Раздел 1. Основы строения вещества

ХИМИЯ

Рабочая программа дисциплины, задания для контрольной работы

и методические указания к ним для

студентов заочной формы обучения

специальности 060800 - "Экономика и управление на предприятиях"

(в машиностроении)

 

Брянск 2006

УДК 541.8.

 

Химия: Методические указания, программа и контрольные задания для студентов-заочников специальности 060800 "Экономика и управление на предприятиях" (в машиностроении). - Брянск: БГТУ, 2006, - 50 с.

 

 

Разработал В.А.Татаринов,

канд.хим.наук, доц.

 

Рекомендовано кафедрой "Безопасность жизнедеятельности" БГТУ (протокол № 4 от 29 декабря 1998 г.)

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

Методические указания помогут студентам-заочникам самостоятельно изучить курс химии.

Работа состоит из общих методических указаний, программы дисцип­лины "Химия" и таблицы контрольных заданий,

В общих методических указаниях рассматриваются методы изучения курса химии и формы контроля усвоения знаний студентами.

Программа дисциплины "Химия" предлагает студентам основные разделы химии, которые они должны изучить самостоятельно. В конце программы даются ориентировочный перечень лабораторных работ, выпол­няемых в университете, и список рекомендуемой литературы для прора­ботки указанных в программе разделов химии.

В помощь студентам при изучении более сложных разделов химии перед контрольными заданиями даются теоретические сведения об изу­чаемом материале, примеры с решениями и таблицы с необходимыми для расчетов химическими, термохимическими и электрохимическими величи­нами.

 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Химия является не только общетехнической, но и общеобразователь­ной дисциплиной. Поэтому инженер любой специальности должен обладать достаточными знаниями в области химии.

Основной вид учебных занятий студентов-заочников - самостоятель­ная работа над учебным материалом. По курсу химии она слагается из следующих элементов: изучение материала по учебникам и учебным посо­биям, выполнение контрольных заданий, выполнение лабораторного прак­тикума, индивидуальные консультации (очные и письменные), посещение лекций, сдача зачета по лабораторному практикуму, сдача экзамена по всему курсу.

Работа с книгой. Изучать курс рекомендуется по темам, предвари­тельно ознакомившись с содержанием каждой из них по программе. (Рас­положение материала курса в программе не всегда совпадает с расположе­нием его в учебнике). Изучая курс, пользуйтесь предметным указателем в конце книги. При первом чтении не задерживайтесь на математических выводах, составлении уравнений реакций; старайтесь получить общее представление об излагаемых вопросах, а также отмечайте трудные или неясные места. Внимательно прочитайте текст, напечатанный особым шрифтом. При повторном изучении темы усвойте все теоретические поло­жения, математические зависимости и их выводы, а также принципы со­ставления уравнений реакций. Вникайте в сущность того или иного во­проса, а не пытайтесь запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений способствует более глубокому и прочному усвоению материала. Чтобы лучше усвоить и запомнить изучаемый материал, надо обязательно иметь рабочую тетрадь и заносить в нее формулировки законов и основных по­нятий химии, новые незнакомые термины и названия, формулы и уравне­ния реакций, математические зависимости и их выводы и т.п. Во всех случаях, когда материал поддается систематизации, составляйте графи­ки, схемы, диаграммы, таблицы. Пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к экзамену. Изучение курса должно обязательно сопровождаться выполне­нием упражнений и решением задач.

Контрольные задания. При изучении курса химии студент должен выполнить контрольную работу, к выполнению которой можно приступить только тогда, когда будет изучена определенная часть курса и тщательно разобраны решения примеров, приведенных перед задачами к соответ­ствующим темам контрольных заданий. Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена; для замечаний рецензента надо оставлять широкие поля; писать четко и ясно; примеры с условиями задач переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании. Работа должна быть дати­рована, подписана студентом и представлена в университет на рецензи­рование.

Если контрольная работа не зачтена, ее нужно выполнить второй раз в соответствии с указаниями рецензента и выслать на повторное рецензирование вместе с незачтенной работой. Контрольная работа, вы­полненная не по своему номеру, преподавателем не рецензируется и не зачитывается.

