Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Сентября 2013 в 23:16, курс лекций
Основными классами неорганических соединений являются оксиды, кислоты, соли и основания.
Оксиды представляют собой соединения элементов с кислородом. Оксиды подразделяют на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие оксиды делят на основные (образуют соли с кислотами), кислотные (образуют соли с основаниями) и амфотерные (образуют соли как с кислотами, так и с основаниями). Основным оксидам отвечают основания, кислотным – кислоты, а амфотерным – гидраты, которые проявляют как кислотные, так и амфотерные свойства. Кислотные оксиды представляют собой ангидриды кислот (SO2 – серный ангидрид, N2O5 – азотный ангидрид).
Основные классы химических соединений, номенклатура.
3
Основные законы общей химии. Стехиометрия. Химический эквивалент.
5
Газовые законы. Основные газовые процессы.
7
Строение атома.
9
Строение атома (заключение). Химическая связь. Основные типы химической связи.
12
Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
16
Основы термодинамики. I,II и III начало термодинамики.
18
Основы термодинамических расчетов.
21
Химическая кинетика и химическое равновесие.
23
Теория электролитической диссоциации. Электролиты.
26
Водородный показатель кислотности и щелочности водных растворов. Растворимость.
28
Гидролиз солей.
32
Окислительно-восстановительные реакции.
34
Растворы. Способы выражения их концентрации.
37
Классификация растворов. Коллигативные свойства растворов.
40
Основы химии промышленных взрывчатых веществ.
42
Расчеты кислородных балансов ВВ и тепловых эффектов реакций взрыва.
45
Сродством к электрону (Е) – называют энергию, которая выделяется при присоединении дополнительного электрона к атому, иону или молекуле. Максимальным сродством к электрону обладают атомы галогенов. Сродство к электрону зависит не только от заряда атома, но и степени заполнения атомных орбиталей валентных уровней.
Электроотрицательность (ЭО) представляет собой обобщенную характеристику элемента, связанную не с электронами на отдельных орбиталях, а с внешними электронами вообще, определяемую как сумма энергии ионизации и сродства к электрону. Под электроотрицательностью понимают относительную характеристику способности атома, притягивать электронную пару. Относительная электроотрицательность в периоде возрастает и уменьшается в подгруппе с ростом заряда ядра. Относительную ЭО по Полингу определяют как отношение ЭО элемента к ЭО атома лития.
Окислительная способность элемента
меняется так же как и электроотрицательность,
а восстановительная –
Плотность простых веществ в периоде обычно проходит через максимум, лежащий примерно по середине периода и закономерно возрастает в подгруппе с ростом заряда ядра.
Основные свойства высших оксидов
и гидроксидов элементов в
периоде закономерно
Кислотные свойства этих соединений изменяются в обратном направлении. Неметаллические свойства в периоде, как правило усиливаются слева направо, а в подгруппе – ослабевают сверху вниз, металлические – наоборот. Граница между металлами и неметаллами в таблице проходит по диагонали B-At таким образом, что все неметаллы находятся в верхней правой части таблицы (исключение составляют d- элементы).
Лекция №7,8: Основы термодинамики. I,II и III начало термодинамики. Основы термодинамических расчетов
(ЧАСТЬ 1).
Термодинамика - наука, изучающая закономерности процессов, сопровождающихся взаимным превращением различных видов энергии (например, взаимные превращения тепла и работы). Объектом исследования в термодинамике являются только макроскопические системы. Термодинамический метод широко используется при исследовании самых разнообразных систем, в том числе геологических, металлургических, обогатительных и других. Этот метод позволяет определить количественные соотношения при превращении различных видов энергии, установить возможность протекания данного процесса и его глубину, т.е. равновесное состояние, до которого он может протекать в данных условиях.
I закон термодинамики
Термодинамику формируют три основных закона (или Начала). Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: «Невозможно создать вечный двигатель первого рода (perpetuum mobile), т.е. такой, который производил бы работу без каких-либо затрат энергии». В раскрытии этого закона важную роль сыграли работы Гесса, Майера, Джоуля, Гельмгольца и др. Из этого закона следует принцип эквивалентности между теплотой и работой. Математическая запись данного закона выражается следующими уравнениями:
Q=DU+W
dQ=dU+dW
Теплота, полученная системой (dQ; Q), расходуется на работу (dW; W), совершаемую системой и увеличение ее внутренней энергии (dU; DU). Из этих трех энергетических величин только внутренняя энергия является функцией состояния системы и поэтому однозначно определяется параметрами системы (т.е. она является полным дифференциалом).
