amely akkor szabadul fel, amikor egy elektront adunk egy atomhoz. Az elektronaffinitás jellemzi az elemek nem fémes, oxidáló tulajdonságait. Általános minta: Növekvő atomszámú periódusban az elektronaffinitás nő. Egy csoportban az atomszám növekedésével az elektronaffinitás csökken. 28 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3.6. táblázat – Az elektronaffinitás értékének változása a VII. csoportban – A elem E, eV F 3,62 Cl 3,82 Br 3,54 J 3,24 Az elektronegativitás (χ) az atomok képessége olyan molekula, amely magához vonzza az elektronokat. Az elektronegativitás mértéke az energia összeggel egyenlő ionizációs energiák (I) és elektronaffinitás (E) χ = I+E. Hagyományosan azt feltételezték, hogy Li 1. Hagyományosan a fémek és a nemfémek közötti határ 2 (vagy 1,7). nemfémek fémek 2< 2 χ >2 3.1. ábra. Feltételes határ fémek és nemfémek 3.7. táblázat - Egyes elemek atomjainak elektronegativitása Elem χ Na 1,01 Mg 1,23 Al 1,47 fémek Ge 2,02 Cl 2,83 F 4,10 nemfémek Az elemek kémiai tulajdonságai periodikusan változnak. Egy időszak alatt az elemek tulajdonságai fémből nemfémesből inert (nemes)gázba változnak. Az elemek oxidációs állapota periodikusan változik. Az oxidációs állapot a hagyományosan ionosnak tekintett vegyületben lévő atom töltése. A legmagasabb oxidációs állapot a legnagyobb pozitív értéke. Ez egyenlő a csoport számával. Kivételek: O, F, Fe, Cu, Ag, Au. A legalacsonyabb oxidációs állapot a legalacsonyabb értéke. Az összes többi oxidációs állapot köztes vagy köztes. Az oxidációs állapotnak (+) vagy (–) jele van. Állandó oxidációs állapotok: 1) alkálifémek I A- csoportok: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr: +1 2) fémek II A – csoportok: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra: +2 3) Al: +3 4) H : +1 (kivétel: NaH-hidridek) 5) O: – 2 (kivétel: OF2) 6) Az atom oxidációs állapota nulla (az atom elektromosan semleges) 7) A molekula oxidációs állapota nulla (a molekula elektromosan semleges). Az elemek vegyértéke periodikusan változik. A vegyértéket azon kémiai kötések számával mérjük, amelyekkel egy adott atom más atomokhoz kapcsolódik. Valenciának nincs jele. Előfordulhat, hogy az oxidációs állapot és a vegyérték értéke nem esik egybe. 29 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3.8 táblázat – A nitrogén oxidációs állapota és vegyértéke NH3 és NH4Cl anyagban NH3 NH4Cl Nitrogén oxidációs állapota –3 –3 Nitrogén vegyértéke 3 4 A kémiai elemek tulajdonságai befolyásolják megfelelő összetett kapcsolatairól. 3.2. Az elemek tulajdonságainak jellemzői Önellenőrzési kérdések 1. Adja meg a D.I. periodikus törvényének megfogalmazását! Mengyelejev. Magyarázd el, hogyan érted. 2. Hasonlítsa össze bármely makroelem és mikroelem atomi szerkezetét és tulajdonságait! 3. Magyarázza meg, miért közömbösek a nemesgázok és miért aktívak az alkálifémek! 4. Hasonlítsa össze az atomok sugarait és az ionizációs potenciálokat! 1) nátrium és kálium; 2) oxigén és fluor. 5. Mondjon példákat a komplex vegyületek tulajdonságainak az őket alkotó elemek tulajdonságaitól való függésére! IRODALOM Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. 30 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Könyv-Szolgáltató Ügynökség További 1. Szervetlen kémia (biogén és abiogén elemek): Tankönyv / szerk. V.V. Egorova. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 320 p. 2. Guzey, L.S. Általános kémia / L.S. Guzey, V.N. Kuznyecov, A.S. Guzey. – M.: Könyvkiadó. Moszkvai Állami Egyetem, 1999. – 333 p. 3. Agafoshin, N.P. Periodikus törvény és periodikus rendszer D.I. Mengyelejev. / N.P. Agafoshin - M.: Oktatás, 1973. - 208 p. 4. Dmitriev, S.N. A szupernehéz fémek kémiai azonosítása és tulajdonságainak vizsgálata. A periódusos rendszer evolúciója D.I. Mengyelejev / S.N. Dmitriev – A XVIII. Mengyelejev Kongresszus általános és alkalmazott kémiáról szóló jelentéseinek kivonata: 5 kötetben; v.1. – M.: Granitsa, 2007. – P. 47. 31 Copyright JSC “CDB “BIBKOM” & LLC “Kniga-Service” 4. előadás AZ IDŐSZAKOS TÖRVÉNY MEGNYILVÁNÍTÁSA A SZERVETLEN VEGYÜLETEK SAV-ALAP TULAJDONSÁGAIBAN 4. 1. Genetikai kapcsolat főbb osztályok szervetlen vegyületek létezik a természetben hatalmas mennyiség szervetlen vegyületek, amelyek a szervetlen vegyületek néhány fő osztályába tartoznak. Az oxidok és a hidroxidok bázikus vagy savas tulajdonságaik mértéke szerint különböznek egymástól. A hidroxidok elektrolit erőssége változó. Ezenkívül minden anyagnak megvannak a saját egyéni jellemzői. Világosan el kell képzelni az elemek kémiai tulajdonságainak ezt a dialektikáját, hogy el tudjuk képzelni az összetett vegyületek kémiai tulajdonságainak dialektikáját. A szervetlen vegyületek főbb osztályainak tulajdonságai segítenek megérteni a periodikus törvényt, és lehetővé teszik, hogy megbízható tudásalapként támaszkodjunk rá. A természet minden jelenségében és folyamatában vannak egymásnak ellentmondó, egymást kizáró, ellentétes tendenciák. Ezek az ellentétes irányzatok a fématomok elektronokat adható tulajdonságaiban, illetve a nemfémes atomok elektronszerzésére képes tulajdonságaiban nyilvánulnak meg. Az anyagok összetételének összetettebbé válásával ezek az ellentétes tendenciák továbbra is megjelennek. A tipikus fémek és átmeneti elemek alacsony oxidációs állapotúak bázikus oxidokat, míg a tipikus nemfémek és átmeneti elemek magas oxidációs állapotú savas oxidokat képeznek ellentétes tulajdonságokkal. Az anyagok összetételének további bonyolításával hidroxidok képződnek, a bázisok a bázikus oxidoknak, a savak pedig a savas oxidoknak felelnek meg. A bázisok és savak tulajdonságai is ellentétesek. Így az anyagok összetételének változása tulajdonságaik megváltozásához vezet. A fémek és nemfémek tulajdonságainak kontrasztja meghatározza mind a bázikus, mind a savas oxidok, valamint a bázisok és savak tulajdonságainak kontrasztját. Ez a bizonyíték arra, hogy a tulajdonságok összetett anyagok dialektikus függésben vannak az elemek atomjainak tulajdonságaitól, ezért összefüggenek és kölcsönösen függenek egymástól. Az anyagmozgás kémiai formájának kialakulása az anyagok összetételének és tulajdonságainak bonyolultságában nyilvánul meg. Valójában a periodikus törvény azt az elképzelést tartalmazza, hogy a komplex vegyületek tulajdonságai azon elemek tulajdonságaitól függenek, amelyekből keletkeznek. Ezért például arra kell számítanunk, hogy a különböző aktivitású fémek olyan összetett vegyületeknek felelnek meg, amelyek tulajdonságaiban különböznek egymástól, az egymástól alapvetően eltérő fémek és nemfémek pedig olyan összetett vegyületeknek felelnek meg, amelyek élesen különböznek egymástól. egymást. Egyszerű anyagokból összetett vegyületek jönnek létre. A legegyszerűbb összetett vegyületek az oxidok. Az oxidok összetett anyagok, amelyek két elemből állnak, amelyek közül az egyik az oxigén. Ha az oxidmolekulát bonyolítják víz hozzáadásával (közvetlenül vagy közvetve), hidroxidok keletkeznek. A szervetlen vegyületek fő osztályainak megléte a szervetlen anyagok fejlődését tükrözi. 32 Szerzői jog JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvkiadó Ügynökség séma 4.1. A szervetlen vegyületek főbb osztályainak genetikai kapcsolata és a vegyi anyagok fejlettségi szintjei 4.1. táblázat - Vegyi anyagok fejlettségi szintjei 4 3 2 1 Sók Hidroxidok Oxidok Elemek atomjai A kémiai jelenségeket belső inkonzisztencia jellemzi. Ez az oka a kémiai tulajdonságok sokféleségének és annak, hogy lehetetlen megmagyarázni azokat a legjobb sémák keretein belül, kivételek nélkül, amelyek túlmutatnak ezen a kereten. 4.2. Oxidok, bázisok, savak és sók kémiai tulajdonságai Bázikus oxidok A bázikus oxidok egy fémből és oxigénből álló összetett anyagok, amelyeknek a bázisok hidroxidokként felelnek meg. 4.2. táblázat – Fémek fejlődési mintái Bázikus oxidok kémiai tulajdonságai A bázikus oxidok reakcióba lépnek: 1) savas oxidokkal: Na2O + CO2 = Na2CO3; 2) savakkal: CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O; 3) vízzel (csak a legaktívabb fémek oxidjai - alkáli és alkáliföldfém oxidjai) reagálnak: CaO + H2O = Ca(OH)2 CuO + H2O 33 nem működik Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Savas oxidok A savas oxidok összetett anyagok, amelyek egy nemfémből és oxigénből állnak, amelyeknek a savak hidroxidokként felelnek meg. 4.3. táblázat – Nemfémek fejlődési mintái Savas oxidok kémiai tulajdonságai Savas oxidok reakcióba lépnek: 1) bázikus oxidokkal: SO3 + Na2O = Na2SO4; 2) bázisokkal: CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O; 3) vízzel: SO3 + H2O = H2SO4. Bázisok A bázisok fémből és OH– hidroxilcsoportokból álló anyagok. A bázisok olyan anyagok, amelyek disszociálva hidroxidionokat képeznek OH–. A nagyon aktív alkálifémek (1. csoport, fő alcsoport: Na, K stb.) az alkáliföldfémek (2. csoport, fő alcsoport: Ca, Sr, Ba) erős bázisokat képeznek (lúgok) Vízben oldódnak, teljesen disszociálnak (). NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2). Alacsony aktivitású fémek (az alkáli- és alkáliföldfémek kivételével): Al, Zn, Cu, Fe, Pb gyenge bázist képeznek. Vízben rosszul oldódnak és részben disszociálnak: (Cu(OH)2↓, Fe(OH)3↓). Aktívabb fémek kisebb mértékben oxidáció során erősebb bázisok keletkeznek 2 3 Fe (OH)2 > Fe (OH)3 Erős bázisok előállítása 1) oxid vízzel: CaO + H2O = Ca(OH)2; 2) fém vízzel: 2Na + H2O = 2NaOH + H2; 3) sóoldat elektrolízise: NaCl, KCl. 34 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Gyenge bázisok előállítása Alacsony aktivitású fém lúgos sója: FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + Na2SO4. A bázisok kémiai tulajdonságai A bázisok reakcióba lépnek: 1) savakkal (semlegesítési reakció): 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O; 2) savas oxidokkal: 2NaON + CO2 = Na2CO3 + H2O; 3) sókkal (ha csapadék képződik): 2NaOH + CuSO4 = Cu(OH)2 ↓ + Na2SO4. Szabály: Oldható sók alacsony aktivitású fémek erős bázisokkal reagál. Szakmai kompetencia: A CuSO4, FeSO4, MnSO4 stb. mikrotrágyák alkalmazása lúgos talajokon nem hatékony, mivel oldhatatlanná válnak. Amfoter hidroxidok Az amfoter hidroxidok kettős tulajdonságokkal rendelkeznek - egyszerre bázisok és savak. Reagálnak savakkal és bázisokkal egyaránt. 4.4. táblázat – Amfoter hidroxidokat képző fémek (a tulajdonságok belső inkonzisztenciája) Csoport Elemek Oxidációs állapot I Au +3 II Be, Zn +2 III Al +3 IV Ge, Sn, Pb +2; +4 VI Cr +3 A cink-hidroxid amfoter tulajdonságai Zn(OH)2: amfoter. Zn(OH)2 ↓+ H2SO4 = ZnSO4 + 2H2O bázissav Az olvadékban: amfot. Zn(OH)2 + 2NaOH = H2ZnO2 + 2NaOH = Na2ZnO2 + 2H2O savas bázis nátrium-cinkát Oldatban: Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2 vagy Na Azonos oxidációs állapotú (+2) fémek hasonló tulajdonságú amfoter hidroxidokat képeznek: Zn (OH)2, Be(OH)2, Ge(OH)2, Zn(OH)2, Pb(OH)2 Az alumínium-hidroxid amfoter tulajdonságai: amfot. 2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O bázissav 35 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az olvadékban: amfot. Al(OH)3 + NaOH → H3AlO3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O sav bázis H2O nátrium-metaluminát metaalumíniumsav HAlO2 Oldatban: Al(OH)3 + 3NaOH = Na3 vagy Na vagy Na Azonos oxidációs állapotú (+3) fémek keletkeznek hasonló tulajdonságú amfoter hidroxidok: Al(OH)3, Cr(OH)3, Au(OH)3. Savak A savak összetett vegyületek, amelyek disszociálva H+ hidrogénkationokat (protonokat) képeznek. 4.5. táblázat – Savak és sók A sav neve Sósav (sósav) Salétrom A sav képlete Savmaradék Só neve Példák a sókra HCl Cl – Kloridok NaCl HNO3 Nitrátok Szulfátok hidroszulfátok Foszfátok hidrofoszfátok dihidrogénfoszfátok hidrogén-szulfátok nitroszulfátok hidrogén-karbonátok3 nitrátok SO4 NaHSO4 (PO4)2 CaHPO4 Ca(H2PO4)2 Na2SO3 NaHSO3 Na2S NaHS Na2CO3 NaHCO3 Na2SiO3 NaHSiO3 NaNO2 cianidok KCN kén H2SO4 foszfor H3PO4 kén H2SO3 hidrogén-szulfid H2S szén H2COS3 szilícium nitrogén-NO3 4– PO43– HPO42– H2PO4– SO32– HSO3 – S2– HS– CO32– HCO3– SiO32– HSiO3– NO2– HCN CN– Savak kémiai tulajdonságai A savak kölcsönhatásba lépnek: 1) bázisokkal 2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O; 2) bázikus oxidok H2SO4 + CaO = CaSO4 + H2O; 3) sók (ha csapadék vagy gáz képződik): 36 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency a) H2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2HCl, b) 2HCl + CaCO3 = CaCl2 + CO2 + H2O; 4) Savak kölcsönhatása fémekkel Közönséges (tipikus) savak H Cl, H 2 SO4. (részletes). Az oxidálószer H+. A savak fémekkel reagálva hidrogént szabadítanak fel. Fémfeszültségek sorozata: Li, K, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H Cu, Hg, Ag, Pt, Au A feszültségsorokban elhelyezkedő fémek egészen addig, amíg a hidrogén kiszorítja a hidrogént közönséges savak . A híg H2SO4-ben az oxidálószer a H+ hidrogénkationok (elektronokat fogadnak be és megváltoztatják az oxidációs állapotot). 0 2 H 2 SO4 Z n abd. 0 2 2е Zn Zn 0 2е 2H 0 Zn SO4 H2 ok H2 1 1 nem megy. H 2 SO 4 Cu r dil. 6 5 5 Oxidáló savak: H2 S O4, H N O3, H N O3 tömény. konc. div. 6 5 Az oxidálószer savképző elem: S, N. Az oxidáló savak hidrogén felszabadulása nélkül reagálnak a fémekkel. Az oxidáló savak még Cu-val, Hg-vel, Ag-vel is reagálhatnak (hidrogén felszabadulása nélkül). A tömény H2SO4 hidrogén felszabadulása nélkül lép reakcióba a fémekkel (az oxidálószer az SO 42 ion, azaz az S). 0 2е Cu szol 6 S 2 Cu 2е okl 4 S 1 1 Tömény kénsav A H2SO4 passziválja az Al, Fe, Cr: 3H2SO4 + 2Fe → Fe2O3 + 3SO2 + 3H2O konc. film 37 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Könyv-szolgáltató Ügynökség tulajdonai salétromsav A salétromsav oxidáló tulajdonságokkal rendelkezik. 5 A salétromsavban az oxidálószer a NO3 ionok (N elektronokat fogad, megváltoztatja az oxidációs állapotot). Amikor a salétromsav fémekkel reagál, hidrogén nem szabadul fel. A tömény HNO3 általában barna gáz NO2-dá alakul. 5 4 HNO3 NO 2 barna vég HNO3 passziválja az Al, Fe, Cr. konc. HNO 3 Al Al 2 O 3 NO 2 tömény. H 2O HNO3 film oldja Cu, Hg, Ag: konc. HNO 3 Cu konc. Cu NO 3 2 NO 2 H 2O 4.6. táblázat – Salétromsav kölcsönhatása fémekkel 5 HNO3 dil. alacsony aktivitású Cu, Ag, Pb közepes aktivitású fémek Mg, Zn nagyon aktív Na, K, Ca 2 3 NO N2 ;N2 O HNO 3 Cu Cu(NO 3) 2 NO H 2O HNO 3 Zn Zn(NO 3) 2 N 2 H 2O híg. div. HNO 3 Na híg. NaNO 3 NH 3 H 2 O vagy HNO 3 Na dil. 3 NH 3, NH 4 NO 3 0 NaNO 3 NH 4 NO 3 H 2 O A híg sav és a fém kölcsönhatás termékei a fém aktivitásától és a salétromsav hígítási fokától függenek. Minél aktívabb a fém, annál kisebb az átalakulás terméke. Általában több termék jön létre egyszerre. A folyamat kinetikája határozza meg az egyik kialakulásának előnyét. 38 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Salts A sók olyan elektrolitok, amelyek egy savmaradék fémkationjává és anionjaivá disszociálnak. A közepes sók egy fémből és egy savmaradékból állnak. 1 Példa: Na 3 PO 43 – nátrium-foszfát. A savas sók (hidrosók) fémkationból és komplex anionból állnak, amely hidrogént és egy savmaradékot tartalmaz. 1 Példa: Na 2 HPO 42 – nátrium-hidrogén-foszfát. A bázikus sók (hidroxosók) egy fémet és egy hidroxilcsoportot tartalmazó komplex kationból, valamint egy savmaradék anionból állnak. 2 Példa: AlO H Cl 41 – alumínium-hidroxi-klorid. A sók kémiai tulajdonságai A sók reakcióba lépnek: 1) bázisokkal (ha csapadék képződik): FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl; 2) savakkal (ha csapadék képződik vagy gáz szabadul fel): AgNO3 + HCl = AgCl + HNO3, Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O; 3) sókkal (ha csapadék képződik): Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2NaCl 4) fémekkel (aktívabb, mint a sót alkotó fém): CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. 4.3. A kémiai anyagok sav-bázis tulajdonságainak változásának periodikussága A komplex vegyületek sav-bázis tulajdonságai azon elemek tulajdonságaitól függenek, amelyekből keletkeztek: 1. Az elemek tulajdonságai periódusokban fémesről nemfémesre változnak. Ennek megfelelően a komplex vegyületek (oxidok és hidroxidok) tulajdonságai periodikusan bázikusról savasra változnak. 2. Az aktív fémek (alkáli és alkáliföldfém) erős bázisokat (lúgokat) képeznek; 3. A kevésbé aktív fémek gyenge bázisokat képeznek; 4. Az alacsonyabb oxidációs állapotú aktívabb fémek erősebb bázisoknak felelnek meg; 5. Aktívabb nemfémek többel magas fokú az oxidáció erősebb savaknak felel meg; 6. Az aktív nemfémek erős savaknak felelnek meg. 39 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 4.4. Szakmai kompetencia kérdései 1. A Ca(H2PO4)2 szuperfoszfát alkalmazása lúgos talajokon nem tanácsos, mert oldhatatlan Ca3(PO4)2-vé alakul: Ca(H2PO4)2 + 2Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2↓ + 4H2O oldható lúgos közeg oldhatatlan 2. Foszforitliszt Ca3(PO4)2 savanyú talajokon használatos, ahol fokozatosan oldható kalcium-dihidrogén-foszfáttá alakul: Ca3 (PO4)2 + H3PO4 → Ca(H2PO4)2 oldhatatlan savas közeg oldható 3. A mikrotrágyákat (CuSO4, MnSO4 stb.) lúgos talajokon nem tanácsos használni, mert oldhatatlan vegyületekké alakulnak: CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4 oldható lúgos oldhatatlan közeg 4. Savanyú talajok meszezésénél mészkő CaCO3 ill. dolomitliszt CaCO3 MgCO3 kerül a talajba . Savanyú talajban olyan folyamatok léphetnek fel, amelyek következtében a talaj savassága csökken: +H+ Ca2+ + CO2 + H2O a) CaCO3 +H+ Ca(HCO3)2 → Ca2+ + HCO 3 b) A mészkő CaCO3 kölcsönhatásba lép a talaj H+ kationjaival. talajabszorpciós komplex (PPK): N PPK N CaCO 3 PPK Ca 2 CO 2 H 2O 5. A lúgos szikes talajok gipszezésénél CaSO4 2H2O gipszet adnak a talajhoz. A szóda szikesedés talajában a következő folyamatok mennek végbe: a) Na 2 CO3 CaSO4 CaCO3 Na 2SO 4 nemesíti a talajt - esővel, öntözéssel könnyen kimosódik b) PPC Na Na CaSO 4 PPC Ca 2 Na 2 SO 4 könnyen lemosható Kérdések az önkontrollhoz 1. Sorolja fel a szervetlen vegyületek főbb osztályait összetettségük sorrendjében! 2. Genetikai diagram segítségével magyarázza el a szervetlen vegyületek egyes osztályainak kémiai tulajdonságait! 3. Ismertesse az összetett kémiai anyagok képleteinek összeállításának és ellenőrzésének algoritmusát! Mondjon példákat. 4. Egészítse ki a lehetséges reakciók egyenleteit: 1) CaO + H2O → 6) NaOH + Zn(OH)2 → 2) CuO + H2O → 7) Na2SO4 + KCl → 3) Cu + HCl → 8) Na2SO4 + BaCl2 → 4 ) Cu + HNO3 (konc.) → 9) CaCO3 + HCl → 5) NaOH + Ca(OH)2 → 10) CaCO3 + H2SiO3 → 5. Rajzolja fel a szervetlen vegyületek főbb osztályainak genetikai diagramjait! 40 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 6. Írja fel a következő vegyületek képleteit: nátrium-szulfát, alumínium-klorid, kalcium-foszfát, kalcium-dihidrogén-foszfát, réz-nitrát, alumínium-hidroxi-klorid, alumínium-hidroszulfát, nátrium-hidrogén-szulfid. 7. Mondjon példát egy kémiai vegyület sav-bázis tulajdonságainak az azt alkotó elem tulajdonságaitól való függőségére! . 9. Milyen folyamatok játszódnak le a talajban a) savanyú talajok b) lúgos talajok vegyszeres rekultivációja során 10. Melyik FeSO4 vagy ZnSO4 mikrotrágya szívódik fel könnyebben lúgos talajokon? IRODALOM Fő 1. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. 2. Ryazanova, G.E. Szervetlen és analitikai kémia/G.E. Rjazanova - Szaratov: Szakmai Felsőoktatási Szövetségi Állami Oktatási Intézmény "Saratov Állami Agráregyetem", 2006. - 172 p. További 1. Klinsky, G.L. Szervetlen kémia / G.L. Klinsky, V.D. Szkopincev. – M.: Könyvkiadó. MSHA, 2001. – 384 p. 2. Egorov, V.V. Környezetkémia. /V.V. Egorov. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 192 p. 3. Vlaszov, V.M. Robbanáshoz vezető hibák. / V.M. Vlasov // Kémia és élet. – 2006. – 7. sz. – p. 60. 4. http://www.online-knigi.com/biologiya/agrohimiya-uchebnik-skachat.html 41 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 4.7 táblázat - A III. időszak elemeinek tulajdonságai és a megfelelő im oxidok és hidroxidok Az ion R atomjának R eleme, eV Tulajdonságok Na 0,189 0,80 5,14 aktív fém Oxid Na2O bázikus oxid Hidroxid NaOH erős bázis Mg 0,160 0,740 7,65 kevésbé aktív fém MgO gyenge bázikus oxid Mg(5OH)2 bázis 90 Mg. 0,074 Kd (disszociációs állandó) Al 0,143 0,570 5,99 még kevésbé aktív amfoter fém Al2O3 amfoter oxid Al(OH)3 gyenge bázis amfoterrel (kettős - bázikus és savas) 4 10-13 (savas) 1 .98 (bázisos 10) ) 42 Si 0,134 0,390 8,15 enyhén aktív nemfém SiO2 gyengén savas oxid H2SiO3 gyenge sav, vízben nem oldódik P 0,130 0,350 10,49 aktívabb nemfém P2O5 mérsékelten savas oxid H3PO4 21207 21207 . 104 0,290 10,36 aktív nemfém SO3 erősen savas oxid H2SO4 erős sav Cl 0,999 0,260 13,01 nagyon aktív nemfém Cl2O7 erősen savas oxid HClO4 nagyon erős sav Copyright OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC. Modern elképzelések a kémiai kötésről Rendes körülmények között nagyon kevés anyag áll egyedi atomokból. Ezek inert gázok (például hélium He). A fennmaradó anyagok összetettebb részecskékből állnak (molekulák, molekulaionok, gyökök). A molekula atomok gyűjteménye, amely számos jellemző tulajdonsággal rendelkezik. A molekulák tulajdonságai a kémiai kötések erősségétől és a molekula geometriájától függenek. A molekula geometriája a molekula térbeli szerkezete, amelyet a kötésszögek és a kötéshosszak határoznak meg. A molekulák olyan atomokból jönnek létre, amelyek között kémiai kötés jön létre. Vannak különféle definíciók a "kémiai kötés" fogalma. A kémiai kötés az atomok molekulákká egyesülésének jelensége (L.S. Guzei). A kémiai kötés az atomok kölcsönhatása, amely egyszerű és összetett anyagok molekuláinak és kristályainak kialakulásához vezet, és biztosítja azok stabilitását (D.A. Knyazev). A kémiai kötés az elektronok és az atommagok közötti kölcsönhatások összessége, amely az atomok molekulákká való egyesüléséhez vezet (Yu.A. Ershov). A kémiai kötéselmélet a kémia egyik ága, amelyben a kémiai kötések tulajdonságait a kémiai vegyületek tulajdonságainak leírására használják. Jelenleg nem egységes elmélet kémiai kötés. A kémiai kötésnek számos elmélete létezik (valenciakötés módszer, molekulapálya módszer, kristálytérelmélet). 5.2. A vegyértékkötés módszerének (VBC) alapelvei W. Heitler és F. London (1927) A kémiai kötést két ellentétes spinű elektron hoz létre. A kémiai kötés kételektronos, kétközpontú, lokalizált. Az elektronpárok által létrehozott kémiai kötést kovalensnek nevezzük. Jelenleg a vegyértékkötések módszere fontos a kémiai kötések természetének minőségi megértéséhez. 5.2.1. Kovalens kötés kialakulásának mechanizmusai Cseremechanizmus Két egyelektronos pálya átfedése következtében kémiai kötés jön létre (1. ábra). 5.1. ábra. Az atomi elektronfelhők átfedésének sémája a cseremechanizmus szerint Kémiai kötés kialakulásakor a rendszer energiája csökken, elérve a minimumot. 43 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A kötésképződés donor-elfogadó mechanizmusa Kémiai kötés akkor jön létre, amikor az egyik atom kételektronos pályája átfedésben van egy másik atom szabad pályájával. 5.2. ábra. Az atomi elektronpályák átfedésének sémája a donor-akceptor mechanizmus szerint Az ammónia kémiai tulajdonságai Az ammónia kémiai tulajdonságait az határozza meg, hogy a donor-akceptor mechanizmus szerint képes kölcsönhatásba lépni vízzel és savakkal, ammóniumvegyületeket képezve. Ebben az esetben a donor ammónia-nitrogén, amelynek nem kötő elektronpárja van, az akceptor pedig egy hidrogénkation, amelynek szabad pályája van. Az ammóniumvegyületek – NH4NO3 (ammónium-nitrát), (NH4)2SO4 (ammónium-szulfát), NH4Cl (ammónium-klorid), NH4H2PO4 és (NH4)2HPO4 (ammofosz) – értékes ásványi műtrágyák. Ipari előállításuk a következő reakciókon alapul: HCl → NH4Cl: NH3 + HNO3 → NH4NO3 2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 NH3 + H3PO4 → NH4H2PO4 2 NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4: NH2 + 5. Kovalens kötés Ha kémiai kötés jön létre, a rendszer energiája csökken és eléri a minimumot. A kémiai kötés kialakulása exoterm folyamat. A kovalens kötést a következő tulajdonságok jellemzik: A kötés hossza a molekulában lévő magok közötti távolság. Hogyan rövidebb hossza kötések, annál erősebb a kémiai kötés. A kötési energia a kémiai kötés kialakulása során felszabaduló energia (kJ/mol). Minél nagyobb a kötési energia, annál erősebb a kötés. A kötéstelítettség az atomok azon képessége, hogy meghatározott számú kovalens kötést hozzanak létre. 44 Szerzői jog JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyv-Szolgáltató Ügynökség 5.1. A kovalens kötések tulajdonságai 5.2.3. A kémiai kötések típusai - kötés akkor jön létre, amikor az elektronpályák átfedik egymást az atomok központjait (magjait) összekötő vonalon. 5.3. ábra. Kialakulási kötések sémája A pályák mélyen átfedik egymást, biztosítva a maximális energianyereséget. Ha két atom között egyszeres (egyszeres) kötés jön létre, akkor az kötés. -kötés a fő kötésvonalra merőlegesen elhelyezkedő p-pályák átfedésével jön létre. 5.4. ábra. A -kötés kialakulásának sémája Az atommagokat összekötő egyenes két oldalán két átfedési terület keletkezik. A π kötés, amely kevésbé erős, mint a - kötés, először megszakad. π kötés csak egy - kötés jelenlétében jön létre. Ezek a kapcsolatok jelentősen eltérnek egymástól. A csatlakozás körül szabad tengelyirányú forgás lehetséges. A π kötés körüli forgatás lehetetlen, mivel két átfedő tartománya van. 45 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Kémiai kötés többszörössége Az egy elektronpár által létrehozott kovalens kötést egyszeresnek nevezzük. A kémiai kötések multiplicitása a kötést (kettős vagy hármas kötést) alkotó elektronpárok száma. A kémiai anyagok tulajdonságai, aktivitásuk a kialakuló elektronpárok számától függ kémiai kötések molekulákban. Így, telítetlen szénhidrogének kettős vagy hármas kötéssel (alkének vagy alkinok) kálium-permanganáttal oxidálódnak, elszíneződnek brómos víz telített szénhidrogének pedig azzal egyszeres kötés egyenes lánccal közönséges körülmények között nem mennek bele ilyen reakciókba. 5.2.4. A kémiai kötések típusai Kovalens nem poláris kapcsolat Kovalens nempoláris kötés jön létre ugyanazon elem azonos atomjai között, azonos elektronegativitással. Egyszerű anyagok nem poláris molekulái: H2, O2, N2, Cl2 H + H H:H elektronpár szimmetrikusan helyezkedik el Kovalens poláris kötés Az atomok között kovalens poláris kötés jön létre különböző elemek különböző elektronegativitással. HCl, H2O, NH3, H2S Minél polárisabb egy molekula, általában annál reaktívabb. A polarizáció az összekötő elektronfelhő elmozdulása. A polarizáció mértéke az effektív atomi töltések (q). Sok szimmetrikusan felépített komplex anyag molekula nem poláris, bár a köztük lévő kötések polárisak: CH4, CCI4, SO3, BeCl2, CO2, C6H6 O=C=O 8,99∙10-30 C∙m ← → 8,99∙10- 30 C ∙m A töltések közötti elektromos dipólusmomentum egyenlő a dipólustöltés és a távolság szorzatával = ql (C∙m) Az elektromos dipólusmomentum vektormennyiség, ezért a molekulában lévő kötések dipólusmomentumait vektorokként összegezzük . 5.2.5. A kötés ionosságának mértéke 1. Egy molekulában lévő atom számított elméleti töltése egyenlő a hatalommal oxidáció 1 1 HF 1 2 H2 O 46 3 1 N H3 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 2. Egy molekulában lévő atom effektív töltése jellemzi az elektronsűrűség eltolódását, és kísérleti úton határozzák meg. 0,42 0,42 0,18 0,18 0,05 0,05 H F H Cl H I Az i ionosság mértéke (%) megegyezik az atom effektív qeff és számított qcalc töltéseinek arányával. qeff i 100%. q calc 5.1. táblázat – Egyes kémiai vegyületek ionossági foka i(%) Anyag HF LiF NaCl NaF RbCl i (%) 42 84 90 97 99 Az ionosság mértéke megegyezik az adott kötést alkotó atomok elektronegativitásának Δχ különbségével . A Δχ = 1,7 értéket hagyományosan úgy tekintjük, hogy megfeleljen a kötések ionosságának mértékének, amely 50%-nak felel meg. Hagyományosan feltételezik, hogy a Δχ >1,7 és i >50%-os kötések ionosak, míg a Δχ kötések<1,7 и i <50% - ковалентными полярными. Степень ионности в неполярных молекулах (H2, O2, Cl2) равна нулю. Внесистемной единицей дипольного момента является Дебай (Д). 1Д = 3,33∙10-30 Кл∙м Если дипольный момент молекулы равен нулю, то молекула является неполярной. Если дипольный момент молекулы отличен от нуля, то молекула является полярной. Таблица 5.2 – Зависимость типа химической связи от величины μ (Д) Дипольный момент (Д) Тип химической связи 0 До 4Д 4-11Д неполярная полярная ионная Ионная связь Ионная связь является предельным случаем ковалентной полярной связи. Ионная связь – это химическая связь между ионами, осуществляемая электростатическим притяжением Ионная связь образуется между элементами с резко противоположными свойствами (активными металлами и неметаллами) 47 Ионная связь – это предельно поляризованная связь Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Свойства ионной связи ненаправленность ненасыщаемость соединения с ионной связью легко диссоциируют образуются твердые тела с ионным кристаллическим строением Под действием полярных молекул растворителя происходит электролитическая диссоциация электролитов. Чем более полярна химическая связь, тем легче идет диссоциация. Диссоциация легче всего идет по ионной связи. Таблица 5.3 – Условное деление вещества на полярные и ионные Степень ионности i XA - XB > 50 % < 50% > 1,7 < 1,7 (Д) Тип вещества >4-11 > 0-4 ionos poláris 5.2.6. Hibridizáció atomi pályák A hibridizáció különböző atomi pályák keveredését jelenti, ami alakjuk és energiájuk egymáshoz igazodásához vezet. 5.5. ábra. A vegyértékpályák hibridizációjának sémája A kialakult hibridpályák száma megegyezik a hibridizációban részt vevő kezdeti atomipályák számával. Legtöbb egyszerű esetek Hibridizáció akkor következik be, amikor az s- és p-pályák keverednek. 1. Az sp - hibridizációval két orbitál keveredik - s (labda alak) és p (súlyzó alak). Ebben az esetben két hibrid orbitál jön létre, amelyek aszimmetrikus súlyzó alakúak. Ugyanabban a vonalban helyezkednek el, 180°-os szögben. Ez határozza meg a molekulák geometriáját a központi atom sp-hibridizációjával. Ennek a molekulának lineáris szerkezete van. 48 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Példa erre a BeF2 molekula, amelyben a berillium atom sp - hibridizációja gerjesztett állapotban van. 5.6. ábra. Egy lineáris BeF2 2 2 molekula diagramja Az sp - hibridizáció során három orbitál keveredik - egy s és két p - pálya. Ebben az esetben három hibrid pálya alakul ki. Ugyanabban a síkban helyezkednek el, és 120°-os szöget zárnak be egymással. Ez a típusú hibridizáció megfelel a lapos háromszög geometriájának. Ilyen például a BF3 bór-fluorid molekula. 5.7. ábra. Háromszög alakú BF3 molekula diagramja 3. Az sp3 hibridizáció során négy hibrid orbitális képződik. Egymással 109°28"-os szöget zárnak be, a tetraéder csúcsaihoz képest megnyúltak. Példa erre a CH4 metánmolekula, amelynek tetraéder alakja van. 5.8. ábra Tetraéderes metánmolekula 4. diagramja. Az ammónia NH3 és a víz H2O molekuláiban is előfordul sp3 - a nitrogénatomok és az oxigén hibridizációja. Ezekben a molekulákban a kötésszög közel van a tetraéderhez, de az NH3 molekulában nem egyenlő 107,3° A tetraéderes szög torzulása a vízmolekulában 104,5°-os Ammonia NH3 (trigonális piramis alak) A molekula szög alakja. 5.9. A nem kötőpályák hatásának diagramja a molekulák geometriájára 49 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 5.2.7 , amelyet szabadon mozgó elektronok (elektrongáz) felhasználásával hajtanak végre. A fémek szerkezeti jellemzői olyan tulajdonságokhoz vezetnek, mint az elektromos vezetőképesség, a hővezető képesség, a hajlékonyság és a fémes csillogás. A fémek leggyakoribb kristályrácsai köbös és arcközpontúak. A kötési energia fogalma nem vonatkozik a fémes kötésekre azok többcentrikus jellege miatt. 5.2.8. Hidrogén kötés A hidrogénkötés egy erősen elektronegatív elem atomjához kapcsolódó hidrogén és egy másik (vagy ugyanazon) molekula azonos elemének atomja közötti kötés. A hidrogénkötés oka: 1. Elektrosztatikus vonzás egy proton és egy poláris csoport között. 2. Donor-akceptor interakció. Intermolekuláris hidrogénkötés: 1. H2O asszociáció; (H2O)2; (H2O)5; (H2O)n Hidrogénkötések 5.2. ábra. A hidrogénkötések hatása a vegyi anyagok tulajdonságaira 5.3. A molekuláris orbitális módszer fogalma (1928-1932) R. Mulliken Amerikai fizikai kémikus, Mulliken Robert Sanderson. A molekulák kémiai kötéseinek és elektronszerkezetének molekuláris pályamódszerrel végzett tanulmányozásáért kémiai Nobel-díjat kapott (1966). 50 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A molekuláris pályamódszer alapelvei A molekula atommagokból és elektronokból álló halmaz, amelyben minden elektron az összes többi elektron és az összes atommag területén mozog. A kémiai kötés nemcsak kételektronos, hanem háromelektronos, többelektronos és többcentrikus is lehet. A molekuláris pályák módszere a molekulára kiterjesztett atomi pályák módszere. A molekulapálya az atompályák lineáris kombinációja. A molekulapálya hullámfüggvényét az atomok összeadásával vagy kivonásával kapjuk meg hullámfüggvények. A kötőpálya olyan pálya, amelynek hullámfüggvényét az atomi pályák hullámfüggvényeinek összeadásával kapjuk meg. Kevesebb energiája van, mint egy atompályának. Az antikötő pálya olyan pálya, amelynek hullámfüggvényét az atomi pályák hullámfüggvényeinek kivonásával kapjuk meg. Több energiája van, mint egy atompályának. 5.10. ábra. Molekulapályák kialakulásának sémája a hidrogénmolekulában H2 A molekulapályák módszere összetettebb, mint a vegyértékkötések módszere. Használata azonban lehetővé teszi az anyagok bizonyos tulajdonságainak megmagyarázását, amelyek nem magyarázhatók vegyértékkötésekkel (például az oxigén paramágneses tulajdonságai). Intermolekuláris kölcsönhatások Egy anyag tulajdonságai nem csak a tulajdonságoktól függenek egyedi molekulák , hanem egyesületeiktől is. Gázhalmazállapotban a molekulák közötti kölcsönhatási erők gyengék, ezért az egyes molekulák tulajdonságai a legfontosabbak. Folyékony és szilárd halmazállapotban a molekulák közötti kölcsönhatási erők nagy jelentőséggel bírnak. Az univerzális intermolekuláris kölcsönhatási erőket van der Waals erőknek nevezzük. 51 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 4 összetevőjük van: orientációs erők (poláris molekulák között); induktív erők (poláris és nem poláris molekulák között); diszperziós erők; az elektronhéjak taszítási energiája. Az intermolekuláris kölcsönhatások gyakorlati jelentősége nagy. Befolyásolják az anyagok fizikai és kémiai tulajdonságait. Meghatározásukra a klasszikus fizika törvényein alapuló megközelítéseket és elméleti kvantumkémiai módszereket alkalmaznak. Kérdések az önkontrollhoz 1. Mi a kémiai kötés? 2. Mondjon példákat nem poláris, poláris és ionos kötést tartalmazó anyagokra! 3. Ismertesse a kötésképződés donor-akceptor mechanizmusának megnyilvánulását az ammónia kémiai tulajdonságainak példáján! 4. Ismertesse az SP3-mal rendelkező molekulák geometriáját - a központi atom hibridizációja (CH4, NH3, H2O). 5. Hasonlítsa össze a kovalens és ionos kötések tulajdonságait! 6. Milyen típusú kémiai kötésekkel disszociálnak a legkönnyebben? 7. Hány π kötés van egy kénsav molekulában? 8. Hogyan változik a kémiai kötés polaritása a HCl –––––– NaCl sorozatban? IRODALOM Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Klinsky, G.D. Szervetlen kémia /G.D. Klinsky, V.D. Szkopincev. – M: MCHA Kiadó, 2001. – 384 p. 2. Gelfman, M.I. Szervetlen kémia / M.I. Gelfman, V.P. Jusztratov. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 528 p. 3. http://www.xumuk.ru/encyclopedia/2/2994.html 4. ru.wikipedia.org 52 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 6. előadás A MEGOLDÁSOK MODERN ELMÉLETE 6.1. A diszpergált rendszerek osztályozása A diszpergált rendszer olyan rendszer, amelyben egy anyag egyenletesen oszlik el részecskék formájában egy másik anyagon belül. A diszpergált fázis (DP) finom eloszlású anyag. A diszperziós közeg (DS) olyan anyag, amelyben a diszpergált fázis eloszlik. 6.1. táblázat – A diszpergált rendszerek osztályozása diszperziós fok szerint Durván diszpergált rendszerek Kolloid rendszerek Valódi megoldások Jelenleg a következő oldatdefiníciót fogadják el: Az oldatok homogének, termodinamikailag fenntartható rendszerek változó összetételű, amely egy oldott anyagból, egy oldószerből és ezek kölcsönhatási termékeiből áll. Az oldószer mennyiségileg túlsúlyban van. Az oldott anyag kisebb mennyiségben van jelen. Egy anyag oldódását termikus hatások kísérik: 6.2 táblázat - Az oldódási folyamat termikus hatásai Endoterm folyamat (hőelnyelés) - kötések felszakadása ΔH1 > 0 Exoterm folyamat (hőleadás) - új kötések kialakulása (szolvatáció, hidratáció ΔH2)< 0 общий тепловой эффект: ΔН = ΔН1 + ΔН2 53 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Правило: Подобное растворяется в подобном. Полярные вещества – в полярных растворителях HCl – в H2O полярн. полярн. Неполярные вещества – в неполярных растворителях I2 – в бензоле неполярн. неполярн. 6.2. Способы выражения состава растворов Концентрация раствора – это величина, характеризующая содержание растворенного вещества в определенном массовом или объемном количестве раствора или растворителя. Таблица 6.3 – Способы выражения состава растворов 6.3. Концентрация почвенного раствора и осмос Осмос – это односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемые мембраны. Движущими силами осмоса являются: переход в состояние с более низким уровнем энергии; выравнивание концентраций по обе стороны мембраны; увеличение энтропии (неупорядоченности системы). Величина осмотического давления черноземов при орошении составляет 0,5-5,0 МПа, а солонцов в засушливых районах 5-17 МПа. 54 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Таблица 6.4 – Осмотическое давление растительной клетки 6.4. Растворы электролитов 6.4.1. Vizes oldatok A legfontosabb oldószer a víz. A vizes oldatok nagy jelentőséggel bírnak az élő szervezetek számára biokémiai folyamatok zajlanak le. Elterjedés a természetben és felhasználás az iparban és a mezőgazdaságban. 6.5. táblázat – Biológiai szerep víz A víz tulajdonságai 1. A vízmolekula szögkonfigurációjú, mivel SP3 megy végbe - az oxigénatom elektronpályáinak hibridizációja 2. Elektromos dipólusmomentum μ = 6,17∙10-30 C∙m (nagyon nagy) 3. Dielektrikum állandó = 81 (magas) 4. A vízmolekula poláris. 5. A kötés ionossági foka = 33% 6. A víz egyedülálló oldószer. 55 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency 7. A vízmolekulák hidrogénkötéseket képeznek; dipól-dipól és ion-dipól kölcsönhatásba lépnek. Folyékony állapotban a vízmolekulák kapcsolódnak: (H2O)2; (H2O)3; (H2O)4; (H2O)x. A jég kristályrácsában minden oxigénatom négy hidrogénkötéssel kapcsolódik 4 vízmolekula 4 oxigénatomjához. A vízmolekulák között üregek vannak. 6.1. ábra. Az információ hatása a vízkristályra 6.4.2. Az elektrolitikus disszociáció elmélete Az „elektrolitok” és a „nem elektrolitok” fogalmát már a 19. században ismerték. Az elektrolitok olyan anyagok, amelyek oldatai (vagy olvadékai) nem vezetnek elektromos áramot. A nemelektrolitok olyan anyagok, amelyek oldatai (vagy olvadékai) nem vezetnek elektromos áramot. A nem elektrolit oldatok általános (kolligatív) tulajdonságaira a Raoult–van't Hoff törvényt fedezték fel: nyomáscsökkenés. telített gőz az oldat felett a forráspont növekedése, a fagyáspont csökkenése arányos az oldat moláris koncentrációjával. Azt találták, hogy az elektrolit oldatok nem engedelmeskednek a Raoult–van’t Hoff törvénynek. Az elektrolitok esetében minden kolligatív tulajdonság nagyobb jelentőséggel bír. Például KCl esetében ≈ 2-szer, BaCl2 esetén ≈ 3-szor. Felmerült a probléma: miért van ez így? 1887-ben S. Arrhenius (Svédország) javasolta az elektrolitikus disszociáció elméletét. Az elektrolitikus disszociáció a molekulák ionokra bomlása oldószer hatására (vizes oldatoknál - víz hatására). Az ionok olyan részecskék, amelyek töltéssel rendelkeznek. A kationoknak töltésük van (+). Az anionoknak töltésük van (–). Az elektrolitok olyan anyagok, amelyek ionjaikkal áramot vezetnek. 56 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az elektrolit oldatok kolligatív tulajdonságai nagyobbak, mert a disszociáció során megnő az oldott anyag részecskéinek száma. HCl = H+ + Cl– 1 részecske 2 részecske Arrhenius az oldatok fizikai elméletének híve volt, amely szerint az oldott anyag nem lép kölcsönhatásba az oldószerrel. DI. Mengyelejev megalkotta az oldatok kémiai elméletét (1887). Bebizonyította, hogy az oldott anyag és az oldószer kölcsönhatásba lépve szolvátokat képez (vizes oldatoknál hidrátokat). Ezek berthollidok. I.A. Kablukov egyesítette Arrhenius fizikai elméletét és Mengyelejev kémiai elméletét. Az elektrolitikus disszociáció elmélete új, magasabb szintre emelkedett A disszociáció fő oka a szolvatáció (hidratáció). Egyes ionok erősen hidratáltak. Így a hidrogénkation (proton) hidratációs energiája nagy: H+: H+ + H2 O: = H3O+ akceptor donor hidroniumkation Vizes oldatban nincsenek szabad H+ kationok, erős hidroniumkationokká alakulnak H3O+. 6.4.3. Mennyiségi jellemzők elektrolitikus disszociáció Az elektrolitikus disszociációnak két mennyiségi jellemzője van - a disszociáció mértéke és a disszociációs állandó. 1. Az elektrolitikus disszociáció mértéke () az ionokká szétesett molekulák számának az oldott anyag összes molekulájához viszonyított aránya. A disszociáció mértékét egységnyi töredékben vagy százalékban mérjük: O 1 vagy O 100%. (%) = Diss 100%. Közös A disszociáció mértéke függ: az oldott anyag természetétől (az ionos és erősen poláris típusú kémiai kötésekkel rendelkező anyagok disszociálnak a legjobban); az oldószer természetéről (a dielektromos állandójának értékéről); az oldat koncentrációjára (ha az oldatot hígítják, a disszociáció mértéke nő); a hőmérsékleten; azonos nevű ionok jelenlététől (a disszociáció mértéke csökken). 57 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 6.6. táblázat – Az elektrolit szilárdságának függősége a disszociáció mértékétől és a disszociációs állandótól (Kd) Disszociációs fok () 30% 3% Elektrolit szilárdság Kd 30%< 3% >10-2 Erős 10-2 – 10-4 Közepes< 10–4 слабый 2. Константа диссоциации Кд находится на основании закона действия масс для слабых электролитов. КА ↔ К+ + А. Кд = . Кд не зависит от концентрации. 6.4.4. Свойства сильных электролитов Сильные электролиты в растворе диссоциированы полностью. Движение ионов стеснено притяжением друг к другу ионов с противоположными зарядами. Каждый ион окружен «ионной атмосферой», состоящей из противоположно заряженных ионов, которая тормозит его движение. Поэтому все свойства растворов электролита, зависящие от концентрации, проявляются не в соответствии с полной диссоциацией электролита, а в меньшей степени. Для оценки состояния ионов в растворе применяют величину, называемую активностью (а). Активность иона – это его условная, эффективная концентрация, в соответствии с которой он действует при химических реакциях. Активность иона (а) равна его концентрации (с), умноженной на коэффициент активности f: a = f∙C. Коэффициент активности иона зависит от его заряда и от ионной силы раствора I. Ионная сила раствора равна полусумме произведения концентраций всех находящихся в растворе ионов на квадрат их заряда: I 1 C1 Z 12 2 C 2 Z 22 ... C n Z n2 . Если вместо значений концентраций пользоваться значениями активности, то закон действия масс можно применить и к сильным электролитам. При этом можно получить значения констант диссоциации erős savak. Ez lehetővé teszi nemcsak a gyenge, hanem az erős elektrolitok tulajdonságainak összehasonlítását is (Kd>10-2 - erős; Kd<10–4 – слабые; Kд = 10–2 – 10–4 – средние). 58 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Таблица 6.7 – Константы диссоциации некоторых электролитов при 25оС в водных растворах Слабые электролиты Сильные электролиты Электролит Кд Электролит Угольная кислота Н2СО3 К1 = 4,5∙10-7 Сероводородная кислота К1 = 6∙10-8 К2 = 4,7∙10 К2 = 1∙10 -11 -14 К1 = 8∙10-3 Ортофосфорная кислота К2 = 6∙10 -8 К3 = 1∙10-12 Кд Азотная кислота НNO3 Кд = 43,6 Хлороводородная кислота HCl 1∙107 Бромоводородная кислота HBr 1∙109 Йодоводородная кислота HJ 1∙1011 Упрощенно можно применить к электролитам более простую классификацию, разделив их на две группы – сильные и слабые. При этом все электролиты, не являющиеся сильными, относятся к слабым. 6.4.5. Типы электролитов Сильные электролиты диссоциируют практически полностью, необратимо. Слабые электролиты диссоциируют частично, обратимо. Таблица 6.8 – Сильные и gyenge elektrolitok Savak HCl HBr Hl HNO3 H2SO4 HClO4 Bázisok Sók Hidroxidok Gyakorlatilag aktív - minden alkáli és (oldható) alkáliföldfém NaCl KNO3 CuSO4 NaOH FeCl3 KOH Al2(SO4)3 Ca(OH)2 ZnSO4 Ba(OH)2 59 Savak H2 Bázisok Víz H2CO3 H2SO3 H2S HCN H3PO4 Szerves savak Alacsony aktivitású fém-hidroxidok és ammónium-hidroxid Cu(OH)2↓ Fe(OH)3↓ Zn(OH)2 NH4OH(oldat) H2O Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 6.4. 6. Elektrolitok disszociációja 6.9. táblázat – Savak, bázisok és sók disszociációja Savak disszociációja A savasságot a hidrogénionok jelenléte határozza meg H+ A bázisok disszociációja A közeg lúgosságát a hidroxidionok jelenléte határozza meg. OH– Sók disszociációja 60 Copyright JSC Central Tervezőiroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 6.4 .7. Reakciók elektrolitoldatokban Az elektrolitoldatokban végbemenő reakciók erős, stabil vegyületek képződnek, amelyek csapadék, gáz vagy gyenge elektrolit. A molekula-ion reakcióegyenletek összeállításakor az erős elektrolitokat egyedi ionok, a gyenge elektrolitokat pedig molekulák formájában írják fel. Példa: 1. CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl erős reakció molekuláris egyenlete. erős gyenge erős 2. Cu2+ + 2Cl– + 2Na+ + 2OH– = Cu(OH)2↓ + 2Na+ + 2Cl– reakció teljes molekuláris ionegyenlete 3. Cu2+ + 2OH– = Cu(OH)2↓ molekuláris ionegyenlet rövidítése 6.4. . Sók hidrolízise A hidrolízis a só és a víz közötti cserekölcsönhatás. A sók hidrolízisen mennek keresztül, ha vízzel kölcsönhatásba lépve legalább egy erős, stabil vegyület keletkezik, amely gyenge elektrolit (vagy összetett, kis mértékben disszociáló ion). A gyenge báziskationt vagy gyenge savas aniont, vagy mindkettőt (AlCl3, Na2CO3, Al2S3) tartalmazó sók hidrolízisen mennek keresztül. Az erős bázis kationokat és erős savas anionokat (NaCl, K2SO4, KNO3) tartalmazó sók nem hidrolízisen mennek keresztül. Periodikus törvény D.I. Mengyelejev elmélete alkalmazható a megoldások tulajdonságaira. A periodikus törvény segít megérteni az elemek atomjainak tulajdonságai és az ezen elemek ionjait tartalmazó rendszerek tulajdonságai közötti kapcsolatot. Például a fémkationok hidratációs hőjének változása ezen fémek atomjainak ionizációs potenciáljának függvénye. Minél nagyobb egy fémkation töltése és minél kisebb a sugara, annál erősebb az elektromos mező, és annál érzékenyebb a hidrolízisre. Ezért az Al3+ kation hidrolízise megtörténik, de a Na+ és K+ kation hidrolízise nem. Algoritmus hidrolízisegyenletek összeállításához 1. Hozzon létre egyenletet a só disszociációjára! Határozzuk meg azt az iont, amely gyenge bázist vagy gyenge savat képez: AlCl3 = Al3+ + 3 Gyenge bázis klórozása 2. Hozzon létre egy rövidített molekuláris ionegyenletet egy gyenge elektrolit ionjára! Határozza meg a közeg reakcióját: Al3+ + HOH ↔ AlOH2+ + H+ savas közeg 61 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3. Hozzon létre egy molekulaegyenletet a hidrolízishez: AlCl3 + HOH ↔ AlOHCl2 + HСl Minél gyengébb a sót képező sav, annál több hidrolízis megy végbe. A hidrolízis mértéke (h) a hidrolízisen átesett só koncentrációjának (Chydr.) és az oldat összes sókoncentrációjának (Csalt) aránya: h = C hydr C só 100%. A hidrolízis állandó (Kg) az egyensúlyi állandóból (Kр) származik CN– + HOH ↔ HCN + OH– Kp = ; Kg = .< 10–7(10–8, 10–9, 10–10) Таблица 6.10 – Реакция среды Среда , моль/л Нейтральная 10-7 Кислая >10-7 -6 (10 , 10-5, 10-3) Lúgos > 10-7 -8 (10 , 10-9, 10-10) Az oldat savasságának vagy lúgosságának fokát a hidrogén koncentrációja jellemzi ionok Hidrogén index Az oldat savassága vagy lúgossága a pH értékkel jellemezhető. pH érték negatív decimális logaritmus hidrogénionok koncentrációja. pH = - log - hidrogénkationok moláris koncentrációja, pontosabban pH = - log a H a H - hidrogénkationok aktív koncentrációja. = 10-pH Hidroxil index A hidroxil index pH a hidroxidionok koncentrációjának negatív decimális logaritmusa. pOH = - log = 10–pOH Feladatok megoldási képletei 1) ∙ = 10–14; 4) pH + pOH = 14; 2) pH = – log; 5) = 10–pH; 3) pOH = – log[ОH–]; 6) = 10–pH. + 63 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 6.1. ábra. A pH változásának sémája a környezet megváltozásakor 6.11. táblázat – A környezet savasságának értéke Talaj Csernozjom Podzolic Solonchak pH Növény Optim. pH Oldat pH Burgonya 4,5-6,3 Vér 7,4 3,5-6 Káposzta 7,8-7,4 Gyomorlé 1,7 8-9 Cékla 7,0-7,5 Csapvíz 7,5 7 6.4.10. A megoldások jelentősége A megoldások széles körben elterjedtek a természetben, a technikában használatosak, és nagy jelentőséggel bírnak az élő szervezetek számára. 6.12. táblázat – Elektrolitoldatok a természetben Folyók, tavak, tengerek, óceánok természetes vizei Talajoldatok Élő szervezetek biológiai folyadékai és szövetei Az elektrolitoldatokat a technológiában használják értékes kémiai vegyületek (savak, bázisok, sók), ásványi műtrágyák előállítására. A biológiában az oldatok szerepe nagy, mert minden sejtfolyamat vizes oldatban megy végbe. A növények a makro- és mikrotápanyagokat vizes talajoldatokból szívják fel. A folyadék lehetővé teszi többfunkciós vezérlő és információs rendszerek létrehozását. Egy ilyen rendszer prototípusai és az emberi agy. Kérdések az önkontrollhoz 1. Mi az elektrolitikus disszociáció? 2. Mondjon példákat erős és gyenge elektrolitokra! 3. Miért nem minden só hidrolízisen megy keresztül? 4. Számítsa ki egy 0,0001 mol/l-es KOH-oldat pH-ját és pOH-ját! 5. Hogyan lehet visszaszorítani a FeCl3 hidrolízisét? 6. Hogyan készítsünk 3 kg 6%-os NaCl oldatot? 7. Miért használják néha a vas-szulfát FeSO4∙7H2O-t enyhén lúgos talajok kémiai regenerálására? 8. Miért nem hatékony a CuSO4, FeSO4 mikrotrágyák alkalmazása lúgos talajokon? 9. Hogyan változhat a talaj pH-ja az ammónium-nitrát NH4NO3 szisztematikus használatával? 10. Miért hervadnak el a növények, ha a talajban túl magas a sók koncentrációja? 64 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency HIVATKOZÁSOK Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Egorov, V.V. Környezetkémia. /V.V. Egorov. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 192 p. 2. Ryazanova, G.E. Szervetlen és analitikai kémia / G.E. Rjazanova - Szaratov: Szakmai Felsőoktatási Szövetségi Állami Oktatási Intézmény "Saratov Állami Agráregyetem", 2006. - 172 p. 3. http://www.ecology-portal.ru/publ/1-1-0-124 65 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 7. előadás REDOX REAKCIÓK 7.1. A redoxreakciók modern elmélete (ORR) 7.1.1. A redox folyamatok jelentősége A redox folyamatok a minket körülvevő világ legfontosabb folyamatai közé tartoznak. A természetben számos elem és vegyület átalakulása szekvenciális redoxreakciók láncolatához kapcsolódik. Légzés, fehérjetestek önmegújulása, fotoszintézis, táplálékfelvétel állatok által, szén-dioxid és egyes makro- és mikroelemek felvétele a növényekből stb. – minden redox reakciókon alapul. Nagy jelentőséggel bírnak a talaj redox tulajdonságai, amelyek során folyamatosan zajlik az anyagcsere folyamata, amely az élő szervezetben zajló anyagcserére emlékeztet. A legfontosabb „életelemek” - nitrogén, kén, szén - keringése a természetben redox folyamatokhoz kapcsolódik. Mind a talajban, mind a növényekben ezek az elemek redox átalakuláson mennek keresztül. A nitrogén műtrágyák használatára vonatkozó tudományosan megalapozott ajánlások megsértése (műtrágya-adagok, kijuttatási dózisok, időzítés, a talajösszetétel dinamikájának figyelmen kívül hagyása, hőmérsékleti viszonyok, öntözésszabályozás) feltételek teremtődnek az ökológiai egyensúly megbomlásához, mérgezéshez. a mezőgazdasági termékek nitrátokkal és nitritekkel történő felhasználása, mivel a nitrátok ammóniává történő normál redukciója lehetetlen. 7.1. táblázat - Az ORR jelentősége a növények számára Élő szervezetek energiaforrásainak forrása Egyes tápanyagok asszimilációja a növények által Humusz képződése a talajban, termékenységének növelése ORR A tápanyagok átalakulási folyamatai a talajban (vas, mangán, nitrogén, kén) Az „életelemek” körforgása a természetben (nitrogén, szénhidrát, kén) A redox reakcióknak nagy technológiai jelentősége van. Fémek előállítására használják őket az iparban, savak, foszfor, halogének, hidrogén stb. A redox reakciók segítségével energiát nyernek, amelyet az autó-, rakéta- és repülőgép-technológiában használnak fel. Korunk számos környezeti problémája a redox-reakciókhoz köthető, például a légkör nitrogén- és kén-oxidokkal való szennyezése, az ipari hulladékok, valamint azok hasznosítható anyagokká történő átalakításának lehetősége. A redox folyamatok tanulmányozása alapot teremt számos összetett kérdés megértéséhez a szervetlen kémia, szerves, fizikai, biológiai, agrokémiai, talajtani és speciális tudományterületeken. 7.2. táblázat – Az ODD elméletének tárgyon belüli és szubjektumok közötti kapcsolatai 7.1.2. Az ORR elmélet alapvetõ rendelkezései A redoxreakciók olyan reakciók, amelyek során az elemek oxidációs foka megváltozik az elektronok egyik atomról a másikra való átvitele következtében. A redukció az a folyamat, amikor egy anyag atomja, ionja vagy molekulája elektronokat nyer. Az oxidáció az a folyamat, amikor egy anyag atomja, ionja vagy molekulája elektronokat veszít. A redukálószer olyan részecske (atom, ion, molekula), amely elektronokat ad át. Az oxidálószer olyan részecske (atom, ion, molekula), amely elektronokat nyer. A redukció során az elem oxidációs állapota csökken. Az oxidáció során az elem oxidációs állapota növekszik. A redox folyamat két ellentétes folyamat egysége. Egy redukálószer (oxidált) -e– – + e B oxidálószer (redukált) A legfontosabb redukálószerek 2 Fémek, H2; N B r; H I ; NaBr; K I ; H2S2; Na2S2; FeSO4; CO. A legfontosabb oxidálószerek a halogének (F2, Cl2, Br2, I2), oxigén O2; HNO3 (tömény és hígított), H2SO4 (tömény), KMnO4, K2Cr2O7. Az anyagok redox tulajdonságai periodikusan változnak. 67 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A sorozatszám növekedésével járó időszakban az elemek tulajdonságai fémesről nemfémesre, tehát redukálóról oxidálóvá változnak. A fentről lefelé haladó csoportban az elemek fémes tulajdonságai nőnek, és ennek következtében a redukáló tulajdonságok (elektronadó képesség). Elektronegyensúly szabály A redukálószer által leadott elektronok számának meg kell egyeznie az oxidálószer által elfogadott elektronok számával. 7.1.3. Egy elem oxidációs állapotának kiszámítása Oxidációs állapot Jelenleg az oxidációs állapot következő fogalma elfogadott: Az oxidációs állapot egy elem atomjának feltételes töltése, amelyet abból a feltételezésből számítunk ki, hogy a molekula ionokból áll. Az oxidációs állapot következő definíciói javasolhatók: Az oxidációs állapot egy elem atomjának feltételes töltése egy formálisan ionosnak elfogadott vegyületben. Az oxidációs szám az atom névleges töltése egy feltételezett ionokból álló molekulában. Az oxidációs állapot fogalmát használva azt szeretnénk értékelni, hogyan változik egy elem töltése, amikor az atomjai feladják vagy felveszik az elektronokat. Mennyiségileg az oxidációs állapotot az adott atom által adott vagy elfogadott elektronok száma határozza meg. Alapvető szabályok: 1. Az atomi állapotú elem oxidációs állapota nulla 2. A molekula elektromosan semleges 3. Az egyszerű anyagok molekuláiban lévő elem oxidációs állapota nulla A vegyületekben az állandó oxidációs állapot: H+ (. a Na + H-hidridekben lévő H 2 2 2 kivételével); O (az O kizárása az OF 2-ből); az IA csoport fémei (Na+, K+); a IIA csoport fémei (Ca+2, Ba+2), alumínium Al+3 (III A-csoport). Oxidációs állapot: 2 fém csak pozitív lehet: Na 2 O, C aO; Egy nemfém 2 6 értéke lehet pozitív vagy negatív: H 2 S, S O 3; az elektronegatívabb nemfém két nemfém vegyületében – 6 2 negatív: S O 3 ; egyenlő nullával, ha az atomban lévő elektronok száma megegyezik az atommag töltésével; pozitív, ha az atomban lévő elektronok száma kisebb, mint az atommag töltése; negatív, ha az elektronok száma nagyobb, mint az atommag töltése; Az oxidációs állapot nagysága és előjele az atom szerkezetétől függ. 68 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Algoritmus egy molekula ismeretlen oxidációs állapotának kiszámításához 1. Jelölje meg az elemek ismert oxidációs állapotát; 2. Készítsen egyenletet az összes elem oxidációs állapotának algebrai összegére, amely egyenlő nullával (az egyes elemek atomszámának figyelembevételével); 3. Keresse meg élő sejt ismeretlen fokozat oxidáció az egyenlet megoldásával. Példa: Keresse meg a Mn oxidációs számát a KMnO4-ben Megoldás: KMnO4 +1 + x + 4(-2) = 0 x = +8 –1 = +7 Válasz: A KMnO4-ben lévő mangán oxidációs száma + 7. oxidációs szám egy komplex ionban, meg kell oldania egy algebrai egyenletet. Példa: Határozza meg a nitrogén oxidációs állapotát N O3 X 2-ben Megoldás: x + 3(-2) = -1 (N O3) x = -1 + 6 = +5 Válasz: A nitrogén oxidációs állapota NO 3-ban + 5. Elektronikus egyenletek Az elektronikus egyenletek tükrözik a redukálószer oxidációs folyamatait az elektronok adományozása következtében, és az oxidálószer redukcióját az elektronok hozzáadásával. Elektronikus egyenlet összeállításához össze kell hasonlítani egy elem oxidációs állapotát annak kezdeti és végső állapotában. 7.3. táblázat – elektronikus egyenletek összeállításához 0 Példák: 1. S 2e 2 0 S 1. Na e 3 2 4 2. Fe e Fe 2. S 2e 6 3. S 8e 2 2 S 3. S 8e 69 1 Na 6 S 6 S Copyright OJSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 7.1.4. Algoritmus komplex vegyületek redox tulajdonságainak jellemzésére 1. Számítsa ki az elem oxidációs állapotát, amely meghatározza az anyagmolekula redox tulajdonságait! 2. Értékelje az atom elektronszerkezetét adott oxidációs állapotban, vegyértékelektronok jelenlétét; 3. Következtetések levonása a helyreállító ill oxidatív tulajdonságai. 7.4. táblázat – Komplex vegyületek redox tulajdonságainak elemzése Atomi részecske elektronszerkezete Oxidációs állapot, maximum pozitív 5 H N O3 Nincs vegyértékelektron N+5)0 ē 1s22s02p0 NH 3 3 Külső elektronikus szint kész N 3)8 ē 1s22s22p8 3 K N O2 Vegyértékelektronok jelenléte N+3)2 ē 1s22s22p0 A HNO3 tulajdonságai - csak oxidatív negatív NH3 - csak redukáló köztes KNO2 és redukáló és oxidáló 7.1.5. A redoxireakciók típusai Intermolekuláris oxidációs-redukciós reakciók Intramolekuláris oxidációs-redukciós reakciók A redukálószer és az oxidálószer nem egyenlő Az oxidálószer és a redukálószer egy molekula alkotóelemei Disproporcionálási reakciók (önoxidáció-önredukció) Az oxidálószer reagens és redukálószer ugyanaz az elem Reakciók arányosítása (átlagolás) Redukálószer és oxidálószer - egy elem atomjai különböző mértékben Az oxidáció különböző molekulák részei 70 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 7.2. Algoritmusok a redoxreakciók egyenleteinek összeállításához 7.2.1. Algoritmus az ORR egyenlet összeállításához elektronikus mérleg módszerrel 1. Készítsen reakcióvázlatot (írja fel a kiindulási anyagok és reakciótermékek képleteit; 2. Adja meg a reakció során megváltozott elemek oxidációs állapotát; 3. Rajzoljon fel elektronikus egyenleteket a redukálószer oxidációs és az oxidálószer redukciós folyamatait tükrözve 4. Keresse meg a redukálószer és az oxidálószer együtthatóit! a reakcióegyenlet a megfelelő anyagok előtt 6. Egyenlítse ki az oxidációs állapotot nem változtató fémre 9. Ellenőrizze az oxigént: 7.2.2 Az ORR egyenlet összeállítása elektron-ion módszerrel; -reakciós módszer) A félreakciós módszerrel az oldatokban lezajló redoxreakciók együtthatóit határozzuk meg. Ebben a módszerben az oxidáló és redukáló szerek töltéseit adjuk meg, és nem az elemek oxidációs állapotát. A töltések egyenlőségének szabálya A redox folyamat elektron-ion egyenletének bal és jobb oldalán lévő töltések összegének egyenlőnek kell lennie. Algoritmus az ORR egyenlet elektronionos módszerrel (félreakciós módszerrel) történő összeállításához 1. Rajzolja fel a reakció molekuláris sémáját: KI + KMnO4 + H2SO4 → I2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O 2. Határozza meg az oxidálószert, redukálószert ágens és átalakulásuk termékei: KI + KMnO4 + H2SO4 → I2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O közeg 71 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 3. Készítsen elektron-ion egyenleteket (félreakciókat) az oxidáció és a redukciós folyamatok. Ellenőrizze a töltések összegét az egyenlet bal és jobb oldalán. Ha a kezdeti részecskék töltéseinek összege nagyobb, mint a reakciótermékek töltéseinek összege, akkor adjuk hozzá az egyenlet bal oldalához a megfelelő elektronszámot (ha kevesebb, vonjuk ki). Példa: 4. Keresse meg a redukálószer, az oxidálószer és ezek átalakulási termékeinek együtthatóit: 5. Írja be az együtthatókat a molekulaegyenlet diagramba: 6. Egyenlítse ki a töltést nem változtató fémre (kálium). 7. Ellenőrizze, hogy vannak-e savmaradékok. 8. Ellenőrizze a hidrogént. 9. Ellenőrizze az oxigént. 7.5. táblázat – A nitrátok növények általi felszívódásának sémája Elektronikus egyenletek Elektron-ion egyenletek 72 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Redox reakciókat befolyásoló tényezők 1. A redukálószer és az oxidálószer jellege 2. Hőmérséklet. 3. szerda. 4. Az oxidálószer és a redukálószer koncentrációja. 7.3. A biogén elemek vegyületeinek redox tulajdonságai A legfontosabb biogén elemek - nitrogén, vas, mangán, kén stb. - a növényi szervezet élő sejtjeiben és a talajban végbemenő reakciók során redox tulajdonságokat mutatnak. A növények életében nagy jelentőséggel bírnak az „élet fémeinek” - vas, mangán, réz, molibdén, kobalt - redox átalakulásával kapcsolatos reakciók. Így a vas része a klorofill szintézisében részt vevő enzimeknek, amely fontos szerepet játszik a légzésben és a sejtek energia-anyagcseréjében; a mangán részt vesz a nitrátok redukciójában, a molibdén a nitrogénkötés folyamatában stb. A talaj Fe3+/Fe2+ redox rendszereket, +2, +3, +4 oxidációs állapotú mangánvegyületeket tartalmaz. Ha a talajban hiányzik a mangán, akkor mangán műtrágyákat használnak - MnSO4 és KMnO4. A kálium-permanganát tulajdonságai KMnO4 7 K Mn O4 – erős oxidálószer 7 Mn)0 – oxidálószer, vegyértékelektronokat nem tartalmaz (csak elektronokat fogad) 0 7 Mn)3d 5 4s 2 7å Mn)3d 0 4s 0 7 A közeg szerepe a KMnO4 oxidáló tulajdonságaira (Mn ) A redoxreakció lefolyása a környezettől függ. A redox reakciót a környezet pH-értékének mérésével szabályozhatja. A H+ hidrogénkationok koncentrációja (aktivitása) fontos az ilyen reakciókhoz, amelyek részvételükkel mennek végbe. A hidrogénionok oxigéntartalmú oxidálószerrel (KMnO4, K2Cr2O7) való reakciókban vesznek részt. Elvonják az oxigént az oxidálószertől, megkönnyítve a redukciós folyamatot. 7.1. ábra. A KMnO4 kálium-permanganát tulajdonságai különböző környezetekben A savas környezet, amelyben magas a H+ koncentráció, a legkedvezőbb 7 a KMnO4 részvételével zajló reakciókhoz. Ilyen körülmények között a Mn redukálódik a legmélyebben nagy számban elektronok. 73 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Savas környezet (kedvező, sok H+) Semleges környezet (kevésbé kedvező, kevésbé H+) Lúgos környezet (kedvezőtlen) 7.4. Redox potenciálok. Az ORR iránya Egy anyag redox tulajdonságait az E0 standard redoxpotenciál értékével jellemezzük. A standard elektród redoxpotenciálja (E0) egy redox rendszer potenciálja egy standard hidrogénelektródhoz viszonyítva, feltéve, hogy az oxidált és redukált formák aktivitásának aránya egységgel egyenlő. Hogyan több értéket E0, annál erősebb az anyag oxidálószere. Egy folyamat többek részvételével spontán módon megy végbe erős oxidálószer , azaz 0-nál EMF = Eok Evost > 0 A változó körülmények befolyásolják a folyamat irányát. 74 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Példa: HClO4 + Br2 + H2O ↔ HClO3 + HBrO3 erősebb oxidálószer A reakció erősebb oxidálószer részvételével megy végbe Nernst-egyenlet RT a ok a H ln E=E + nF a visszaállítás 0 vagy m 0,059 a ok a H E=E + . ln a restore 0 Az oxidálószer koncentrációjának növekedése növeli E. A H+ koncentrációjának növekedése, a közeg pH-jának változása megváltoztathatja a reakció irányát (ha az Eok és az Evost értéke közel van). Kérdések az önkontrollhoz 1. Mi a redukció, oxidáció, redukálószer, oxidálószer? 2. Számítsa ki a Mn oxidációs fokát KMnO4-ben! 3. Hasonlítsa össze a kicserélődési reakció és a redox reakció együtthatóinak meghatározására szolgáló algoritmusokat! 4. Magyarázza meg az NH3 és HNO3 redox tulajdonságainak különbségét! 5. Határozza meg a KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 → MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O reakció együtthatóit 6. Hozzon létre elektronikus (vagy elektronion) egyenleteket, amelyek megfelelnek a növények kénfelvételének: SO 42 → SO 23 → S 2 IRODALOM Fő 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. 4. Ryazanova, G.E. Szervetlen és analitikai kémia / G.E. Rjazanova - Szaratov: Szakmai Felsőoktatási Szövetségi Állami Oktatási Intézmény "Saratov Állami Agráregyetem", 2006. - 172 p. További 1. Szervetlen kémia (biogén és abiogén elemek): Tankönyv / szerkesztette prof. V.V. Egorova. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 320 p. 2. Klinsky, G.D. Szervetlen kémia /G.D. Klinsky, V.D. Szkopincev. – M: MCHA Kiadó, 2001. – 384 p. 75 Copyright OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Előadás 8 KOMPLEX KAPCSOLATOK 8.1. A komplex vegyületek rövid története (CS) A komplex vegyületek története négy korszakra osztható. I. időszak (ókortól a 18. század elejéig) Összetett vegyületek alkalmazása: drágakövek (smaragd, gránát, türkiz); természetes színezékek (indigó, lila, sáfrány); fémfelületek tisztítása bőr cserzéséhez; tinta fogadása. II. időszak (18. század eleje 1893-ig) Komplex vegyületek szintézise; Kísérlet a CS szerkezetének és tulajdonságainak magyarázatára. III. időszak (1893-1940) Alfred Werner (Svájc) koordinációs elméletének megalkotása, igazolása és győzelme. IV. időszak (1940-től napjainkig) Koordinációelmélet fejlesztése a kémia, a fizika és a matematika vívmányainak felhasználásával. Oroszországban a komplex vegyületek kémiája eredeti módon fejlődött: a munka megelőzte az európai eredményeket, de kevéssé ismert a tudományos világban. Szintén M.V. Lomonoszov a sók oldódását tanulmányozta telített oldatok, és P.B. Bagration (a parancsnok unokaöccse) nyitotta meg a reakciót ipari termelés arany. Yu.V. Lermontova (a költő másodunokatestvére) a platinacsoport fémeinek szétválasztását végezte. DI. Mengyelejev, L.A. Chugaev, N.S. Kurnakov modern formákat adott a komplex vegyületek kémiájának. I.I. Csernyajev, A.A. Grinberg, V.V. Lebedinsky, K.B. Yatsimirsky folytatta a komplex vegyületek elméletének továbbfejlesztését. M.V. Lomonoszov P.B. Bagration 76 Yu.V. Lermontov Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency D.I. Mengyelejev L.A. Chugaev N.S. Kurnakov I.I. Chernyaev V.V. Lebedinsky A.A. Greenberg Problémahelyzet - a század közepeévszázadok óta szokatlan kémiai reakciókról és vegyületekről halmoztak fel információkat. 1. példa: Miért oldódik könnyen a vízben oldhatatlan AgCl ammónia NH3-ban? AgCl + 2 NH3 fehér csapadék Cl-oldat A reakciót I. Glauber fedezte fel 1648-ban. 2. példa: Miért reagál a CuSO4 ammóniával, NH3-mal kombinálva? CuSO4 + 4NH3 SO4 kék oldat kék-ibolya oldat A reakciót Andrei Libavi fedezte fel 1597-ben. Butlerov A.M. úgy vélte, hogy „a létező elméletek által megmagyarázhatatlan tények a tudomány számára a legértékesebbek, fejlődésükre elsősorban a közeljövőben kell számítani.” 8.2. Werner koordinációs elmélete és modern elképzelései A „komplex” szó (latinul) összetettet jelent; kombináció. 1893-ban Alfred Werner svájci tudós koordinációs elméletet javasolt az összetett vegyületek képződésének magyarázatára. Ez az elmélet jelenleg a fő elmélet a komplex vegyületek kémiájában. Az idő múlásával az összetett vegyületeket alkotó részecskék között ható erőkről alkotott elképzelések megváltoznak és pontosabbá válnak. Az összetett vegyületek tulajdonságait magyarázó kérdések nagyon összetettek. 77 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Werner bevezette a fő és másodlagos vegyérték fogalmát, de nem magyarázta el azok okát és különbségét. Jelenleg különféle elméleteket használnak a komplex vegyületek szerkezetének és tulajdonságainak magyarázatára: a molekuláris pályák módszere; kristálytérelmélet; ligandumtér elmélet; vegyértékkötés módszer (VBC). Minőségi válaszok a belső kérdésekre vizuális ábrázolások a vegyértékkötések módszerét adja meg. Az MBC szempontjából: a fő vegyértéket az ionos (vagy kovalens) kötések kialakulásával magyarázzák; másodlagos vegyérték - donor-akceptor mechanizmus által kialakított kovalens kötés. A komplex vegyületeknek többféle meghatározása létezik. Mutassunk be ezek közül egyet, a vegyértékkötés módszer alapján. A komplex vegyületek (CC) magasabb rendű komplex vegyületek, amelyeket a donor-akceptor mechanizmuson keresztül létrejövő kovalens kötések jelenléte jellemez. 8.2.1. Komplex vegyületek molekuláinak összetétele 1. A komplexképző szer elfoglalja központi hely komplex vegyület molekulájában. A leggyakoribb komplexképző szerek a fémkationok. Erős komplexképzők: 3 2 0 2 2 kation és mellékalcsoportok d-fém atomjai (Fe, Fe, Fe, Cu, Ag, Zn) 3 2 2 p-fémkationok (Al, Sn, Pb). Gyenge komplexképzők az alkáli- és alkáliföldfémek kationjai. Az élő szervezetekben azonban részt vesznek a CS kialakulásában. 2. A komplexképző szer a LIGANDUMokat koordinálja maga körül (ellentétes töltésű ionok vagy semleges molekulák) Anionok: F-(fluor-), Cl– (klór-), NO2– (nitro-), CN– (ciano-), SO32– (szulfito-), OH– (hidroxo-) Semleges molekulák: NH3 (ammin-), H2O (aqua-) stb. 3. A komplexképző ágens koordinációs száma (CCN) a komplexképző szerhez kapcsolódó ligandumok száma . A komplexképző ágens koordinációs száma általában kétszerese a komplexképző szer oxidációs számának. 78 Copyright OJSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 8.1. táblázat – A koordinációs szám függése a komplexképző szer oxidációs fokától A komplexképző szer oxidációs foka KCC +1 (Ag) 2 2 2 4 (3.6) +2 (Cu, Fe ) 3 3 6 (4) +3 (Fe, Al) 4. A komplexképző szer a ligandumokkal együtt alkotja a komplex vegyület vagy komplex ion belső koordinációs szféráját. Képlet írásakor azt szögletes zárójelek közé kell tenni. A belső gömb töltése (oxidációs állapota) egyenlő algebrai összeg a komplexképző szer és a ligandumok oxidációs állapota. 5. A CS belső szférája össze van kötve a külső szférájával. A külső gömb összetétele a komplex ion töltésétől függően mindkét aniont tartalmazhatja savmaradékokés fémkationok (például lúg). A külső gömb töltése egyenlő nagyságú és ellentétes előjelű a belső gömb töltésével. 8.2. táblázat – Példák komplex vegyületek képleteinek összeállítására 1. példa: A tetraamin réz(II)-klorid 2 [Cu (NH 3) 04 ] komplexképző ligandumok képletének összeállítása 2. példa: Állítsa össze a nátrium-tetrahidroxicinát 2 2 Cl 2 Na 2 képletét [ Zn (OH) 4 ] 2 külső komplex ligandum kollaboráns külső környezet CCC CCC belső koordinációs szféra belső koordinációs szféra 8.2.2. Komplex vegyületek nómenklatúrája Egy összetett vegyület nevének összeállításakor a következőket kell tennie: 1. Nevezze meg az aniont. 2. A belső koordinációs szféra nevében jobbról balra sorolja fel annak összes összetevőjét! 2.1. Nevezze meg a ligandumok számát görög számokkal (1 - mono, 2 - di, 3 - három, 4 - tetra, 5 - penta, 6 - hexa) 2.2. Nevezze meg a ligandumokat (először anionok, majd molekulák) F–(fluor-), Cl–(klór-), Br–(bróm-), CN–(ciano-), H2O(aqua-), NH3(ammin-) . 2.3. Nevezze meg a komplexképzőt! Jelölje meg oxidációs állapotát római számokkal zárójelben. Ha a belső koordinációs gömb (+) kation, használja Orosz név komplexképző szer a genitiv esetben. 79 Szerzői jog JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Példa: +Cl– Diamin ezüst-klorid (I) Ha a belső koordinációs gömb egy anion (–), használja Latin név komplexképző szer „at” végződéssel. K3 –3 kálium-hexacianoferrát (III) 8.3. Kémiai kötés összetett vegyületekben A kémiai kötés komplex vegyületekben összetett tudományos probléma. A komplex vegyületek képződésének, szerkezetének és tulajdonságainak magyarázatára számos elméletet alkalmaznak - ligandumtérelméletet, kristálytérelméletet és vegyértékkötés-módszert. A kristálytérelméletet ionkomplexekre alkalmazzák. Figyelembe veszi az elektrosztatikus erőket, és nem veszi figyelembe a kovalens erőket. A ligandumtér elmélet feltételezi, hogy a komplex vegyületek képződése mind elektrosztatikus erők hatására, mind kovalens kölcsönhatások miatt következik be, amikor a központi ion és a ligandumok pályái átfedik egymást. A vegyértékkötés módszer azon a feltételezésen alapul, hogy a komplex vegyületekben a kémiai kötés ligandumokból álló magányos elektronpárokon és a komplexképző szer szabad pályáin keresztül megy végbe. A kérdések minőségi oldalának tisztázására időnként mindhárom elméletet alkalmazzák. Az összetett vegyületek kémiai kötéseinek elmélete további fejlesztést és javítást igényel. A vegyértékkötés módszere (MVM) a legszembetűnőbb. Az MBC szerint a komplexképző szer és a ligandumok közötti kémiai kötés donor-akceptor mechanizmuson keresztül jön létre. Példa: Hogyan alakul ki a 3+ koordinációs gömb? 1) Al3+ komplexképző ion képződése: 2). A vízmolekulában lévő oxigénatom nem kötődik elektronpárok és a donor szerepét töltheti be. 80 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Az elektronpárok a térben 90°-os szöget zárnak be (négy egy síkban, kettő rá merőleges). A kapott koordinációs gömb oktaéder alakú 8.1. ábra. Az ionképzés sémája 3+ CN = 2 sp CN = 3 sp2 Súlyzóháromszög Négyzet –3 – 2- sp2d CN = 4 sp3 CN = 5 sp3d CN = 6 sp3d2 Tetraéder Trigonális bipiramis Oktaéder +2 2+ sd3 8.2. ábra. Komplexek koordinációs szféráinak geometriája 8.4. Komplex vegyületek elektrolitikus disszociációja A komplex vegyületek, amelyek elektrolitok, két szakaszban disszociálnak. Első szakasz. Az elsődleges disszociáció a CS disszociációja belső és külső szférákra. Az erős elektrolitok típusát követi, mivel a CS belső és külső szféráját ionos kötés köti össze. K3 = 3K+ + 3– Második szakasz. A másodlagos disszociáció a CS (komplex ion) belső szférájának disszociációja. Gyenge elektrolit típusú, jelentéktelen. 3- ↔ Fe3+ + 6CN– Komplex vegyületek stabilitása. A komplex vegyületek stabilitását a Kn komplexion instabilitási állandója jellemzi. Egy komplex vegyület Kn instabilitási állandóját a tömeghatás törvénye alapján határozzuk meg. Kn a komplex ion disszociációja során képződött ionok koncentrációjának a komplex ion disszociációs egyenletében szereplő együtthatókkal megegyező mértékben szorzata a komplex ion koncentrációjához. 81 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Példa: Hozzon létre kifejezéseket a tetraamin réz(II)-szulfát SO4 instabilitási állandójára. Primer disszociáció: SO4 = 2+ + SO42– Másodlagos disszociáció: 2+ ↔ Cu2+ + 4NH3 4 Kn = Minél kisebb a Kn érték, annál stabilabb a komplex ion. 8.3. táblázat – Egyes komplex ionok instabilitási állandói Komplex ion + 2+ 2+ 34– 2– – Кн 7,2∙10–8 3,5∙10–10 2,1∙10–13 1,0∙10–44 1 ,0∙204 ∙10–6 1,0∙10–21 A rendkívül instabil komplex vegyületek kettős sók: (K2SO4∙Al2(SO4)3) – káliumtimsó 2KCl∙CuCl2∙2H2O – kettős klorid (NH4 )2SO4 –4H∙2∙202 Mohr-só vagy NH4 Fe(SO4)2∙12H2O Komplex vegyületek formájában a kettős sók csak szilárd állapotban léteznek. Oldatban teljesen disszociálnak. Példa: Mohr-só disszociációja NH4Fe(SO4)2 = NH4+ + Fe3+ + 2SO42. Cserereakciók komplex vegyületek bevonásával Poroszkék (poroszkék) előállítása F. Diesbach (1704) 3 1 4 Fe Cl 3 3K 4 1 4 Fe 4 3 3 4 12KCl. A komplex vegyületek jelentése és alkalmazása A komplex vegyületek fontos funkciókat töltenek be az élő szervezetekben, felhasználják az iparban, a mezőgazdaságban és a környezeti problémák megoldásában. 82 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Szolgáltatási Ügynökség 8.4. táblázat - A komplex vegyületek jelentése Komplex vegyületek Sűrű és tartós fémbevonatok előállításához Ritkaföldfémek elválasztásához Különleges funkciókat lát el élő szervezetekben (légzés, fotoszintézis, enzimatikus katalízis) Az analitikai kémiában - számos elem meghatározására Mezőgazdaságban - növények meszes klorózisának leküzdésére, vas-karbonátok és hidroxidok oldására, cinkhiány megszüntetésére Környezeti problémák megoldására, könnyen semlegesíthető komplexképző szerek beszerzésére Hemoglobin Az átvitelt végzi. oxigént a tüdőből a szövetekbe. Különleges jelentősége van az emberi test életében. Klorofil Magnézium-ion intrakomplex vegyülete komplex szerves ligandumokkal. A növények számára egyedülálló jelentősége van (a fotoszintézis szempontjából). 21. ábra A nitrogén donor tulajdonságai fémtartalmú biomolekulákban való megnyilvánulásának vázlata Az életfémek (vas, cink, molibdén, réz, mangán) számos redox folyamatokat katalizáló enzim molekulájában komplexképzők: peroxidáz, kataláz (vas) ); karboxipeptidáz (cink); xantin-oxidáz (molibdén és vas). Jelenleg a kémia új iránya alakult ki - a bioszervetlen kémia, amely az élet olyan fontos megnyilvánulásainak lényegét tárja fel, mint az anyagcsere, az öröklődés, az immunitás, a gondolkodás, a memória. 83 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Számos enzim molekulája a komplexen belüli vegyületek típusa szerint épül fel, amelyben a komplexképző szerepét az „életfémek” - vas, réz, mangán - töltik be. , molibdén, kobalt. Az enzimaktivitás specifitása attól függ, hogy melyik fém a komplexképző anyag a fehérjemolekulákban. Ugyanakkor vizsgálják a komplex vegyületek szerepét a növények ásványi táplálkozásában. Megállapítást nyert, hogy a mikroelemek felszívódása és a légköri nitrogén rögzítése komplexképző szerek részvételével történik. 1964-ben M.E. Volpin és V.B. Schur felfedezést tett az Organoelement Compounds Intézetben. Megfordultak molekuláris nitrogén normál körülmények között, melegítés nélkül komplex vegyületté. Azt találták, hogy vas-, molibdén- és vanádiumvegyületek jelenlétében a nitrogén aktiválódik, és ligandumként viselkedik, komplex vegyületeket képezve, amelyeket a víz ammóniává bont. Kérdések az önkontrollhoz 1. A komplex vegyület fogalma. 2. Írjon képletet egy komplex vegyületre, ha a komplexképző ágens 3+ Al, a ligandum pedig OH-ion. 3. Egészítse ki a reakcióegyenletet: CuSO4 + NH3 → 4. Írja fel a reakcióegyenletet: FeCl3 + K4 → 5. Határozza meg koordinációs számés a komplexképző szer oxidációs foka SO4 vegyületekben. 6. Írjon kifejezést a K3 komplex vegyület instabilitási állandójára! IRODALOM Főoldal 1. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 2. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Szervetlen kémia (biogén és abiogén elemek): Tankönyv / szerkesztette prof. V.V. Egorova. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 320 p. 2. Ugay, Ya.A. Általános és szervetlen kémia /Ya.A. Ugai. – M.: végzős Iskola , 2004. – 528 p. 3. Lensky, A.S. Bevezetés a bioszervetlen és biofizikai kémiába / A.S. Lensky. – M.: Felsőiskola, 1989. – 256 p. 84 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Könyv-Szolgáltató Ügynökség 9. előadás KÉMIAI KINETIKA. KÉMIAI EGYENSÚLY 9.1. A kémiai kinetika fogalma A kémiai kinetika a kémiai reakciók sebességének és mechanizmusának vizsgálata. A kémiai kinetika a reakció időbeli lefutását vizsgálja, a kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezőket vizsgálja, és információt ad a reakció mechanizmusáról. A legtöbb kémiai reakció több közbenső szakaszon megy keresztül. A köztes szakaszokat elemi szakaszoknak nevezzük. A reakciómechanizmus az összes elemi szakaszának teljes sorozata. A reakció sebességét a reakció leglassabb (korlátozó) szakaszának sebessége határozza meg. A hidrogén-jodid szintézisének reakciómechanizmusa 1. szakasz 2. szakasz 3. szakasz 4. szakasz (gyors) (lassú) Teljes reakcióegyenlet: H2 + I2 2HI Nátrium-tioszulfát reakciója kénsavval Teljes reakcióegyenlet Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO2 + SO2 + SO4 H2O 1. szakasz Na2S2O3 + H2SO4 = H2S2O3 + Na2SO4 (gyors) 2. szakasz H2S2O3 = H2SO3 + S ↓ (lassú) 3. szakasz H2SO3 = SO2 + H2O (gyors) 9.2. A kémiai reakció sebessége A kémiai reakció sebessége a molekulák közötti aktív ütközések száma, amelyek reakciótermék képződéséhez vezetnek egységnyi térfogatra vagy egységnyi felületre egységnyi idő alatt. A kémiai reakció sebességét az egyik reagáló anyag koncentrációjának időegység alatti változásával mérjük. Az átlagos és a pillanatnyi reakciósebesség fogalmát használjuk. Az átlagos reakciósebességet a koncentráció egy adott időtartam alatti változása határozza meg: 85 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency ΔС Δt Vav A reakciósebesség valódi (pillanatnyi) értékét a határértékként számítják ki. amelyet az átlagsebesség Δt → 0-nál tart, azaz. mint az időbeli koncentráció származéka: dС dt Vist. A + vagy – jel attól függ, hogy melyik anyag - az eredeti vagy a termék - koncentrációjának változását használjuk a számításokhoz. Ha a reakcióba belépő anyag koncentrációját használjuk, akkor a reakciósebesség mínusz (–) jelű lesz, mivel a koncentrációja a reakció során csökken. A kémiai reakció sebessége C koncentráció, mol/l 9.1. ábra. A koncentráció változásának függése a reakcióidőtől 9.3. A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők 9.1. ábra. A kinetikai tényezők hatása a kémiai reakció sebességére 86 Copyright OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency 9. táblázat. 1 – A reagáló anyagok természetének jelentősége a reakció lehetőségében és aktivitásában Au + HCl = nem fordul elő Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 A reakcióképesség az anyag molekuláinak azon képessége, hogy részt vegyenek a reakciókban egy bizonyos időpontban. arány. 9.3.1. A koncentráció hatása a reakció sebességére A tömeghatás törvénye (K. Guldberg és P. Waage (1864-1867 Norvégia): A kémiai reakció elemi szakaszának sebessége (V) arányos a termékkel moláris koncentrációk a reaktánsok (C) sztöchiometrikus együtthatójuk erejéig emelve. aA + bB = cC + dD; V = KC àÀ C b , ahol K a reakciósebesség állandó. A sebességi állandó a reaktánsok természetétől és a hőmérséklettől függ, de nem függ koncentrációjuktól. A sebességi állandó számszerűen megegyezik a reakció sebességével, ha mindegyik reaktáns koncentrációja 1 mol/dm3. Heterogén reakciók esetén a szilárdanyag-koncentráció nem számít bele kinetikai egyenlet, mivel a felület gyakorlatilag állandó, és az anyagok csak a felületen reagálnak. A tömeghatás törvényének megnyilvánulási területe A tömeghatás törvénye egy szakaszban fellépő reakcióra vagy egy többlépcsős reakció minden egyes szakaszára érvényes. A tömeghatás törvényének alkalmazása a reakciósebesség kiszámítására a többlépcsős mechanizmus figyelembevétele nélkül hibás eredményekhez vezet. Példák 1. Homogén reakció 4HCl(g) + O2(g) 2H2O(g) + 2Cl2(g) 4 Forward reakcióhoz 1 = K1C HCl CO 2 Fordított reakcióhoz 2 = K2C 2H 2O C Cl2 2 2. Heterogén reakció Fe3O4( sov) + H2(g) 3FeO(s) + H2O(g) Forward reakcióhoz V1 = K1 CH 2(r) A fordított reakcióhoz V2 = K2 C H2O(g) 87 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Ügynökség Könyv-szolgáltatás" 9.3.2. A hőmérséklet hatása a reakciósebességre 1. Van't Hoff-szabály Minden 10 fokkal nő a hőmérséklet, a reakciósebesség 2-4-szeresére nő: Vt 2 = Vt 1 t1 t 2 10 Vt 2 ; Vt1 Δt 10 γ , ahol – hőmérsékleti együttható 2 és 4 közötti értékeket vesz fel. Van' Hoff szabálya hozzávetőleges. Alkalmas a hőmérséklet-változások reakciósebesség-változásokra gyakorolt ​​hatásának közelítő értékelésére kis hőmérsékleti tartományban. 2. A hőmérsékletnek a kémiai reakció sebességére gyakorolt ​​hatásának pontosabb meghatározásához széles hőmérséklet-tartományban az Arrhenius-egyenletet használjuk: K = Ae Ea /RT, ahol K a sebességi állandó; A – állandó; e – természetes logaritmus alapja; Ea – aktiválási energia; R – gázállandó; T – abszolút hőmérséklet. Svante Arrhenius svéd tudós 1887-ben megalkotta az elektrolitikus disszociáció elméletét, és 1889-ben a vegyületek reaktivitásának új mértékét javasolta - az aktiválási energiát. A kémiai kinetikába általa bevezetett egyenletet több mint 100 éve használják a reakciók sebességének és mechanizmusának tanulmányozására. S. Arrhenius aktivációs elméletének főbb rendelkezései: A reakciósebesség az aktív molekulák számától függ, nem pedig az összszámuktól. Csak az aktív molekulák reagálnak. Az Ea aktiválási energia az az energia, amelyet át kell adni a molekuláknak ahhoz, hogy azok aktív állapotba kerüljenek (1 mol anyag esetén minél kisebb az aktiválási energia). nagyobb sebesség reakciók. Ahhoz, hogy a kiindulási anyagok reakciótermékeket képezzenek, szükséges az Ea energiagát leküzdése. Erre kiindulási anyagok a meglévő kémiai kötések megszakításához szükséges energiát fel kell venni. Új kémiai kötések nem jönnek létre azonnal. Először egy köztes átmeneti állapot (aktivált komplex) jön létre a rendszer maximális energiájával. Ezután lebomlik, és a reakciótermék molekulái új kémiai kötésekkel képződnek, és energia szabadul fel. Egy reakció exoterm, ha a felszabaduló energia mennyisége nagyobb, mint az aktiválási energia. Katalizátor jelenlétében az aktiválási energia csökken, és a reakció sebessége nő. 88 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 9.2. ábra. A reakció energiadiagramja 9.3.3. A katalizátorok hatása a kémiai reakció sebességére A katalizátorok olyan anyagok, amelyek befolyásolják a reakció sebességét, de nem fogynak el a reakció során. A pozitív katalizátorok növelik a reakció sebességét, mert csökkentik az aktiválási energiát. A negatív katalizátorok (inhibitorok) csökkentik a kémiai reakció sebességét. A katalízis a kémiai reakciók sebességének változása katalizátorok hatására. A katalitikus reakciók olyan reakciók, amelyek katalizátorok hatására mennek végbe. Katalitikus reakciók játszanak nagy szerepet a vegyiparban és a biokémiában. Az összes vegyipari termelés 90%-a katalizátort használ (ammónia, salétromsav, kénsav, gumi stb. gyártása). A katalizátorokat az üzemanyag elégetésére és tisztítására használják szennyvíz. A csúcstechnológiás ammóniagyárak kevesebb energiát használnak fel és kevesebb hulladékot termelnek, mint a hagyományos üzemek. A katalízis lehet homogén vagy heterogén. A homogén katalízisben a reagensek és a katalizátor azonos aggregációs állapotban vannak. Heterogén katalizátor esetén szilárd katalizátort használnak, és a reagensek egy oldat vagy gázkeverék részét képezik. Katalizátor jelenlétében a reakció gyorsabban megy végbe, mert a részvételével képződő aktivált komplex kisebb aktiválási energiával rendelkezik, mint katalizátor hiányában. Jelenleg új katalizátorokat fejlesztenek nanokompozíciók, félvezető anyagok és összetett vegyületek felhasználásával. Nagy figyelmet fordítanak a nagy diszperzitású fémeket vagy fém-oxidokat tartalmazó, zeolitmátrixban stabilizált nanokompozit katalizátorokra, amelyek molekulaméretű (0,3-1,2 nm) pórusokból (csatornákból) rendezett, háromdimenziós szerkezetűek. Katalitikus szelektivitásuk, savállóságuk és termikus stabilitásuk miatt széleskörű felhasználási területtel rendelkeznek. 89 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency A katalízis biológiai rendszerekben történik. Az élő szervezetekben végbemenő kémiai reakciók többsége katalitikus reakció. A biológiai katalizátorok - ENZIMEK - részt vesznek a fehérje anyagcsere folyamatokban, katalizálják a keményítő cukorrá alakulását, felgyorsítják a redox reakciókat. „A biokatalízissel való összehasonlítás azt mutatja, hogy a nagy sikerek ellenére még mindig messze vagyunk attól, hogy kiaknázzuk az e tekintetben a katalízisben megnyíló lehetőségeket. Ez szerénységre tanít” (S.Z. Roginsky). A növényi termékeket a következő helyen kell tárolni alacsony hőmérsékletek, mivel ez lelassítja a nem kívánt enzimatikus folyamatokat. Számos, a csávázószerben használt anyag letiltja az enzimeket és elpusztítja a nem kívánt mikroorganizmusokat. A kémiai kinetika megmagyarázza az élő sejtben zajló reakciók mechanizmusait. Mód géntechnológia– ezek a módszerek a biokémiai reakciók sebességének szabályozására. 9.4. Az oszcillációs reakciók fogalma Az oszcillációs reakciók olyan reakciók, amelyek során a köztes vegyületek koncentrációja és a reakció sebessége ingadozáson megy keresztül, amely időszakos is lehet. A Nobel-díjas Ilja Prigogine a 20. század tudományos bravúrjának nevezte az oszcillációs reakciók felfedezését. A bravúr az volt, hogy a huszadik században sikerült bebizonyítani, hogy léteznek oszcillációs reakciók, mivel korábban ezeket elutasították. Az oszcillációs reakciókról a XVII–XIX. századi archívumban találhatóak információk. Az „Oszcillációk elmélete” című könyv, A.A. Andronova, A.A. Witta és S.E. A Khaikina 1937-ben jelent meg. IGEN. Frank-Kamenetsky 1947-ben adta ki a „Diffúzió és hőátadás a kémiai kinetikában” című könyvét. Ezek a művek innovatívak voltak, de nem fogadták el, és feledésbe merültek. 1951-ben B.P. Belousov felfedezett és leírt egy vizuális oszcillációs reakciót, ötleteket javasolt annak mechanizmusának kulcsfontosságú mozzanatairól, de elutasították. 10 év elteltével az oszcillációs reakciók tanulmányozását A.M. vezette tudóscsoport folytatta. Jabotinsky. Kísérletileg és matematikailag is bebizonyosodott, hogy lehetségesek az oszcillációs reakciók. A Belousov-Zhabotinsky reakció világszerte hírnevet szerzett. Számos munkát szentelnek a Belousov-Zhabotinsky reakció kísérleti és modellvizsgálatának, mivel lehetővé teszi az összetett önszerveződési folyamatok jellemzőinek megfigyelését egy egyszerű kémiai rendszerben, és lehetővé teszi a különböző típusú szabályozásokat. A Belousov-Zhabotinsky reakció vizsgálatának eredményei erőteljes lendületet adtak az ilyen új szakaszok kidolgozásához modern tudomány, mint szinergetika, a nem egyensúlyi folyamatok termodinamikája. A szinergetika az önszerveződési folyamatokat vizsgálja nyitott, nem egyensúlyi rendszerekben. A szinergetika megtanít új módon látni a világot. A szinergetika bemutatja, hogyan működhet a káosz az evolúció mechanizmusaként, hogyan keletkezhet rend a káoszból. Lehetővé teszi, hogy a világot egységesnek tekintsd és nagyon összetett rendszer, a nemlineáris dinamika törvényei szerint fejlődik. Különféle folyamatok tanulmányozása szükséges – reverzibilis és irreverzibilis, egyensúlyi és nem egyensúlyi, determinisztikus és nem determinisztikus, amelyek különböző bonyolultságú jelenségekben játszódnak le. 90 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség 9.5. Kémiai egyensúly. Vezérlési lehetőségek kémiai folyamatok 9.5.1. A kémiai egyensúly fogalma A kémiai reakciókat két csoportra osztjuk: 1. Reverzibilis reakciók azok a reakciók, amelyek két, egymással ellentétes irányban mennek végbe: N2 + 3H2 2NH3 2. Az irreverzibilis reakciók egy irányban mennek végbe: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 Kémiai egyensúly - Ez A reagáló anyagok rendszerének állapota, amelyben az előre és a fordított reakciók sebessége egyenlő. Adott hőmérsékleten reverzibilis reakció esetén a termékarány egyensúlyi koncentrációk reakciótermékek a kiindulási anyagok sztöchiometrikus együtthatójuk erejéig emelt egyensúlyi koncentrációk szorzatára egy állandó érték, amelyet egyensúlyi állandónak (Kp) nevezünk. A tömeghatás törvényének reverzibilis reakcióra való alkalmazása lehetővé teszi a Kp egyensúlyi állandó levezetését. Az egyensúlyi állandó azt mutatja meg, hogy adott hőmérsékleten és az összes résztvevő anyag egységnyi állandó koncentrációja mellett hányszor nagyobb az előrehaladó reakció sebessége, mint a fordított reakció sebessége. A kémiai egyensúlyban kialakult anyagok koncentrációját egyensúlynak nevezzük. Ezeket a reagáló anyagok képlete szögletes zárójelben jelöli. Az aA + bB reakcióhoz V1 = K1[A]a [B]b; cC + dD V2 = K1[C]c [D]d Egyensúlyban V1 = V2. Ekkor K1[A]a [B]b = K1[C]c [D]d Kр = K1 K2 Kp = [C]C [D]d. [A]a [B]b A Kp egyensúlyi állandó a reaktánsok természetétől és a hőmérséklettől függ, de nem függ a koncentrációtól. Kr dimenzió nélküli mennyiség. 9.5.2. Le Chatelier elve 1901-ben Henri Louis Le Chatelier francia kémikus kifejlesztett és szabadalmaztatott egy módszert az ammónia nitrogénből és hidrogénből történő előállítására. A reakció körülményeit tanulmányozva felfedezte és megfogalmazta azt az elvet, amely alapján meghatározzák a kémiai egyensúly eltolódásának irányát a reagensek koncentrációjának, hőmérsékletének és nyomásának megváltoztatásakor (gázok esetén). 9.2. táblázat – Le Chatelier-elv Példa: 2CO2 + 568 kJ/mol 2CO + O2 ∆Н = – 568 kJ/mol Az egyensúlynak a termék felé történő eltolásának feltételei: 1. O2 koncentráció növekedés 2. nyomás növekedés 3. hőmérséklet csökkenés 9.5.3. A termokémia elemei A Le Chatelier-elv a termodinamika második főtételének következménye. A kémiai egyensúly hőmérséklet-változásokkal való eltolódása a kémiai reakciók energiájával függ össze. Ezeket a kérdéseket tanulmányozzuk a tanfolyamon fizikai kémia a „Kémiai folyamatok termodinamikája” részben. A hőmérsékletnek a kémiai egyensúly eltolódására gyakorolt ​​hatásának vizsgálatát a termokémia fogalmai alapján kell elvégezni - szakasz kémiai termodinamika. A termokémia a kémiai termodinamika egyik ága, amely tanulmányokat folytat hőhatások kémiai folyamatok. Az exoterm reakciók olyan reakciók, amelyek hőt bocsátanak ki. Az endoterm reakciók olyan reakciók, amelyek hő elnyelésével járnak. A reakció termokémiai egyenlete egy reakció termikus hatását meghatározó egyenlet. A reakció termikus hatása egy mól anyagonként felszabaduló vagy elnyelt hőmennyiség. A termokémiai egyenletek felírásának két formája használatos: 1. A hő jellemzi a környezet változásait a reakciófolyamat során (a Q reakció termokémiai hatása). Ebben az esetben exoterm reakció esetén a Q termikus hatást az egyenlet jobb oldalán pluszjellel (+) jelöljük, mivel hő kerül a környezetbe. 92 Copyright JSC Központi Tervező Iroda BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Endoterm reakció esetén a Q termikus hatást mínuszjellel (–) jelöljük, mivel a hő elnyelődik a környezetből: 2H2 + O2 = 2H2O + 571 kJ/mol (exo ); N2 + O2 = 2NO – 180,5 kJ/mol (endo) 2. A reakció hőhatása magában a reagensrendszerben bekövetkező változásokat tükrözi (a reakció termodinamikai hőhatása). Ebben az esetben az entalpiaváltozás ΔH fogalmát használjuk. A H entalpia az anyag energiatartaléka állandó nyomáson és hőmérsékleten. Exoterm reakcióhoz ΔH< 0, так как система теряет теплоту и запас еѐ энергии уменьшается (знак –). Для эндотермической реакции ΔН >0, mivel a rendszer hőt vesz fel és energiatartaléka megnő (+ előjel): 2H2 + O2 = 2H2O; ΔHo = – 571 kJ/mol (exo) N2 + O2 = 2NO; ΔHo = 180,5 kJ/mol (endo) A reakció termikus hatását általában standard körülmények között adják meg: normál nyomás 101,3 kPa (1 atm) és hőmérséklet 298 K (ΔHo). A reakció termokémiai hatása nagyságrendileg egyenlő, előjelben pedig ellentétes a termodinamikai hőhatással: Q = – ΔН. 9.6. A kémiai folyamatok irányításának lehetőségei Létezés reverzibilis reakciók a természetben működő ellentétek egysége és harca törvényének megnyilvánulása. Ennek a törvénynek a konkrét megnyilvánulásában való megértése nagyon fontos gyakorlati jelentősége, a kémiai folyamatok optimális szabályozására kedvező körülmények között, a termelés hatékonyságának és minőségének megvalósítása érdekében. 9.3 táblázat - A kémiai folyamatot befolyásoló kinetikai és termodinamikai tényezők Kémiai reakció A reakcióba lépő anyagok természete Termodinamikai tényezők: egyensúly eltolódása, reakció lehetősége A reakció sebességét befolyásoló kinetikai tényezők (anyag jellege, koncentráció, hőmérséklet, nyomás) Ellentmondás lehetősége 93. akció A reakció külső környezete Copyright JSC "CDB "BIBKOM" & LLC "Agency Kniga-Service" A kémiai reakciók ellenőrzése csak azon törvények megértése alapján lehetséges, amelyeknek engedelmeskednek. A kémiai kinetika és termodinamika ismeretein kell alapulnia - mind az izolált rendszerek egyensúlyi folyamatainak klasszikus termodinamikáján, mind a nyitott nem egyensúlyi rendszerek modern termodinamikáján, amelyekben önszerveződési jelenségek lehetségesek. Kérdések az önkontrollhoz 1. Mondjon példákat a nagy és alacsony sebességnél fellépő reakciókra! 2. Határozza meg az aktiválási energiát. 3. Hogyan változik a reakciósebesség 20°-ról 50°-ra melegítve, ha a Van't Hoff együttható 2? 4. Számítsa ki a Van't Hoff-együtthatót, ha a hőmérséklet 20°-ról 50°-ra változik, a reakciósebesség 27-szeresére nő. 5. Mely anyagok koncentrációja nem szerepel a reakció sebességének és egyensúlyi állandójának kifejezésében: FeO3 + 3CO 2Fe + 3CO2 6. Milyen tényezők segítik a reakció egyensúlyának eltolását a reakciótermék képződése felé: 2H2 + O2 = 2H2O + 571 kJ/mol. ∆Н = – 571 kJ/mol IRODALOM Fő 1. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 2. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 3. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. További 1. Barkovsky, E.V. Általános kémia: Előadások menete /E.V. Barkovszkij, S.V. Tkachev. – Minszk: BSMU, 2009. – 132 p. 2. Trubetskov, D.I. Bevezetés az önszerveződés elméletébe nyílt rendszerek . /DI. Trubetskov, E.S. Mchedlova, L.V. Krasicskov. – M.: Fizikai és matematikai irodalom Kiadó, 2002. – 200 p. 3. Ruzavin, G.I. Egyszerű és összetett problémák a tudományok evolúciójában. //G.I. Ruzavin. – A filozófia kérdései. – 2008. 3. sz. – p. 102. 94 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Book-Service Agency BIBLIOGRÁFIAI LISTÁJA 1. Agafoshin, N.P. Periodikus törvény és periodikus rendszer D.I. Mengyelejev. / N.P. Agafoshin - M.: Oktatás, 1973. - 208 p. 2. Barkovsky, E.V. Általános kémia: Előadások menete /E.V. Barkovszkij, S.V. Tkachev. – Minszk: BSMU, 2009. – 132 p. 3. Vlaszov, V.M. Robbanáshoz vezető hibák / V.M. Vlasov // Kémia és élet. – 2006. – No. 7. p. 60. 4. Gelfman, M.I. Szervetlen kémia / M.I. Gelfman, V.P. Jusztratov. – Szentpétervár: „Lan” kiadó, 2009. – 528 p. 5. Glinka, N.L. Általános kémia / N.L. Glinka – M.: KNORUS, 2009. – 752 p. 6. Guzey, L.S. Általános kémia / L.S. Guzey, V.N. Kuznyecov, A.S. Guzey. – M.: Moszkvai Állami Egyetemi Kiadó, 1999. – 333 p. 7. Dmitriev, S.N. A szupernehéz fémek kémiai azonosítása és tulajdonságainak vizsgálata. A periódusos rendszer evolúciója D.I. Mengyelejev / S.N. Dmitriev – A XVIII. Mengyelejev Kongresszus általános és alkalmazott kémiáról szóló jelentéseinek kivonata: 5 kötetben; v.1. – M.: Granitsa, 2007. – P. 47. 8. Egorov, V.V. Környezetkémia. /V.V. Egorov. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 192 p. 9. Klinsky, G.D. Szervetlen kémia /G.D. Klinsky, V.D. Szkopincev. – M: MCHA Kiadó, 2001. – 384 p. 10. Knyazev, D.A. Szervetlen kémia/D.A. Knyazev, S.N. Smarygin – M.: Túzok, 2004. – 592 p. 11. Lensky, A.S. Bevezetés a bioszervetlen és biofizikai kémiába / A.S. Lensky. – M.: Felsőiskola, 1989. – 256 p. 12. Mineev, V.G. A nitrátok és foszfátok védelmében / V.G. Mineev // Kémia és élet. – 2008. No. 5. – P. 20. 13. Naydysh, V.M. A modern természettudomány fogalmai. /V.M. Naydysh. – M.: Alfa-M; INFRA-M, 2004, – 622 p. 14. Szervetlen kémia (biogén és abiogén elemek): Tankönyv / szerk. V.V. Egorova. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2009. – 320 p. 15. Ruzavin, G.I. Egyszerű és összetett problémák a tudományok evolúciójában. //G.I. Ruzavin. – A filozófia kérdései. – 2008. 3. sz. – p. 102. 16. Ryazanova, G.E. Szervetlen és analitikai kémia / G.E. Rjazanova - Szaratov: Szakmai Felsőoktatási Szövetségi Állami Oktatási Intézmény "Saratov Állami Agráregyetem", 2006. - 172 p. 17. Ryazanova, G.E. Általános és szervetlen kémia. Táblázatok és diagramok / G.E. Rjazanov. – Szaratov: Szövetségi Állami Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Szaratov Állami Agráregyetem”, 2006 – 284 p. 18. Sirotkin, O.S. A kémia a helyén / O.S. Sirotkin // Kémia és élet. – 2003. - 5. sz. – P. 26. 19. Trubetskov, D.I. Bevezetés a nyílt rendszerek önszerveződésének elméletébe. / D.I. Trubetskov, E.S. Mchedlova, L.V. Krasicskov. – M.: Fizikai és matematikai irodalom Kiadó, 2002. – 200 p. 20. Ugai, Ya.A. Általános és szervetlen kémia /Ya.A. Ugai. – M.: Felsőiskola, 2004. – 528 p. 95 Szerzői jog OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Könyvszolgáltató Ügynökség TARTALOM Bevezetés................................. ...... .................................................. ........................................ 3 Előadás 1. Alapfogalmak és a kémia alaptörvényei.................................. 4 1.1. A tudományág tanulmányozásának céljai................................................ ................................................... 4 1.2. A kémia jelentősége a mezőgazdaságban................................................ .......................... 4 1.3. Kémia tantárgy................................................ ...................................................... ......... 5 1.4 . A kémia alapfogalmainak és törvényeinek dialektikája................................................ ........ 5 1.5. A kémia tanulmányozásának módszerei................................................ .............................................. 8 Kérdések az önuralomhoz ................................................................ .............................................. 11 Irodalom...... .................................................................. .................................................. 12 2. előadás. Modern tanítás az atom szerkezetéről................................................ ....... 13 2.1 . Az atom szerkezetére vonatkozó elképzelések dialektikája................................................ ........... 13 2.2. Az atom szerkezetének modern kvantummechanikai modellje.................................. 14 2.3. Elektronikus elemek képletei................................................ .............................. 17 Kérdések az önuralomhoz .............. ...................................................... ................................ 20 Irodalom................ ................................................................ ................................. 20 3. előadás Periodikus törvény és periodikus rendszer D.I. Mengyelejev................................................................ ...................................................... ........ 21 3.1 . Periodikus törvény és periodikus elemrendszer D.I. Mengyelejev – a modern kémia alapja................................................ ......... ... 21 3.2. A periódusos rendszer felépítése.................................................. .......................... 23 3.3. Algoritmus egy elemi atom általános jellemzőihez................................................ ........ 24 3.4. Az elemek és vegyületeik tulajdonságainak változásának gyakorisága.................. 27 Kérdések az önkontrollhoz................... .............................................................. ........................ ..... 30 Irodalom................ .................................................. .......................................... .. 30 4. előadás. Megnyilvánulása a szervetlen vegyületek sav-bázis tulajdonságainak periodikus törvénye................................................ ...................................................... 32 4.1. A szervetlen vegyületek főbb osztályainak genetikai kapcsolata....... 32 4.2. Oxidok, bázisok, savak és sók kémiai tulajdonságai................................... 33 4.3. A vegyszerek sav-bázis tulajdonságainak változásának gyakorisága................................................ .............................................................. ................... 39 4.4. A szakmai kompetenciával kapcsolatos kérdések................................................ ..................... .. 40 Kérdések az önuralomhoz................................ ................................................................ ................. 40 Hivatkozások......... ................................ .................................................................. .................. 41 5. előadás. Kémiai kötés......... ................ ........................................................ ............ 43 5.1. A kémiai kötés modern elképzelései................................................ ....... 43 5.2. A vegyértékkötés módszer (MVM) alapelvei W. Heitler és F. London (1927) ) ................................................... .................................... 43 5.2.1. A kovalens kötés kialakulásának mechanizmusai................................................ ....... 43 5.2.2. Kovalens kötés................................................ ................................... 44 5.2.3. A kémiai kötések típusai .................................................. .............................. 45 5.2.4. A kémiai kötések típusai .................................................. ..................................................... 46 5.2 .5. A kötés ionosságának mértéke................................................ ...................................................... 46 5.2.6. Atompályák hibridizációja.................................................. ...... ...... 48 5.2.7. Fém csatlakozás................................................ ...................................................... 50 5.2.8. Hidrogénkötés................................................ ................................... 50 5.3. A molekuláris orbitális módszer fogalma................................................ ........ ..................................................... ........ .. 52 Irodalom................................... ................................................................ ...................... 52 6. előadás. Modern megoldáselmélet................... ................................................................ .. 53 6.1. A diszperz rendszerek osztályozása.................................................. ..................................................... 53 6.2. Az oldatok összetételének kifejezési módjai................................................ .......................... 54 6.3. A talajoldat koncentrációja és ozmózisa................................................ ....... ...... 54 6.4. Elektrolit oldatok................................................ ................................................... 55 6.4.1. Vizes oldatok................................................ ...................................................... 55 6.4.2. Az elektrolitikus disszociáció elmélete.................................................. ................... .. 56 6.4.3. Az elektrolitikus disszociáció mennyiségi jellemzői................................................ .............................................................. ...................................... 57 6.4.4. Az erős elektrolitok tulajdonságai.................................................. ..................................................... 58 6.4.5. Az elektrolitok fajtái................................................ ..................................................... 59 6.4.6. Az elektrolitok disszociációja ................................................... .... ........................ 60 6.4.7. Reakciók elektrolit oldatokban................................................ .... .............. 61 6.4.8. Sók hidrolízise................................................ ..................................................... 61 6.4. 9. A víz ionos terméke. Hidrogén pH-érték................................ 62 6.4.10. A megoldások jelentése............................................ ..................................................... 64 Kérdések az önuralomhoz..... ...................................................... ................................................ 64 Irodalom..... .................................................................. .................................................. ........... 65 7. előadás Redox reakciók................................................ ............ 66 7.1. A redoxreakciók modern elmélete (ORR) ...... 66 7.1.1. A redox folyamatok jelentősége................................... 66 7.1.2. Az ODD elméletének főbb rendelkezései................................................ ........ ............. 67 7.1.3. Egy elem oxidációs állapotának kiszámítása................................................. ........ 68 7.1.4. Algoritmus komplex vegyületek redox tulajdonságainak jellemzésére................................................... ...................................................... 70 7.1.5 . A redoxreakciók típusai.................................................. ...... 70 7.2. Algoritmusok redoxreakciók egyenleteinek összeállításához................................................ ...................................................... .............................................. 71 7.2.1. Algoritmus az OVR-egyenlet elektronikus mérleg módszerrel történő összeállításához................................................ .............................................................. ................... 71 7.2.2. Az ORR-egyenlet felállítása elektron-ion módszerrel (félreakciós módszer) ................................. ................................................................ ........................... 71 7.3. Biogén elemek vegyületeinek redox tulajdonságai................................................ ...................................................... .............................................. 73 7.4. Redox potenciálok. Az ODD iránya........................ 74 Kérdések az önkontrollhoz................ .............................................................. .......................... ...... 75 Irodalom................ ................................................................ .............................................................. 75 8. előadás. Összetett vegyületek. .................................................. ...................................... 76 8.1. A komplex vegyületek (CC-k) rövid története ................................................ ........ 76 8.2. Werner koordinációs elmélete és a modern elképzelések................................ 77 8.2.1. Komplex vegyületek molekuláinak összetétele................................................ ........ 78 8.2.2. A komplex vegyületek nómenklatúrája .................................................. ..................... 79 8.3. Kémiai kötés összetett vegyületekben................................................ ....... .. 80 8.4. Komplex vegyületek elektrolitikus disszociációja................................................ 81 Kérdések az önkontrollhoz... ................................................... ...................................... 84 Hivatkozások................ .............................................................. .......................................................... 84 97 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Előadás 9. Kémiai kinetika. Kémiai egyensúly................................................ ... 85 9.1. A kémiai kinetika fogalma................................................ .......................................... 85 9.2. A kémiai reakció sebessége .................................................. .............................................................. ...... 85 9.3. A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők................................................ ........ 86 9.3.1. A koncentráció hatása a reakció sebességére................................................... ........ 87 9.3. A hőmérséklet hatása a reakciósebességre................................................... ......... 88 9.3.3. A katalizátorok hatása a kémiai reakciók sebességére.................................................. 89 9.4. Az oszcillációs reakciók fogalma................................................ .................................. 90 9.5. Kémiai egyensúly. A kémiai folyamatok szabályozásának lehetőségei................................................ ...................................................... .............................................................. ...... 91 9.5.1. A kémiai egyensúly fogalma................................................ .............................. 91 9.5.2. Le Chatelier elve................................................ ...................................................... 91 9.5.3. A termokémia elemei................................................ .... ........................... 92 9.6. A kémiai folyamatok szabályozásának lehetőségei................................................ ....... 93 Kérdések az önuralomhoz..................................... ...................................................... ....... 94 Hivatkozások................................................ .................................................. ...................................... 94 Bibliográfia................................ ............................................................ .............................. 95 Tartalom............ .............................................................. .......................................................... ........ 96 98

Az elmúlt évtizedben szinte minden vezető oroszországi egyetem átállt a kémia írásbeli felvételi vizsgáinak rendszerére. Kiderült, hogy az iskolások és a jelentkezők többsége teljesen képtelen megoldani a problémákat. Ezért úgy tűnik, mi voltunk az elsők Oroszországban, akik arra a következtetésre jutottunk, hogy egy jó kémiatankönyvnek középiskolásoknak és egyetemistáknak az elméleti részeken kívül tartalmaznia kell nagy készlet problémákat, és ismertesse a megoldásuk alapvető technikáit.
N. E. Kuzmenko és V. V. Eremin kiadott egy könyvet, amely a kémia eddigi legteljesebb problémakönyve iskolásoknak és jelentkezőknek. A feladatokat minden fő rovatban összeállítjuk iskolai tananyag, valamint által a legfontosabb szempontokat kémia programok a vezető orosz egyetemekre jelentkezők számára. Minden feladathoz van válasz vagy megoldási utasítás, és 300 szabvány- vagy vizsgafeladatra adunk részletes megoldást.
Nem azt a feladatot tűztük ki magunk elé, hogy itt mutassuk be az elmúlt évtizedben megjelent tankönyvek elemzésének eredményeit. Maradjunk annyiban, hogy a fentieket figyelembe véve arra a meggyőződésre jutottunk, hogy létre kell hozni oktatási segédlet, amely az alapvető kémiai jelenségek, fogalmak, törvények és elméletek rövid magyarázatait tartalmazza. Innen a könyv címe: „Rövid kurzus a kémiából”.
Az anyag ilyen bemutatása lehetővé tette a szerzők számára, hogy az egyes kémiai vegyületek mérlegelésekor gyakran egyszerűen jelezzék, melyik anyagosztályba tartoznak, így a legtöbb tulajdonság világossá válik. Ez egyúttal lehetővé teszi, hogy az egyéniséget hangsúlyozó reakciókra kiemelt figyelmet fordítsunk. ennek az anyagnak, nagy gyakorlati jelentőségű reakciókra. Ebben az esetben a figyelem általában a folyamatok kémiájára összpontosul, nem pedig a technológiára.
Azt is megjegyezzük, hogy a kézikönyv második ("Szervetlen kémia") és harmadik ("Szerves kémia") részében szereplő anyagok bemutatásakor általában már nem vezetnek be új elméleti fogalmakat, hanem az újak bemutatására helyezik a hangsúlyt. kémiai tények az első részben megfogalmazott elméleti fogalmakon alapuló kötelező magyarázatukkal. Fontos megjegyezni, hogy a kézikönyv részletes tárgymutatót tartalmaz, amely megkönnyíti a könyvvel való munkát.
A könyvet a Moszkvai Kémiai Kar munkatársai készítették állami egyetemőket. M. V. Lomonoszov (N. E. Kuzmenko professzor és V. V. Eremin docens) és a Moszkvai Orvosi Akadémia névadója. I. M. Sechenova (professzor, az Orosz Oktatási Akadémia akadémikusa V. A. Popkov). Ch. 2 - 4, 9, 11 - 16, 18 - 20 és 22 - 28 írta: N. E. Kuzmenko, ch. 1, 21, 32 - 36 - V. V. Eremin, ch. 10, 29 - 31 - V. A. Popkov; Ch. 5 - 8 és 17 N. E. Kuzmenko és V. A. Popkov közösen írta.

Előszó
I. RÉSZ ELMÉLETI KÉMIA
FEJEZET 1. A kémia alapfogalmai és törvényei
§ 1.1. Kémia tantárgy
§ 1.2. Atom-molekuláris elmélet
§ 1.3. A tömeg és az energia megmaradásának törvénye
§ 1.4. Periodikus törvény
§ 1.5. A kémia alapfogalmai
§ 1.6. Sztöchiometrikus arányok a kémiában
§ 1.7. Gáztörvények
2. FEJEZET Az atom szerkezete
§ 2.1. Elképzelések kidolgozása az atom összetett szerkezetéről
§ 2.2. Elektronkvantumszámok
§ 2.3. Elektronok eloszlása ​​az atomokban
§ 2.4. Radioaktív átalakulások
§ 2.5. Az elemek atomjai tulajdonságainak periodikussága
3. FEJEZET Kémiai kötések és molekulaszerkezet
§ 3.1. A kémiai kötés természete
§ 3.2. Kovalens kötés
§ 3.3. Ionos kötés
§ 3.4. Fém csatlakozás
§ 3.5. Intermolekuláris kémiai kötések
§ 3.6. Vérérték és oxidációs állapot
§ 3.7. Molekulák térszerkezete
4. FEJEZET Az anyag halmazállapotai
§ 4.1. Gázok, folyadékok jellemző tulajdonságai ill szilárd anyagok
§ 4.2. Anyagok fázisdiagramjai
§ 4.3. Gázok
§ 4.4. Folyadékok
§ 4.5. Kristályos anyagok
§ 4.6. Az anyagok létezésének különféle formái
5. FEJEZET A kémiai reakciók energetikai hatásai
§ 5.1. Energia felszabadulása és elnyelése kémiai reakciókban
§ 5.2. Exoterm és endoterm reakciók. Hess termokémiai törvénye
6. FEJEZET A kémiai reakciók kinetikája
§ 6.1. A kémiai kinetika alapfogalmai és posztulátumai
§ 6.2. A hőmérséklet hatása a reakciósebességre
§ 6.3. Katalízis
7. FEJEZET Kémiai egyensúly
§ 7.1. Az egyensúlyi állapot meghatározása
§ 7.2. Kémiai egyensúlyi állandó
§ 7.3. Keverési kémiai egyensúly. Le Chatalier elve
§ 7.4. Körülbelül optimális feltételeket anyagok ipari méretű beszerzése
FEJEZET 8. Megoldások
§ 8.1. Az oldódás mint fizikai és kémiai folyamat
§ 8.2. Az anyagok oldhatóságát befolyásoló tényezők
§ 8.3. Az oldatok koncentrációjának kifejezési módszerei
FEJEZET 9. Elektrolitikus disszociáció és ionreakciók megoldásokban
§ 9.1. Elektrolitok és elektrolitikus disszociáció
§ 9.2. A disszociáció mértéke. Erős és gyenge elektrolitok. Disszociációs állandó
§ 9.3. Ionos reakcióegyenletek
§ 9.4. Sók hidrolízise
10. FEJEZET A kémiai reakciók alaptípusai
§ 10.1. A reakciók szimbolikája és osztályozási jellemzői
§ 10.2. Osztályozás a reagensek és reakciótermékek száma és összetétele szerint
§ 10.3. A reakciók osztályozása fázisjellemzők szerint
§ 10.4. A reakciók osztályozása az átvitt részecskék típusa szerint
§ 10.5. Reverzibilis és irreverzibilis kémiai reakciók
11. FEJEZET Redox folyamatok
§ 11.1. Redox reakciók
§ 11.2. Sztöchiometrikus együtthatók kiválasztása OVR-ben
§ 11.3. Standard potenciálok OVR
§ 11.4. Oldatok és elektrolitok olvadékainak elektrolízise
RÉSZ II. SZERVETLEN kémia
12. FEJEZET A szervetlen vegyületek általános jellemzői, osztályozásuk és nómenklatúra
§ 12.1. Oxidok
§ 12.2. Bázisok (fém-hidroxidok)
§ 12.3. Savak
§ 12.4. Sók
13. FEJEZET Hidrogén
§ 13.1. Atomszerkezet és helyzet D. I. Mengyelejev periódusos rendszerében
§ 13.2. A hidrogén kémiai tulajdonságai
§ 13.3. A hidrogén előállítása és felhasználása
§ 13.4. Hidrogén-oxidok
14. FEJEZET Halogének
§ 14.1. Fizikai tulajdonságok halogének
§ 14.2. A halogének kémiai tulajdonságai és előállítása
§ 14.3. Hidrogén-halogenidek, hidrogén-halogenidek és sóik
§ 14.4. Oxigéntartalmú halogénvegyületek
15. FEJEZET Kalkogének
§ 15.1. Általános jellemzők
§ 15.2. Egyszerű anyagok
§ 15.3. Kénvegyületek
16. FEJEZET Nitrogén alcsoport
§ 16.1. Általános jellemzők
§ 16.2. Egyszerű anyagok tulajdonságai
§ 16.3. Ammónia. Foszfin. Foszfor-halogenidek
§ 16.4. Nitrogén-oxidok. Salétromsav és salétromsav
§ 16.5. Foszfor-oxidok és savak
17. FEJEZET. A szén alcsoportja
§ 17.1. Általános jellemzők
§ 17.2. Szén
§ 17.3. Szén-oxidok
§ 17.4. Szénsav és sói
§ 17.5. Szilícium
§ 17.6. +4 oxidációs állapotú szilíciumvegyületek
§ 17.7. Oxidációs állapotú szilíciumvegyületek -4
18. FEJEZET Az 5-fémek és vegyületeik tulajdonságai
§ 18.1. Általános jellemzők
§ 18.2. A fémek kémiai tulajdonságai
§ 18.3. 5-fém vegyületek
19. FEJEZET Alumínium és bór
§ 19.1. Általános jellemzők
§ 19.2. Egyszerű anyagok tulajdonságai és előállítása
§ 19.3. Bór és alumínium vegyületek
20. FEJEZET Főbb átmeneti fémek
§ 20.1. Általános jellemzők
§ 20.2. Króm és vegyületei
§ 20.3. Mangán és vegyületei
§ 20.4. Vas triád
§ 20.5. Vas- és acélgyártás
§ 20.6. Réz és vegyületei
§ 20.7. A cink és vegyületei
§ 20.8. Az ezüst és vegyületei
21. FEJEZET Nemesgázok
§ 21.1. Általános jellemzők
21/2. Nemesgázok kémiai vegyületei
§ 21.3. Nemesgázok alkalmazása
RÉSZ III. SZERVES kémia
22. FEJEZET A szabályosság alapfogalmai a szerves kémiában
§ 22.1. Szerves kémia tantárgy
§ 22.2. A szerves vegyületek osztályozása
§ 22.3. A szerves vegyületek nómenklatúrája
§ 22.4. Szerves vegyületek izomerizmusa
§ 22.5. Szerves vegyületek elektronikus hatásai és reakciókészsége
§ 22.6. Általános jellemzők
23. FEJEZET Telített szénhidrogének
§ 23.1. Alkánok
§ 23.2. Cikloalkánok
24. FEJEZET Alkének és alkadiének
§ 24.1. Alkének
§ 24.2. Dién szénhidrogének
25. FEJEZET Alkinek
§ 25.1. Általános jellemzők
§ 25.2. Előkészítés és kémiai tulajdonságok
26. FEJEZET Arénák
§ 26.1. Általános jellemzők
§ 26.2. Előkészítés és kémiai tulajdonságok
§ 26.3. Az első és második típusú tájékozódók (helyettesek).
27. FEJEZET Alkoholok és fenolok
§ 27.1. Általános jellemzők
§ 27.2. Egyértékű alkoholok
§ 27.3. Többértékű alkoholok
§ 27.4. Fenolok
28. FEJEZET Aldehidek és ketonok
§ 28.1. Általános jellemzők
§ 28.2. Megszerzési módszerek
§ 28.3. Kémiai tulajdonságok
29. FEJEZET Karbonsavak
§ 29.1. Osztályozás, nómenklatúra és izoméria
§ 29.2. Egybázisú telített karbonsavak
§ 29.3. Egybázisú telítetlen karbonsavak
§ 29.4. Aromás karbonsavak
§ 29.5. Kétbázisú karbonsavak
30. FEJEZET Funkcionális deriváltak karbonsavak
§ 30.1. A funkcionális származékok osztályozása
§ 30.2. Karbonsavanhidridek
§ 30.3. Karbonsav-halogenidek
§ 30.4. Karbonsavak amidjai
§ 30.5. Esters
§ 30.6. Zsírok
31. ÁRUCSOPORT Szénhidrátok (cukrok)
§ 31.1. Monoszacharidok
§ 31.2. A monoszacharidok egyéni képviselői
§ 31.3. Oligoszacharidok
§ 31.4. Poliszacharidok
32. FEJEZET Aminok
§ 32.1. Telített alifás aminok
§ 32.2. Anilin.
33. FEJEZET Aminosavak. Peptidek. Mókusok
§ 33.1. Aminosavak
§ 33.2. Peptidek
§ 33.3. Mókusok
FEJEZET 34. Nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületek
§ 34.1. Hattagú heterociklusok
§ 34.2. Öttagú gyűrűvel rendelkező vegyületek
35. FEJEZET Nukleinsavak
§ 35.1. Nukleotidok és nukleozidok
§ 35.2. A nukleinsavak szerkezete
§ 35.3. A nukleinsavak biológiai szerepe
36. ÁRUCSOPORT. Szintetikus nagy molekulatömegű vegyületek (polimerek)
§ 36.1. Általános jellemzők
§ 36.2. Műanyagok
§ 36.3. Rostok
§ 36.4. Gumi

Kémia- az anyagok tudománya, átalakulásuk törvényei (fizikai és kémiai tulajdonságok) és alkalmazása.

Jelenleg több mint 100 ezer szervetlen és több mint 4 millió szerves vegyület ismert.

Kémiai jelenségek: egyes anyagok olyanokká alakulnak át, amelyek összetételükben és tulajdonságaikban különböznek az eredetitől, miközben az atommagok összetétele nem változik.

Fizikai jelenségek: az atommagok összetételének megváltozásával az anyagok fizikai állapota megváltozik (párolgás, olvadás, elektromos vezetőképesség, hő- és fénysugárzás, alakíthatóság stb.) vagy új anyagok keletkeznek.

Atom-molekuláris tudomány.

1. Minden anyag molekulákból áll.

Molekula - az anyag legkisebb részecskéje, amelynek kémiai tulajdonságai vannak.

2. A molekulák atomokból állnak.

Atom - a kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi minden kémiai tulajdonságát. A különböző elemek különböző atomoknak felelnek meg.

3. A molekulák és az atomok folyamatos mozgásban vannak; vonzó és taszító erők vannak köztük.

Kémiai elem egy olyan atomtípus, amelyet bizonyos magtöltések és az elektronhéjak szerkezete jellemez. Jelenleg 118 elem ismert: ebből 89 megtalálható a természetben (a Földön), a többit mesterségesen nyerik. Az atomok szabad állapotban léteznek, azonos vagy más elemek atomjaival rendelkező vegyületekben, molekulákat képezve. Az atomok azon képessége, hogy más atomokkal kölcsönhatásba léphessenek és kialakuljanak kémiai vegyületek szerkezete határozza meg. Az atomok egy pozitív töltésű magból és a körülötte mozgó negatív töltésű elektronokból állnak, elektromosan semleges rendszert alkotva, amely megfelel a mikrorendszerekre jellemző törvényeknek.

Atommag - az atom központi része, amelyből áll Zprotonok és N neutronok, amelyekben az atomok nagy része koncentrálódik.

Alaptöltés - pozitív, értéke megegyezik az atommagban lévő protonok vagy a semleges atom elektronjainak számával, és egybeesik az elem rendszámával a periódusos rendszerben.

Az atommag protonjainak és neutronjainak összegét tömegszámnak nevezzük A = Z+N.

Izotópok - kémiai elemekkel egyenlő díjak atommagok, de az atommagban lévő neutronok eltérő száma miatt eltérő tömegszámmal.

Kémiai képlet - Ezt feltételes jelölés az anyag összetétele vegyi szimbólumok (1814-ben javasolta J. Berzelius) és indexek (az index a szimbólum jobb alsó sarkában található szám. A molekulában lévő atomok számát jelöli) felhasználásával. A kémiai képlet megmutatja, hogy mely elemek mely atomjai és milyen arányban kapcsolódnak egymáshoz egy molekulában.

Allotrópia - az a jelenség, amikor egy kémiai elem több, szerkezetében és tulajdonságaiban eltérő egyszerű anyag képződését okozza. Egyszerű anyagok - molekulák, ugyanazon elem atomjaiból állnak.

Chamis anyagok - a molekulák különféle kémiai elemek atomjaiból állnak.

Atomtömeg állandó egyenlő a 12-es izotóp tömegének 1/12-ével C - a természetes szén fő izotópja.

m u = 1/12 m (12 C ) =1 a.u.m = 1,66057 10-24 g

Relatív atomtömeg (A r) - dimenzió nélküli mennyiség megegyezik az aránnyal átlagos súlya egy elem atomja (figyelembe véve az izotópok százalékos arányát a természetben) az atom tömegének 1/12-ére 12 C.

Átlagos abszolút atomtömeg (m) egyenlő a relatív atomtömeg és az amu szorzatával.

Ar(Mg)=24,312

m(Mg) = 24,312 1,66057 10 -24 = 4,037 10 -23 g

Relatív molekulatömeg (M r) - dimenzió nélküli mennyiség, amely megmutatja, hogy egy adott anyag molekulájának tömege hányszor nagyobb, mint egy szénatom tömegének 1/12-e 12 C.

M g = m g / (1/12 m a (12 C))

m r - egy adott anyag molekulájának tömege;

m a (12 C) - szénatom tömege 12 C.

M g = S A g (e). Egy anyag relatív molekulatömege megegyezik a relatív molekulatömege összegével atomtömegek minden elem figyelembe véve az indexeket.

Példák.

M g (B 2 O 3) = 2 A r (B) + 3 A r (O) = 2 11 + 3 16 = 70

M g (KAl(SO 4) 2) = 1 A r (K) + 1 A r (Al) + 1 2 A r (S) + 2 4 A r (O) =
= 1 39 + 1 27 + 1 2 32 + 2 4 16 = 258

Abszolút molekulatömeg egyenlő a relatív molekulatömeg és az amu szorzatával. A közönséges anyagmintákban az atomok és molekulák száma nagyon nagy, ezért az anyag mennyiségének jellemzésére használják speciális egység mérések - mol.

Anyagmennyiség, mol . Eszközök bizonyos szám szerkezeti elemek (molekulák, atomok, ionok). Kijelölven , mólokban mérve. A mól egy anyag azon mennyisége, amely annyi részecskét tartalmaz, ahány atom van 12 g szénben.

Avogadro száma (N A ). Bármely anyag 1 móljában lévő részecskék száma azonos és 6,02 10 23. (Avogadro állandó mérete - mol -1).

Példa.

Hány molekula van 6,4 g kénben?

A kén molekulatömege 32 g/mol. Meghatározzuk a g/mol anyag mennyiségét 6,4 g kénben:

n (s) = m(s)/M(s). ) = 6,4 g/32 g/mol = 0,2 mol

Határozzuk meg a szerkezeti egységek (molekulák) számát a konstans segítségével! Avogadro N A

N(s) = n (s)N A = 0,2 6,02 10 23 = 1,2 10 23

Moláris tömeg mutatja 1 mól anyag tömegét (jelöljükM).

M = m / n

Egy anyag moláris tömege megegyezik az anyag tömegének a megfelelő anyagmennyiséghez viszonyított arányával.

Egy anyag moláris tömege számszerűen megegyezik relatív molekulatömegével, azonban az első mennyiség g/mol méretű, a második pedig dimenzió nélküli.

M = N A m (1 molekula) = N A M g 1 amu = (N A 1 amu) M g = M g

Ez azt jelenti, hogy ha egy bizonyos molekula tömege például 80 amu. ( SO 3 ), akkor egy mol molekula tömege 80 g Avogadro-állandó egy arányossági együttható, amely biztosítja az átmenetet a molekuláris kapcsolatokból a molárisakba. A molekulákra vonatkozó minden állítás érvényes marad a mólokra (szükség esetén az amu-t g-vel helyettesítjük. Például a reakcióegyenlet: 2 Na + Cl 2 2 NaCl , azt jelenti, hogy két nátriumatom reagál egy klórmolekulával, vagy ami ugyanaz, két mol nátrium reagál egy mol klórral.