Лабораторные занятия. Для глубокого изучения химии как науки, основанной на эксперименте, необходимо выполнить лабораторные работы в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Консультации. Если у студента возникают затруднения при изуче­нии курса, следует обращаться за письменной консультацией в универ­ситет к преподавателю, рецензирующему контрольные работы.

Лекции. В помощь студентам читаются лекции в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Зачет. Выполнив лабораторный практикум, студенты сдают зачет. Во время сдачи зачета необходимо уметь изложить ход работы, объяс­нить результаты выполнения опытов и выводы из них, уметь составлять уравнения реакций. Студенты, сдающие зачет, предъявляют лаборатор­ный журнал с пометкой преподавателя о выполнении всех работ, преду­смотренных планом практикума.

Экзамен. К сдаче экзамена допускаются студенты, которые выпол­нили контрольные задания и сдали зачет по лабораторному практикуму. Экзаменатору студенты предъявляют зачетную книжку, направление на экзамен и зачтенные контрольные работы.

 

ПРОГРАММА

 

Содержание и объем требований, предъявляемых студенту при сдаче экзамена, определяет примерная программа дисциплины "Химия" для под­готовки бакалавров технических направлений, одобренная Президиумом Научно-методического совета по химии Госкомвуза России и утвержден­ная Начальником Главного управления образовательно-профессиональных программ и технологий (1996 г.).

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Химия как часть естествознания. Предмет химии. Вещество. Виды химических реакций. Связь химии с другими науками. Значение химии в формировании мышления, в изучении природы и развитии техники. Химия и проблемы экологии.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

 

1. Основные классы неорганических соединений.

2. Скорость химических реакций и химическое равновесие.

3. Концентрации растворов.

4. Свойства водных растворов.

5. Водородный показатель среды. Гидролиз солей.

6. Окислительно-восстановительные реакции.

7. Электродные потенциалы и электродвижущие силы гальванических элементов.

8. Электролиз растворов электролитов. Гальванопокрытия.

9. Коррозия металлов.

10. Защита металлов от коррозии.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

 

1. Курс общей химии / Под ред. Н.В.Коровина. 2-е изд. - М.: Высш.шк.» 1990.

2. Фролов В.В. Химия. 3-е изд. - М.: Высш.шк. - 1986.

3. Практикум по неорганической химии / Под ред. А.В. Воробьева, СИ. Дракина. - М.: Химия, - 1983.

4. Методические указания к лабораторным работам по химии. - Брянск: БГТУ, 1994-1997.

5. Романцева Л.М., Лещинская З.Л., Суханова В.А. Сборник задач по общей химии, - М.: Высш.шк. - 1991.

 

Дополнительная

 

1. Глинка Н.А. Общая химия. - Л.: Химия, - 1986.

2. Глинка Н.А. Задачи и упражнения по общей химии. - Л.: Хи­мия, - 1985.

 

ТАБЛИЦА КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

 

Номер задания	Номера задач, относящихся к данному заданию

 

Студент должен выполнить контрольное задание, номер которого обозначен двумя последними цифрами студенческого билета (шифра). Например, номер студенческого билета 98-035, две последние цифры 35, им соответствует номер контрольного задания 35.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

 

СТРОЕНИЕ АТОМОВ

 

21. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

22. Напишите электронные формулы атомов фосфора и ванадия. К како­му электронному семейству относится каждый из этих элементов?

23. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, р-, d- и f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

24. Напишите электронные формулы атомов марганца и селена. К како­му электронному семейству относится каждый из этих элементов?

25. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d, 5S или 4р? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

26. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 17 и 29. У последнего происходит провал одного 4S- электро­на на Зd- подуровень. К какому электронному семейству относится каж­дый из этих элементов?

27. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s, 6s или 5р? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

28. Что такое изотопы? Чем можно объяснить дробность атомных масс большинства элементов периодической системы? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

29. В чем сущность d-, β^-- и β⁺- радиоактивного распада? Изотоп какого элемента получится в результате последовательного излучения 4d и 2^-β - частиц атомным ядром ²³⁸U?

30. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Какие электроны этих атомов являются валентными?