Теплота и работа представляют собой формы передачи энергии и поэтому являются функциями процессов. Они не являются полными дифференциалами.
Работа делится на совершаемую против внешних сил, т.е. работу расширения
dWрас=PdV; Wрас=òPdV; W=-òVdP
и работу, не связанную с изменением объема, условно называемую ’’полезной’’ dW/,
W/= ådW/
Последняя может совершаться только при изменении состава системы.
Теплота зависит от теплоемкости системы (с) и температуры
Следует учитывать, что сама теплоемкость тоже зависит от температуры. Эта зависимость выражается уравнением (для случая, когда Т>Т0=298К):
с(T)=a+bT+cT2+ c/T-2
Где: а, в, с, с/ - коэффициенты, зависящие от природы и агрегатного состояния вещества, определены экспериментально и приведены в справочниках физико-химических величин. При использовании различных справочников результаты расчетов могут несколько отличаться.
В случае приближенных расчетов обычно достаточно использование выражения:
с(Т)=а+bТ
Для газообразных веществ различают теплоемкости при постоянном объеме (сv) и постоянном давлении (ср). Связь между этими величинами определяет уравнение Майера:
сp-сv=R Если ср,сv – мольные, то R=const=8,31Дж/моль×К
сp-сv=R Если ср,сv – массовые, то R=Rуд¹const
Например, для воздуха значение этой величины при н.у. равно ~280 Дж/кг×К
Для идеальных газов теплоемкости постоянны и без учета энергии колебательного движения молекул (что справедливо при сравнительно невысоких температурах) равны:
сV=R×5/2;
сV=3×R.
Используя соотношение между теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме, выражают следующую величину показателя адиабаты:
g=сP/сV
значение которого для идеального газа зависит только от числа атомов в молекуле газа. Для теплоемкостей можно использовать и такие выражения как:
сP=gR/(g-1)
сv=R/(g-1)
для одноатомных газов g=5/3=1,67
для двухатомных газов g=7/5=1,40
для трехатомных газов g=9/7=1,30
Для жидких и твердых
веществ теплоемкости ср и сV близки по величине:
ср @сV
Для систем, не совершающих полезной работы (W/=0), первый закон термодинамики принимает вид:
dQ=dU+PdV
при V=const dQv=dU, Qv=DU
при V=const dQP=dU+PdV=d(U+PV)
Величина Н=U+PV называется энтальпией (или теплосодержанием системы). Энтальпия, подобно внутренней энергии, является функцией состояния системы и определяется ее параметрами:
dQp=dH, QP=DH.
Закон Гесса. Тепловые эффекты химических реакций
Тепловым эффектом называется количество выделенной или поглощенной теплоты при следующих условиях: система совершает только работу расширения, объем или давление остаются постоянными, температуры исходных и конечных веществ одинаковы, реакция протекает практически до конца.
Для расчета тепловых эффектов различных процессов, (в том числе и состоящих из нескольких этапов) в термодинамике применяют закона Гесса (установлен экспериментально Г.И. Гессом), который формулируется следующим образом: «Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса, а определяется лишь состоянием исходных и конечных веществ, в ней участвующих». Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм произведений энтальпий образования конечных и исходных веществ на стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.
DrH0298=ånкон(DfH0298)кон-ånна
Для различных веществ при нормальных условиях (Р0=101,3 кПа; Т0=298К) энтальпии образования обозначаются как DfН0298, кДж/моль и приводятся справочниках физико-химических величин.
Для реальных систем закон Гесса используют при вычислении общего количества теплоты, необходимого для нагревания (или выделяющегося при охлаждении) любой системы от Т1 до Т2 при Р=соnst, где Т1 ³Т0:
Qp=nòсp(T)dT
Qp=DH=n[a(T-T0)+b/2(T2-T20)+c/
Закон Кирхгофа. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры
Тепловой эффект процесса зависит от температуры. Эта зависимость определяется законом Кирхгофа, который формулируется следующим образом: «Частная производная от теплового эффекта по температуре равна разности теплоемкости системы в конечном и исходном состояниях». Для процессов, протекающих при постоянном давлении, этот закон выражается уравнением:
dQp/dT=d(DrH)/dT=å(nCp)кон-å(
Закон Кирхгофа справедлив
для любых процессов при условии, что W/=0, т.е. W=Wрасш.
Для приближенных расчетов: Qp=DrH0298+Dra(T-298)-(T2-2982
ЧАСТЬ 2.
II закон термодинамики. Теорема Карно-Клаузиуса
Задачей второго закона термодинамики является определение условий, в которых возможно протекание самопроизвольных процессов, и условий, при которых наступает равновесие.
Коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины, работающей по квазистатическому циклу Карно, не зависит от природы рабочего тела, а определяется только интервалом температур, в котором совершается работа. Справедливость этой посылки в термодинамике доказывает теорема Карно-Клаузиуса, являющаяся одной из формулировок II закона термодинамики:
, где: Q1 – теплота, сообщенная рабочему телу при температуре Т1 от источника тепла; Q1 – теплота, отданная телом при температуре Т2 холодильнику.
Основной формулировкой
В 1865 г. Клаузиус ввел новую функцию состояния S – энтропию, являющуюся мерой хаоса, неупорядоченности системы, которая принята в качестве меры вероятности: (математическая запись второго начала).
Второе начало имеет статистическую интерпретацию: S=k*ln(w) (формула Больцмана), где: k= – константа Больцмана, w – термодинамическая вероятность (или статистический вес) макросостояния.
Величина, равная dQ/T, называется приведенным теплом и является рассеянной теплотой, следовательно и энтропия характеризует рассеянность теплоты; размерность ее соответствует [Дж/моль×К]. В изолированной системе (Q=0) приращение энтропии при равновесии равно приведенному теплу, а в самопроизвольных процессах больше приведенной теплоты. Энтропия является функцией состояния системы и однозначно определяется ее параметрами.
III закон термодинамики. Теорема Нернста. Постулат Планка
Важное значение в раскрытии этого закона принадлежит работам Нернста и Ричардса. В частности, Нернст в 1906г. в своей классической работе «О вычислении химического равновесия из термических данных» высказал гипотезу, суть которой эквивалентна следующему утверждению:
при Т®0 S=0 и dS=0. Важнейшим следствием этой гипотезы является то, что энтропия правильно сформированного (бездефектного) идеального кристалла при 0К равна 0. Этот постулат впервые сформулировал Планк в 1912г. По сути, это и есть формулировка третьего начала (закона) термодинамики: limT®0S=0; ST=òс(T)dT/T.
На основе этого закона разработаны современные методы вычислений изменения стандартной энергии Гиббса, а также констант равновесия при различных температурах.
Определение термодинамической
вероятности осуществления
Для определения термодинамической вероятности осуществления процесса используют понятие изобарно-изотермического потенциала или энергии Гиббса G=U+PV-TS=H-TS. Энергия Гиббса является функцией состояния системы и имеет размерность энергии (кДж). При постоянном давлении и температуре энергия Гиббса может служить признаком самопроизвольного процесса или наличия равновесия. Самопроизвольно происходят только процессы, ведущие к ее уменьшению, при равновесии она постоянна и минимальна по величине. Изменение энергии Гиббса определяют как: DG=DH-
-D(TS), DHх.р.=ånкон(DfH0298)кон-ånнач
Если значение DG>0, то процесс термодинамически мало вероятен, причем, чем более положительно значение DG, тем менее вероятен этот процесс.
Если значение DG=0, то система находится в равновесии.
Если DG<0, то процесс термодинамически вероятен, причем, чем более отрицательно значение DG, тем более вероятен этот процесс.
Энергия Гельмгольца
Величина F=U-TS является функцией состояния системы и носит название изохорно-изотермического потенциала или энергии Гельмгольца (размерность энергии (Дж)). При Т,Р=const энергия Гельмгольца может служить признаком наличия равновесия или самопроизвольности процессов. При равновесии она постоянна и минимальна по величине. Самопроизвольно могут протекать только процессы, которые приводят к ее убыли.