31. Какую радиоактивность называют искусственной? Изотоп какого элемента образуется в результате ядерной реакции, происходящей при бомбардировке ядер атомов ²⁷Al протонами, если при этом поглощается один протон и выделяется одна α - частица? Составьте уравнение этой ядерной реакции.

32. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 28. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

33. Изотоп какого элемента образуется в результате ядерной реакции, происходящей при бомбардировке атомов ⁵⁴Fe α - частицами, если при этом поглощается одна α - частица и выделяется один нейтрон? Составьте уравнение этой ядерной реакции.

34. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число при орбитальном квантовом числе l = 0; 1; 2 и 3? Какие эле­менты в периодической системе носят название s-, р-, d-, f- элементов? Приведите примеры.

35. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l и m_s, характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они при­нимают для внешних электронов атома магния?

36. Чем отличается последовательность в заполнении атомных орбита-лей у атомов d-элементов от последовательности заполнения их у ато­мов s- и р-элементов? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 46, учитывая, что, находясь в пятом периоде, атомы этого элемента на пятом энергетическом уровне не содержат ни одного электрона.

37. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33. учитывая, что у первого происходит провал одного 4s - электрона на Зd-подуровень. К какому электронному семейству от­носится каждый из этих элементов?

38. Значения какого квантового числа определяют число S-, р-, d- и f-электронов в атоме кобальта?

39. В чем заключается принцип несовместимости Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- или d¹² -электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

40. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит провал одного электрона с 5s- на 4d-подуровень. К какому электронному се­мейству относится каждый из этих элементов.

 

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

 

41. Исходя из положения германия, цезия и технеция в периодичес­кой системе составьте формулы следующих соединений: мета- и орто- германиевой кислот, дигидрофосфата цезия и оксида технеция, отвеча­ющего его высшей степени окисления. Изобразите графически формулы этих соединений.

42. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная способность s- и р-элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера?

43. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность р-элементов в периоде; в группе периодической системы с увеличением порядкового номера?

44. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодичес­кой системе составьте формулы следующих соединений: водородного сое­динения германия, рениевой кислоты и оксида молибдена, отвечающего его высшей степени окисления. Изобразите графически формулы этих соединений.

45. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выража­ется? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

46. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего пери­ода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?

47. Какой из элементов четвертого периода - ванадий или мышьяк - обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ моти­вируйте исходя из строения атомов данных элементов.

48. Какие элементы образуют газообразные соединения с водородом? В каких группах периодической системы находятся эти элементы? Составьте формулы водородных и кислородных соединений хлора, теллура и сурьмы, отвечающих их низшей и высшей степеням окисления.

49. У какого элемента четвертого периода - хрома или селена - сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

50. Какую низшую степень окисления проявляет хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответству­ющие соединения?

51. У какого из р-элементов пятой группы периодической системы - фосфора или сурьмы - сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный вос­становитель? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов.

52. Исходя из положения металла в периодической системе дайте мо­тивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более силь­ное основание: Мо(ОН)₂ или Ва(ОН)₂; Са(ОН)₂ или Fe(ОH)₂; Cd(ОH)₂ или Sr(OH)₂?

53. Почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор - не­металлические. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца.

54. Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответству­ющие соединения?

55. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

56. К какому семейству относятся элементы, в атомах которых по­следний электрон поступает на 4f- и 5f- орбитали? Сколько элементов включает каждое из этих семейств? Как отражается на свойствах этих элементов электронное строение их атомов?

57. Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодичес­ки. Чем это можно объяснить?

58. Какова современная формулировка периодического закона? Объяс­ните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, тел­лур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

59. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

60. Какую высшую степень окисления могут проявлять кремний, ванадий, марганец и ксенон? Почему? Составьте формулы оксидов дан­ных элементов, отвечающих этой степени окисления.

 

КОНДЕНСИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

 

61. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяс­нить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

62. Какая ковалентная связь называется неполярной и какая поляр­ной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Составьте электронные схемы строения молекул N₂, H₂O, HJ, Какие из них являются диполями?

63. Какой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH⁺₄ и BF^-₄? Ука­жите донор и акцептор.

64. Как метод валентных связей объясняет линейное строение молекулы BeCl₂ и тетраэдрическое – СН₄?

65. Какая ковалентная связь называется β-связью и какая π-связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

66. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

67. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколь­ко неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужден­ном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

68. Что называется дипольным моментом? Какая из молекул НСl, НВг, НJ имеет наибольший дипольный момент? Почему?

69. Какие кристаллические структуры называются ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк имеют указанные структуры?

70. Составьте электронное строение молекул Cl₂, H₂S, CCl₄. В ка­ких молекулах ковалентная связь является полярной? Как метод вален­тных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H₂S?

71. Чем отличается структура кристаллов NaCl от структуры крис­таллов натрия? Какой вид связи осуществляется в этих кристаллах? Какие кристаллические решетки имеют натрий и NaCl? Чему равно ко­ординационное число натрия в этих решетках?

72. Какая химическая связь называется водородной? Между молеку­лами каких веществ она образуется? Почему Н₂О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температу­рах, чем их аналоги?

73. Какая химическая связь называется ионной? Каков механизм ее образования? Приведите два примера типичных ионных соединений. Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной.

74. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов в соединениях СН₄, СН₃ОН, CO_2, НСООН.

75. Какие силы межмолекулярного взаимодействия называются ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают и какова природа этих сил?

76. Какая химическая связь называется координационной или донорно-акцепторной? Разберите строение комплекса [Zn(NH₃)₄]²⁺. Укажите до­нор и акцептор. Как метод валентных связей объясняет тетраэдрическое строение этого иона?

77. Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей объясняет симметричную треуголь­ную форму молекулы BF₃?

78. Как метод молекулярных орбиталей объясняет парамагнитные свой­ства молекулы кислорода? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы O₂ в методе молекулярных орбиталей.

79. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F₂ в мето­де молекулярных орбиталей.

80. Как метод молекулярных орбиталей объясняет большую энергию дис­социации молекулы азота? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N₂. Сколько электронов находится на связывающих и разрыхля­ющих орбиталях?

 

ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре ищет в обратном направлении, т.е. с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), уменьшению Н, с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением тем­пературы, а вторая растет с повышением температуры. Тенденцию к бес­порядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же как и внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем Т и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, Н, V обладают аддитивными свойствами, т.е. при соприкосновении систем суммируются. Энтропия отражает движение час­тиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрас­тает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плав­лении, расширении газа, при ослаблении и разрыве связей между атома­ми и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденса­ция, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п. - ведут к умень­шению энтропии. Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изме­нение ∆S зависит только от начального S₁ - и конечного S₂ состояний и не зависит от пути процесса ∆S = S₁ – S₂.

Если S₂ > S₁, то ∆S > 0; если S2 < S1, то ∆S < O.

Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка ≈Т∆S. Энтропия выражается в Дж/моль*К. Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению Н и стремления к беспорядку TS. При р = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают ∆G, можно найти из соотношения

∆G = (Н₂ – H₁) - (TS₂ – TS₁) = ∆Н - T∆S;

∆G = ∆Н - T∆S.

Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса. Итак, мерой химического сродства является убыль G-потенциала или ∆G, которая зависит от природы вещества, его количества и температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения любого потенциала и, в частности, в сторону уменьшения ∆G. Если ∆G < 0, процесс принципиально возможен, если ∆G > 0 - процесс само­произвольно протекать не может. Чем меньше ∆G, тем сильнее стремле­ние к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором ∆G = О и ∆Н = T∆S.

Из соотношения ∆G = ∆Н - T∆S видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых ∆Н > 0 (эндотермические). Это воз­можно, когда ∆S > 0, но │T∆S│ > │∆Н│, и тогда ∆G < O. С другой стороны, экзотермические реакции (∆Н > 0) самопроизвольно не протекают, если при ∆S < 0 окажется, что ∆G > 0.

Пример 1. Что имеет большую энтропию: 1 моль кристаллического ве­щества или 1 моль его паров при той же температуре?

Решение. Энтропия есть мера неупорядоченного состояния ве­щества. В кристалле частицы (атомы, ионы) имеют упорядоченное распо­ложение и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких