Главные задачи химии
Справочник химика 21
Лекция “Предмет и задачи химии. Основные понятия химии”
Химия
Садохин А. Концепции современного естествознания
Современные концепции химии
Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии Процессы, происходящие в химических системах Ионная сила раствора и коэффициент активности Перспективы развития каталитических систем Колебательные процессы в химии Колебательные реакции и синергетика Практическое применение колебательных процессов Критерий возможности самопроизвольного протекания химических процессов Связь Периодической системы с квантовой химией Краткий обзор свойств s-, p-, d- и f-элементов Энергия ионизации и сродство к электрону Метод молекулярных орбиталей ЛКАО МО Физические и физико-химические методы анализа Клетка — основа жизни Триплетный код и матричный синтез Биохимические процессы в технологической отрасли Современные мембранные материалы и технологии Перспективы развития мембранных технологий Источники информации в системе Интернет: Данное учебное пособие разработано на основе курса лекций по химии, которые читаются в Арсеньевском технологическом институте филиале ДВГТУ в течение нескольких лет. Курс лекций разработан на основе требований Государственных образовательных стандартов ХИМИЯ ЕН. При этом особое внимание уделялось тому, чтобы обеспечить системный подход присущий духу государственного образовательного стандарта и соответствие содержания и структуры данного учебного пособия тому объему знаний, который входит в предметную область и паспорт дисциплины. Требования Государственного образовательного стандарта к минимальному объему программы Требования Государственного образовательного стандарта к минимальному объему программы дисциплины ХИМИЯ ЕН. Химические системы, растворы, дисперсные и электрохимические системы, катализаторы и каталитические системы; полимеры и олигомеры; химическая термодинамика и кинетика; энергетика химических процессов; химическое и фазовое равновесие; скорость реакции и методы ее регулирования; колебательные реакции; реакционная способность веществ; химия и периодическая система элементов; кислотные, основные и окислительно-восстановительные свойства веществ; химическая связь; комплиментарность; химическая идентификация; качественный и количественный анализ; аналитический сигнал; химический, физический и физико-химический анализ. По сравнению с Государственным стандартом ХИМИЯ ЕН. Основы биохимических процессов и их применение в технологической отрасли; теоретические основы мембранных технологий, современные мембранные материалы, перспективы развития мембранных технологий. Основная цель курса состоит в том, чтобы развить у студентов нехимических специальностей химическое мышление, не на профессионально-предметном, что, естественно, невозможно, а на концептуальном уровне, с тем, чтобы будущий специалист мог разобраться в сути химических проблем, возникающих в ходе его профессиональной деятельности. Новизну данного учебного пособия можно усмотреть в авторской попытке внести в него все компоненты государственных стандартов для указанных специальностей, включая такие темы, как колебательные реакции, химическая идентификация, основы биохимических процессов и теоретические основы мембранных технологий с тем, чтобы студенты могли найти весь базовый учебный материал в одном пособии. Как известно, преподавание химии в нехимическом вузе отличается от школьного уровня не столько широтой охвата материала, сколько глубиной его рассмотрения, хотя эта глубина и несравнима с той, которая требуется при преподавании химии в химическом вузе. Особенностью данного учебного пособия является то, что автор стремился уделить особое внимание вопросам, позволяющим обобщить и объяснить материал по составу и свойствам вещества, с учетом междисциплинарных связей и задач отраслевой практики, сознательно сократив описательную часть курса. В данном пособии была сделана попытка сделать содержание пособия соответствующим самым современным представлениям об изучаемом предмете, а изложение учебного материала убедительным и доказательным для студентов, а также установить связь излагаемого материала с другими фундаментальными и смежными дисциплинами такими, например, как физика и материаловедение. В данном учебном пособии не предусмотрено применение элементов высшей математики, так как пособие предназначено для студентов первого курса, которые еще не владеют соответствующим математическим аппаратом. Получил представление о современных взглядах на строение вещества в рамках системного подхода;. Разобрался в главных закономерностях химических процессов;. Научился ориентироваться в вопросах химии, имеющих наибольшее значение для его будущей специальности;. Овладел техникой несложного химического эксперимента посредством химического практикума предусмотренного Государственным стандартом для студентов технических специальностей. Для облегчения этой задачи теоретические положения в данном пособии иллюстрируются примерами, приводятся задания для самостоятельной работы, даются рекомендации по выполнению заданий для успешной самостоятельной работы студентов над предметом. Оно не может полностью заменить фундаментальный учебник по химии, однако его можно рассматривать именно как пособие, долженствующее облегчить знакомому со школьным курсом химии учащемуся, в том числе и самостоятельно изучающему предмет, успешное усвоение учебного материала фундаментальных учебников, рекомендованный список которых, вместе с перечнем дополнительной литературы, приводится в данном учебном пособии. Пособие также поможет студентам восполнить пробелы в школьном химическом образовании. Химия как наука является разделом естествознания - комплекса наук о природе, о мире в его естественном состоянии, независимо от человека. В этот комплекс входят физика и астрономия, химия и биология, геология и география, а также многочисленные приложения этих наук. Химия - это естественная наука, изучающая химические превращения материи, существующей в виде вещества. По современным представлениям, вещество является только одной из трех форм материи; двумя другими формами являются поле и вакуум. В современной физике веществом называют форму материи, состоящую из элементарных частиц, имеющих собственную массу массу покоя , а именно, из фермионов , которые образуют электронные оболочки и атомные ядра, атомы и молекулы. При химических процессах происходит обмен атомами между различными веществами, перераспределение электронов, разрушение одних химических связей и возникновение других. Химические процессы являются проявлением электромагнитного взаимодействия , переносчиком которого служит фотон. При физическом изменении вещества не происходит изменений его внутреннего строения, состава и свойств. В результате химических изменений вещества химической реакции происходят изменения не только физического состояния веществ например, его агрегатного состояния , но меняется также химический состав и структура веществ. По современным представлениям, х имическая реакция — это процесс, в результате которого изменяются состав, структура или заряд участвующих в процессе частиц атомов, молекул, ионов или радикалов при неизменности химической природы атомов. Химия изучает разнообразные химические процессы, и эти знания помогают человеку получать необходимые для его жизнедеятельности материалы и двигаться по пути материально-технического прогресса. Значение химии в изучении природы принципиально важно, так как эта наука отвечает на вопрос о строении и свойствах веществ, из которых состоят все объекты природы, в том числе и сам человек. Химия составляет теоретическую основу любого химического производства, от переработки природного сырья металлических руд, нефти, природного газа до изготовления бытовых товаров. Понимание законов химии и умение их использовать на практике необходимо каждому инженеру, технологу или экономисту, потому что нет ни одного производства, где не применялись бы те или иные химические процессы получение чистых металлов и других материалов, нанесение покрытий, очистка воды и т. Любая промышленно развитая страна имеет развитую промышленность, а тем самым обязана тратить большие средства на развитие теоретической химии. Цель любых научных исследований состоит в изучении законов природы для последующего их использования в практической деятельности. Практическое применение химической теории сводится к решению трех основных проблем: Применение теории систем к решению конкретных проблем называют системно-структурным подходом. Этот подход применим и в химии. Системой вообще называется множество элементов, находящихся в таких отношениях друг с другом, которые придают множеству определенную целостность и единство, то есть взаимодействуют меж собой. Системным подходом называют такой способ рассмотрения проблемы, при которой ее состояния, свойства и особенности выводятся из состояния и свойств составляющих ее элементов. Системе свойственна целостность , то есть свойство изменяться при изменении свойств ее элементов. Изменение любого элемента системы оказывает воздействие на все другие элементы системы и изменяет всю систему. И наоборот, воздействие на систему оказывает влияние на свойства составляющих ее элементов. При объединении элементов в целостную систему у них появляются новые свойства, то есть целое не является механической суммой частей. Примером может служить молекула воды, составленная из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Свойства воды не есть линейная комбинация свойств водорода и кислорода, у воды появляются новые, присущие только ей характеристики. Такое свойство системы называется эмерджентностью от английского слова emerge — внезапно возникать. Любой объект окружающего нас мира представляет собой целое в одном отношении и часть целого в другом. Любую систему можно расчленить на элементы, которые, в свою очередь, могут рассматриваться как система. В то же время сама данная система может выступать в виде элемента другой более широкой системы. Это свойство систем называют их иерархическим строением. Следствием иерархического строения является возможность изучения систем при последовательном переходе с одного уровня расположения элементов системы на другой. Самой большой и сложной является наш мир в целом, то есть система под названием Вселенная. Во всей этой системе в целом и в каждой ее части материя находится в непрекращающемся движении. Мерой движения материи является энергия, а также ее превращения из одной формы в другую. Химия как наука о веществе должна, прежде всего, дать ответ на вопрос, как вещество устроено. Системный подход можно применить и к поискам ответов на этот вопрос. Если считать вещество сложной системой, на вопрос, из чего состоит данная сложная система, следует дать ответ — из более простых систем. Отсюда следует, что в данном случае логично применить системный подход с иерархическим усложнением, переходя от более простых систем к системам более сложным. Одна из двух основополагающих идей о строении вещества называется корпускулярной концепцией. Автором корпускулярной концепции читается греческий философ Демокрит гг. Рассуждая о том, почему при сильном нагревании улетучивается вода, как можно ощутить запах цветка на расстоянии и куда девалась позолота с рук статуи Зевса в местном храме, Демокрит пришел к выводу о том, что тела только кажутся нам сплошными, а на самом деле состоят из мельчайших частиц — атомов. Другой древнегреческий философ, Аристотель гг. Аристотель считал, что четыре стихии тепло, холод, сухость и влажность , соединяясь попарно, составляют четыре элемента мира: Первоосновой же, или первоматерией мира, является идеальный пятый элемент - эфир. Следовательно, из континуальной концепции строения вещества вытекает вывод, что предела деления материи не существует. Какая же концепция строения верна? Разлагая самые разные вещества на составные части, экспериментаторы убедились в том, что Аристотель неправ. Воздух также является сложной системой и состоит из смеси различных газов, основными компонентами которой являются азот и кислород. Так, например, в году Пьер Гассенди , французский ученый и философ, не только отверг представления Аристотеля об устройстве материи в виде вещества, но и объяснил на основе учения древних атомистов , каким именно образом возникают в мире многие миллионы разнообразных тел. Для этого, утверждал Гассенди, не требуется большого количества атомов. Атом - это все равно, что строительный материал для домов. Как из строительных материалов - кирпичей, досок гвоздей - можно построить и бедную хижину, и величественный дворец, так из нескольких десятков различных атомов природа может построить тысячи тысяч разнообразных тел. Количественным же пределом деления материи считались атомы. Приверженцем атомного строения материи был Исаак Ньютон Ломоносов считал, что все тела состоят из атомов правда, атомы он ошибочно называл элементами и их сочетаний - молекул, которые он называл корпускулами. Ломоносов, одновременно с французским химиком Лавуазье, доказал закон сохранения вещества и позднее обобщил его до закона сохранения материи и движения. Природу теплоты Ломоносов объяснял вращательным и колебательным движением атомов и молекул. Следующий шаг в познании строения материи сделал английский химик, физик и метеоролог Джон Дальтон - Дальтон считал, что атомы различных элементов имеют различную массу. Изучая растворимость газов в жидкости, он вычислил относительные веса таких атомов, как азот, углерод, кислород и сера, взяв за единицу вес атома водорода. Он также вычислил молекулярные массы некоторых сложных веществ. Броун наблюдал в микроскоп взвесь очень мелких частиц пыльцы растений в воде и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Правда, механизм броуновского движения, вызванного вечным движением молекул, Альберт Эйнштейн объяснил только в году. Однако с изобретением в конце 20 века сканирующих микроскопов со сверхвысоким разрешением такая возможность появилась, и наше поколение отличается от предыдущих поколений, прежде всего тем, что мы увидели атомы, из которых состоим Рис. Фотография кристалла кремния сделана посредством сканирующего электронного микроскопа особого типа. Атомы не имеют строго определенных границ вследствие волновой природы электронов. К середине XIX, когда было открыто 74 элемента с различными свойствами и появилось стройное атомно-молекулярное учение, победу корпускулярной концепции над концепцией континуальной можно было считать окончательной. Существует предел деления материи — атом;. Атомы отличаются друг от друга массой и размерами, но внутренней структуры не имеют неделимы ;. Атомы с одинаковой массой образуют химический элемент;. Атомы соединяются друг с другом в соответствии со своей валентностью и образуют молекулы;. Атомы и молекулы находятся в постоянном движении;. В совокупности, атомы или молекулы, состоящие из одинаковых атомов, образуют простые вещества. Эти вещества отличаются друг от друга по химическим свойствам металлы и неметаллы ;. В совокупности, молекулы, состоящие из разных атомов, образуют сложные вещества. Эти вещества отличаются по химическим свойствам оксиды, кислоты, основания, соли и т. Процесс превращения одних молекул в другие в соответствующих условиях есть химическая реакция;. Превращение одних атомов в другие трансмутация невозможно. В рамках корпускулярной концепции в виде атомно-молекулярного учения ответ на вопрос о строении материи при системном подходе с иерархическим усложнением можно представить следующим образом: В году Д. Менделеев открыл закон, объясняющий, как изменяются свойства химических элементов , который является вершиной атомно-молекулярного учения. Попытки систематизации химических элементов предпринимались и до Менделеева, но они основывались на объединении элементов в группы только на основании их физического сходства и химических свойств. Сходную таблицу предложил и немецкий химик и физик Лотар-Мейер. Менделеев пришел к выводу, что в основу систематики элементов должна быть положена их относительная атомная масса атомный вес. Поэтому еще в году английский химик Д. Дальтон предложил использовать соотношение весов, или относительную массу элементов, взяв за единицу массу самого легкого атома, водорода водородную единицу. Атомные массы кислорода и водорода, например, равны соответственно 15, и 1, Поэтому мир человека принято называть макромиром , а мир атомов — микромиром. Поскольку на микроуровне вещество в рамках атомно-молекулярного учения состоит из атомов, то его можно назвать микровеществом. Расположив все известные в то время элементы 74 в порядке возрастания их атомных масс весов , Менделеев обнаружил, что сходные в химическом отношении элементы встречаются через правильные интервалы периоды , то есть химические свойства элементов периодически повторяются. Периодический закон Менделеев сформулировал следующим образом:. Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Каждый период начинается с очень активного металла, затем металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются, а заканчивается каждый период инертным газом. Это значит, что свойства элементов, расположенных в системе Менделеева определенным образом повторяются. Современная химия отвечает на вопрос о строении вещества в рамках корпускулярной концепции. Однако пределом деления вещества считаются не атомы, а дискретные от английского слова discrete — разбивать элементарные частицы. То, что у атома есть составные части, удалось обнаружить, изучая электрические явления. В году английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая природу катодных лучей, или электрического тока, открыл отрицательно первую элементарную частицу — электрон , и, тем самым, доказал, что атом имеет структуру, то есть является делимым. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд в году открыл атомное ядро и предложил другую модель атома: В таком атоме, размеры которого составляют 10 м, вокруг небольшого по размеру 10 15 м , но очень массивного положительно заряженного ядра движутся отрицательно заряженные электроны. На сегодня физикам известно более элементарных частиц, которые делятся на фермионы и бозоны. Фермионы считаются частицами, образующими вещество, тогда как бозоны являются частицами полей. Все элементарные частицы можно классифицировать по массе, заряду, времени жизни и спину. Для химии наиболее важными являются четыре элементарные частицы: Масса электрона m e оставляет 9, г, масса протона равна 1, г, или m e а масса нейтрона - m e. Электроны, протоны и фотоны являются стабильными частицами, время жизни которых превышает 10 27 лет. Свободный нейтрон является квазистабильной частицей, время его жизни составляет секунд. Все элементарные частицы с их невероятно малыми массами и размерами - это объекты микромира , и их свойства не имеют аналогов в привычном для нас макромире. Одним из таких свойств является спин от английского слова spin — веретено или волчок. У фотона, поскольку он является бозоном, спин целый и равен 1. Спин определяет собственный момент количества движения. Иногда для объяснения понятия спина используют такую аналогию — электрон представляют как летящий волчок, или круговой ток, создающий собственное магнитное поле. При всех способах его регистрации спин всегда направлен вдоль той оси, которую наблюдатель выбрал за исходную. Спин принято считать одним из фундаментальных свойств материи, то есть он не является следствием других свойств природного объекта, также как, например, гравитация и электричество. В соответствии с ядерно-планетарной моделью атома Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, количество которых равно заряду ядра, так что атом в целом является электронейтральным. Резерфордом и не имеющих заряда нейтронов открыты в Дж. Оказалось, что заряд ядра численно равен порядковому номеру атома в периодической системе по закону Мозли , или закону атомного номера. Это открытие устраняло кажущееся противоречие в системе Менделеева, где некоторые элементы с большей массой стояли впереди элементов с меньшей массой теллур и йод, аргон и калий, кобальт и никель. Оказалось, что противоречия здесь нет, так как заряды ядер этих элементов точно соответствуют их положению в периодической системе. Заряд атомного ядра оказался той основной величиной, от которой зависят свойства химического элемента. Поэтому периодический закон Менделеева в современной формулировке звучит так:. Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов. Химическим элементом по современным представлениям считается совокупность атомов с одинаковым числом протонов в ядре, или с одинаковым зарядом ядра. Прибавляя к ядру протоны или выбивая их из ядра например, в ускорителях элементарных частиц , можно из одного элемента получить другой, то есть осуществить ту трансмутацию , о которой мечтали алхимики. Именно поэтому создатель науки об атомном ядре Э. Однако для такой трансмутации нужна колоссальная энергия, которую нельзя получить в какой бы то ни было химической реакции, поэтому такие ядерные реакции осуществляются в ускорителях элементарных частиц. При этом теоретически можно получить сколь угодно много элементов, однако для химии такие элементы, во всяком случае, на данном этапе, никакого практического значения не имеют, так как их атомы получают в ускорителях элементарных частиц буквально поштучно, а время жизни таких атомов ничтожно мало. Ядерные реакции в данном учебном пособии не рассматриваются. Сумма масс протонов и нейтронов составляет массовое число , или атомную массу А элемента. Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. Химические свойства изотопов одинаковы: Любой элемент состоит из совокупности изотопов: Многие изотопы неустойчивы и распадаются с выделением излучения или частиц с высокой энергией; это явление называется естественной радиоактивностью. Встречаются также ядра, массовые числа которых одинаковы, но число протонов в ядре разное. Такие ядра называются изобарами ; изобары обладают различными химическими свойствами, следовательно, являются различными элементами. В химических превращениях ядро, спрятанное в глубинах атома, непосредственного участия не принимает. Поэтому химику важнее всего знать, как располагаются электроны в том или ином атоме, так как именно они обуславливают химические превращения элементов. Планетарная модель атома противоречит законам классической электродинамики, то есть теории движения заряженных тел. В соответствии с этими законами, движущийся по орбите электрон очень скоро через 10 -8 сек должен упасть на ядро см. Однако на самом деле атомы очень стабильны. Датский физик Нильс Бор разрешил это противоречие, предложив свою модель атома, основанную на двух постулатах, которые называют постулатами Бора:. На основании своей модели атома водорода Бор сумел объяснить линейчатые спектры атомов. Если атомы какого-либо элемента, например, водорода, возбудить сильно нагреть , то они начинают испускать свет. Каждый элемент имеет уникальный спектр, что широко используется для определения элементного состава различных образцов, а сыграло огромную роль в открытии новых элементов. Так, например, при анализе спектра Солнца был открыт гелий. Такой метод исследования элементов и их соединений называется спектральным анализом. Твердые тела и жидкости, где атомы тесно сближены друг с другом, дают сплошной спектр, а газы и пары, где атомы удалены друг от друга, - линейчатый, содержащий только определенные длины волн. Наиболее простой спектр имеет атом водорода, поэтому он очень хорошо изучен. В видимой области спектра имеются всего четыре линии, - красная, зеленая, синяя и фиолетовая Рис. Это значит, что модель Бора отражает реальность. Энергия каждого перехода рассчитывается по формуле Планка-Эйнштейна:. Где Е — энергия, v — частота спектральной линии, а h постоянная Планка , или квант действия. На современном языке оно звучит так: Оно показывает, что малая энергия за долгое время производит то же действие, что большая энергия за короткий срок. Произведение энергии и времени есть действие. Мерой движения тел является энергия. Энергия существует в разных формах, например, в виде тепла и света. О природе света спорили еще Ньютон и его современник Гюйгенс. Ньютон считал свет состоящим из материальных частиц , как все остальные материальные тела. Гюйгенс же рассматривал свет как волновой процесс. Ниже в Таблице 1. Область видимого света по сравнению со всем диапазоном электромагнитных волн очень мала. Только с помощью такого допущения он смог объяснить механизм фотоэффекта: Энергию фотона можно вычислить по формуле Планка-Эйнштейна 1. Отсюда можно вывести физический смысл мировой квантовой константы h. Чем выше частота излучения, тем большей энергией обладает квант. У каждого кванта частота колебаний своя, но основа дробности и малости у всех квантов общая. Ею служит величина наименьшего физического действия в природе. Для обозначения этого наименьшего действия Планк и ввел свою константу h. Оказалось, что электрон, как элемент микромира , не подчиняется законам классической механики. Неклассическая теория движения, квантовая механика , составной частью которой является неклассическая теория строения вещества, квантовая химия , объясняет это невероятными для классической физики свойствами электрона: Электрон может находиться только в тех областях пространства, которые вмещают целое число электронов-волн. Длину волны электрона можно рассчитать по уравнению, предложенному французским физиком Луи де Бройлем - В соответствии с принципом неопределенности, который был сформулирован немецким физиков Вернером Гейзенбергом, для электрона а в общем случае для любой микрочастицы невозможно одновременно точно определить координату частицы Х и скорость V, или импульс Р х. Математически этот принцип записывается так: Это значит, что невозможно точно определить положение отдельного электрона в атоме, можно только предсказать с некоторой вероятностью положение его на определенной орбите. В микромире действуют не динамические , а вероятностные законы. Почти одновременно с Гейзенбергом Н. Бор сформулировал свой принцип дополнительности, в котором идея корпускулярно-волнового дуализма выражена в общем виде: Это значит, что микрочастица не может проявлять свойства частицы и волны одновременно, то есть корпускулярная и волновая картины должны дополнять друг друга, то есть быть комплиментарными. Только при учете этих двух аспектов можно создать общую картину микромира. В простейшем случае это волновое уравнение имеет вид:. Квадрат модуля пси-функции определяет вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства в определенное время. Главное квантовое число n определяет энергию электрона на той или иной орбите, или энергетическом уровне. Значение n для электронов в каком-либо атоме можно найти, определив квадрат модуля пси-функции. Вычислить энергию электрона на определенном энергетическом уровне можно по следующему соотношению, которое вытекает из квантовой теории:. Энергия выражается в электрон-вольтах. Один электрон-вольт — это энергия, необходимая для отрыва от атома первого электрона. Энергия электрона, главным образом, зависит от расстояния его до ядра чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия. Поэтому говорят, что главное квантовое число определяет положение электрона на том или ином энергетическом уровне или квантовом слое. Эти уровни обозначаются цифрами или буквами:. В квантовой механике электрон представляют в виде электронного облака определенной формы. Форма облака определяется орбитальным, или азимутальным квантовым числом l , которое принимает значения от 0 до n-1, всего n значений и обозначается так:. Исторически первые четыре значения имеют буквенные символы, произошедшие от спектроскопических терминов, использованных в е годы при описании спектров щелочных металлов: Более сложных электронных облаков не существует. Для того чтобы определить квантовое число, необходимо перебрать все значения главного квантового числа n от 0 до n Магнитное квантовое число m l определяет ориентацию электронного облака в пространстве. Это указывает на то, что рэлектроны отличаются по ориентации их в пространстве то есть по энергии по осям x, y и z, то есть энергетический уровень р-электронов расщепляется на три подуровня такое расщепление наблюдается при воздействии магнитного поля и называется эффектом Зеемана. У d- и f-электронов существует соответственно 5 и 7 подуровней. Очень упрощенно спин можно считать вращением электронного облака вокруг своей оси по часовой стрелке или в противоположном направлении. Положительное и отрицательное значение спинового кантового числа определяют противоположные направления спина. Электроны, имеющие одинаковое направление спина, называются параллельными с параллельным спином , а противоположное направление спина - антипараллельными с антипараллельным спином. Набор квантовых чисел определяет положение любого электрона в любом атоме. Атомы расселяются по орбитам в соответствии с законами квантовой механики. При этом необходимо применять принцип Паули , сформулированный в году швейцарским физиком Вольфгангом Паули: В атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковы все четыре квантовых числа. Понятно, что на этом уровне может располагаться только два s-электрона. Электронную конфигурацию этого уровня условно записывают в виде 1s 2. Согласно правилу Гунда , в подуровне p, d или f электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Нарушение порядка заполнения орбиталей связано с тем, что энергия электронов зависит не только от заряда ядра, но и от взаимодействия между электронами, их взаимного отталкивания, или экранирования. У многоэлектронных атомов иногда наблюдаются исключения из правила Клечковского. Набор квантовых чисел, принцип Паули, правила Гунда и Клечковского позволяют определить расположение электронов в любом атоме любого элемента в системе Менделеева. Совокупность положений электрона в атоме, которая определяется набором значений квантовых чисел, называют атомной орбиталью АО. Рассмотрим атом водорода, в котором имеется всего один электрон. Ничтожно мала и вероятность найти электрон на большом расстоянии от ядра, но на некотором расстоянии от него вероятность найти электрон максимальна. Расстояние это для атома водорода равно 0, нм. Это значение и считается радиусом ближайшей к ядру орбиты электрона. Так как 1, то главное квантовое число n единственного электрона атома водорода равно 1. Следовательно, орбитальное число равно 0, что соответствует шарообразной форме электронного облака, то есть единственный электрон атома водорода является s-электроном размеры и форма электронного облака определяются распределением квадрата модуля пси-функции. Спиновое квантовое число может принимать любое значение — либо. В атоме второго элемента системы Менделеева, гелия, два электрона. Второй электрон, в соответствии с принципом наименьшей энергии, также располагается на 1s - уровне. Электронная формула гелия 1s 2. В атоме водорода электрон находится в электромагнитном поле, которое создается только ядром. Для многоэлектронных атомов главное квантовое число n принимает значения от 1 до 7. У электронов второго от ядра энергетического уровня, например, имеет место следующая ситуация: В соответствии с принципом Паули, максимальное количество электронов, которое может расположиться на втором энергетическом уровне, равно 8 два s - электрона и 6 рэлектронов. Для s-электронов возможно только одно значение m l , равное нулю, а для р — электронов - три значения, так как р-электронные облака ориентируются в пространстве по осям x, y и z, то есть происходит расщепление р- уровня на три подуровня. Восемь электронов кислорода располагаются на двух ближайших к ядру орбитах следующим образом: В общем случае, максимальное число электронов на энергетическом уровне равно 2n 2. Составляя электронные формулы атомов периодической системы, можно убедиться, что расположение их в периодической системе полностью соответствует электронному строению их атомов. Если атом теряет один или несколько электронов, то превращается в положительно заряженный катион. В рамках атомномолекулярного учения пределом делимости материи считался атом. Однако созданная в е годы ХХ века теория элементарных частиц Гелл-Манна и Цвейга которая теперь называется квантовой хромодинамикой строится на допущении наличия структуры у адронов, то есть у элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном ядерном взаимодействии, самыми устойчивыми из которых являются протоны и нейтроны. И действительно, свойства кварков опрокидывают привычные физические представления: В году в экспериментах на линейном ускорителе в Стэндфордском университете были получены первые экспериментальные доказательства, подтверждающие существование кварков, а в г. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а протон — на нейтрон, позитрон и нейтрино. Следовательно, может существовать такое состояние вещества, когда электроны и кварки из которых состоят нейтроны и протоны представляют собой некую единую субстанцию. В таких обстоятельствах приходится возвращаться к проблеме строения вещества и вновь делать выбор между корпускулярной и континуальной концепциями. Конечный предел деления материи в рамках этой концепции академик М. Обе эти концепции можно хотя и весьма условно назвать развитием корпускулярной концепции строения материи. Если это так, то проблему строения вещества следует решать в рамках континуальной концепции. Поскольку вещество на микроуровне не имеет аналогов с наблюдаемыми нами явлениями макромира, можно назвать его микровеществом. В обычной жизни человек имеет дело не с атомами и молекулами, а с веществом, находящимся в одном из четырех агрегатных состояний. В отличие от микровещества элементарных частиц, атомов и молекул можно назвать вещество, с которым встречаемся в нашем макромире, макровеществом. В зависимости от условий окружающей среды в первую очередь от температуры и давления одно и то же макровещество, например, вода, может находиться в различных агрегатных состояниях. Различают газообразное, жидкое, твердое и плазменное состояние вещества. Так, система, состоящая из атомов и молекул вещества, которые находятся на больших по сравнению с их собственными размерами расстояниях друг от друга, является газом и находится в газообразном состоянии, Вследствие большой удаленности частиц газа друг от друга силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы. Идеальный газ — это система, элементы которой не взаимодействуют друг с другом. В реальном газе между молекулами существуют заметные силы межмолекулярного взаимодействия. Паром называют реальный газ, который находится в состоянии, близком к переходу его в жидкость. Молекулы в газах движутся хаотически газ в переводе с греческого языка означает хаос. Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом молекулы испытывают громадное число соударений 10 20 соударений в секунду при комнатной температуре. Физико-химические свойства газовых систем определяются по правилу аддитивности суммированием характеристик образующих их молекул. Свойства газовых систем определяются уравнением состояния Менделеева-Клайперона:. При нагревании разреженных газов до высоких температур десятков тысяч градусов происходит ионизация молекул от нейтральных атомов отщепляются электроны и газ переходит в плазменное состояние. Ионами называют атомы или молекулы, которые приобретают или теряют один или несколько электронов и становятся заряженными частицами. Происходящие в плазме химические реакции. Когда вещество находится в конденсированном состоянии жидком или твердом , расстояния между частицами малы, а силы взаимодействия между ними велики. Эти силы удерживают частицы вещества друг около друга, поэтому твердые и жидкие вещества, в отличие от газов, имеют постоянный при данной температуре объем. Силы, удерживающие частицы вещества, имеют электромагнитную природу. Если вещество состоит из атомов и не является металлом, его атомы связаны ковалентной связью. Если вещество - металл, то имеет место металлическая связь: В веществе, состоящем из ионов, последние удерживаются друг около друга электростатической ионной связью. В веществах с молекулярной структурой имеет место межмолекулярное взаимодействие. Эти силы слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В их основе лежит явление поляризации. Если вещество состоит из полярных молекул, например, молекул воды Н 2 О или хлористого водорода НСl, то в конденсированном состоянии соседние полярные молекулы диполи ориентируются друг по отношению к другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего происходит их взаимное притяжение. Такой тип межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным. Ориентационное взаимодействие ослабевает с ростом температуры, так как ему препятствует тепловое движение молекул. Если вещество состоит из неполярных, но способных к поляризации молекул, например СО 2 , наблюдается возникновение наведенных, или индуцированных диполей. Каждый атом создает вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на каждый атом соседней молекулы. Молекула поляризуется и в свою очередь поляризует соседние молекулы, в результате чего происходит притяжение молекул друг к другу. Индукционное взаимодействие имеет место и у полярных молекул, но оно значительно слабее ориентационного. Движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение положения электронов вызывают появление мгновенных диполей. В твердых телах и жидкостях мгновенные диполи возникают согласованно, причем ближайшие друг к другу участки соседних молекул оказываются заряженными противоположно, что приводит к их притяжению. Такое дисперсионное взаимодействие имеет место во всех веществах, находящихся в конденсированном состоянии. Относительная величина всех видов межмолекулярного взаимодействия зависит от полярности и поляризуемости молекул вещества. Чем больше полярность, тем больше ориентационные силы. Чем крупнее атомы чем слабее связаны с ядром внешние электроны , тем значительнее дисперсионные силы. Индукционные силы почти всегда малы. В твердом состоянии большинство веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллы отличаются от аморфных соединений наличием упорядоченной кристаллической решетки См. Поэтому кристаллы, в отличие от аморфных твердых тел, имеют постоянную температуру плавления. Можно сказать, что структура кристаллов характеризуется дальним порядком , а структура аморфных тел - ближним. Жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями. Способность жидкостей легко изменять свою форму, принимая форму сосуда, в который жидкость налита, говорит о том, что силы межмолекулярного взаимодействия в жидкостях не жестки. Однако жидкости практически несжимаемы в отличие от газов , следовательно, межмолекулярные силы, хотя и не жесткие, тем не менее, значительны. По структуре жидкости подобны аморфным телам: Первые теории жидкого состояния основывались на использовании аналогии с газовым состоянием. Современные теории жидкого состояния основаны на представлении о жидкости как о разупорядоченном твердом теле, в котором существует ближний порядок, в то время как дальний порядок, характерный для твердого тела, нарушен тепловым движением молекул. Жидкость можно рассматривать как тело, состоящее из очень большого числа беспорядочно ориентированных кристаллов микроскопических размеров. Все химические вещества делятся на простые элементарные и сложные. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов например, Сг, В, Н 2 , О 2 , Br 2. Простые вещества делятся на металлы и неметаллы металлоиды. Сложные химические вещества делят на органические и неорганические. Органическими веществами принято называть соединения углерода с водородом, азотом и некоторыми другими элементами; все остальные вещества называются неорганическими, или минеральными. Неорганические вещества делятся на классы либо по составу двухэлементные, или бинарные, и многоэлементные; кислородсодержащие, азотсодержащие и т. Например, AgO - оксид серебра; Na F - фторид натрия; Mg 3 N 2 - нитрид магния; CaC 2 - карбид кальция; СaH 2 - гидрид кальция. Если менее электроотрицательный элемент может иметь переменную валентность, то после названия соединения валентность указывают в скобках римскими цифрами, например, Cu 2 O - оксид меди I , CuO - оксид меди II , N 2 O 5 - оксид азота V. Многие оксиды металлов имеют основной характер и реагируют с кислотами c образованием солей:. Среди многоэлементных соединений одними из самых важных являются гидроксиды - вещества, состоящие из гидроксильной группы ОН и металла. Основные гидроксиды например, КОН проявляют свойства оснований отщепляя в водном растворе гидроксильные группы , кислотные гидроксиды например, HONO 2 в водном растворе ведут себя как кислоты, отщепляя ион водорода. Амфотерные основания например, Zn OH 2 проявляют как те, так и другие свойства. Гидроксиды, образованные металлами первой группы главной подгруппы LiOH, NaOH, KOH, RbOH хорошо растворимы в воде, очень активны и носят тривиальное название щелочей. Растворимы и некоторые гидроксиды металлов второй группы - кальция и бария. В зависимости от количества гидроксильных групп, входящих в состав гидроксидов, их делят на однокислотные NaOH , двукислотные. Кислотами называются соединения, способные в растворах отщеплять ионы водорода. Кислоты делятся на бескислородные HCl, HF, H 2 S, HCN и т. В зависимости от числа входящих в молекулу кислоты атомов водорода кислоты подразделяют на одноосновные , двухосновные, трехосновные и т. При полном замещении получаются средние нормальные соли например, Na 2 CO 3 - карбонат натрия. При неполном замещении водорода, например, при реакции гидроксида с избытком кислоты, получаются кислые соли например, NaHCO 3 - гидрокарбонат натрия , при неполном замещении гидроксила при избытке гидроксида при получении соли - основные соли Mg OH Cl - хлорид гидроксомагния. Соли, образованные двумя металлами и одной кислотой, называются двойными солями, или квасцами например, KCr SO 4 2 — сульфат калия-хрома, или хромокалиевые квасцы. Химические расчеты основаны на том, что состав химических веществ можно выразить химическими формулами, а взаимодействия между веществами - химическими уравнениями. Химическая формула дает много сведений о веществе. Она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента в его молекуле. Формула позволяет также рассчитать ряд величин, характеризующих вещество. Так, например, из формулы серной кислоты H 2 SO 4 видно, что молекула кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода. Для того чтобы определить формулу вещества, необходимо разложить определенное его количество на составные части элементы , определить процентный состав каждого элемента и, зная атомную массу каждого элемента, проделать определенные расчеты. Соответствующие атомные массы элементов равны 1, 32 и Относительное содержание атомов каждого элемента атомный фактор равно отношению процентного содержания элемента к его атомной массе. Относительную молекулярную массу [3] рассчитывают по формуле вещества как сумму относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы с учетом количества каждого атома. Это число обозначается символом N A. Точное значение N A определил не Авогадро, однако открытый им закон, который гласит, что масса 22,4 литра любого газа при нормальных условиях равна молекулярной массе газа, выраженной в граммах. Отсюда вытекает вывод, что в таком количестве вещества содержится одинаковое число молекул. Этот вывод применим ко всем веществам, а не только к газам. Моль — единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов молекул, атомов, ионов, электронов, других частиц или специфицированных групп частиц , сколько атомов содержится в 0, кг нуклида 12 С изотопа углерода с атомной массой Эквивалентную массу вещества вычисляют исходя из его молекулярной массы. Эквивалентная масса элемента равна его атомной массе, деленной на валентность элемента:. По закону эквивалентов , вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Например, на практике при смешении водорода с кислородом в соотношении 1: Поэтому при расчетах эквивалент кислорода принимается равным 8. Эквивалент водорода равен 1. Так как многие другие элементы вступают в реакции с кислородом и водородом, по закону эквивалентов 1. Эквивалентные массы элементов и сложных веществ могут принимать несколько значений, если элемент имеет переменную валентность, а вещество способно вступать в реакции разного типа. Величину, обратную валентности элемента, часто называют фактором эквивалентности F [5]. Эквивалент кислоты Э к-ты равен ее молекулярной массе М, деленной на основность кислоты количество атомов водорода в ее молекуле n H:. Эквивалент гидроксида Э г-да равен его молекулярной массе M, деленной на кислотность гидроксида число гидроксильных групп в его молекуле n OH:. Эквивалент соли Э соли равен ее молекулярной массе M, деленной на валентность металла В умноженную на количество его атомов в молекуле m:. Фактор эквивалентности соли определяется соотношением: Молярной массой эквивалента или молем эквивалента называют количество вещества, равное его эквивалентной массе эквиваленту , выраженной в граммах. Так как моль-эквивалент составляет дробную часть моля или равен ему, его, в соответствии с рекомендациями ИЮПАК, рекомендуется называть просто молем с указанием фактора эквивалентности. Любую реакцию можно выразить химическим уравнением. Написав уравнение реакции, где в левой части приводятся формулы исходных веществ, а в правой — формулы продуктов реакции, следует соблюсти закон сохранения вещества, так как атомы не могут исчезать или появляться ниоткуда. Поэтому при составлении химического уравнения всегда уравнивают количества атомов в правой и левой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя. Каждая формула в уравнении обозначает 1 молекулу вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ - участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между исходными веществами и продуктами реакции. При этом получается 1 молекула сульфата натрия и 2 молекулы воды. Молекула — структурная единица микромира. Моль является очень важной количественной характеристикой вещества, так как связывает структурные элементы микромира и макромира. Исходя из уравнений реакции, по молярным соотношениям можно найти любую неизвестную величину, если известна масса хотя бы одного из участников реакции. Химические системы — это такие системы , в которых идет химическая реакция. Химической системой является, например, содержимое любой колбы, в которой происходит превращение веществ, автоклава, где осуществляется синтез сложного органического вещества или ректификационной колонны на нефтеперерабатывающем заводе. Превращения вещества, в результате которых изменяются структура или агрегатное состояние вещества, но химический состав его остается неизменным, называются фазовыми переходами. Например, фазовые превращения воды можно записать в виде следующих уравнений:. Превращения, при которых изменяется химический состав и структура соединений, называются химическими реакциями. Химические реакции можно разделить на следующие основные типы:. Реакции обмена идут до конца, если в результате реакции образуется нерастворимое вещество а , газ б или малодиссоциирующее соединение в. В противном случае реакция будет обратимой , то есть будет идти как в прямом, так и в обратном направлении, а в числе продуктов реакции будут находиться и исходные вещества, образовывающие при обратном обмене в ходе обратной реакции , например:. Химическая система, в которой прямая и обратная реакция протекают с одинаковой скоростью, является равновесной. По существу, все химические процессы являются обратимыми, хотя в некоторых в частности, в приведенных выше процессах а, б и в равновесие может быть сильно сдвинуто в сторону образования продуктов реакции. Изменяя условия, можно добиться сдвига равновесия в ту или иную сторону. Нерастворимые или малорастворимые , газообразные и малодиссоциирующие вещества всегда принято записывать в виде молекулярной, а не ионной формулы. Растворимые вещества в растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы катионы и анионы соответственно и их реакции можно записывать и в молекулярном, и в ионном виде. Кроме перечисленных выше основных типов реакций существуют и другие виды химических процессов, протекающих с изменением химического состава системы. Каковы значения главного квантового числа n для электронов этого атома? Напишите все квантовые числа для всех электронов атомов элементов с атомными номерами 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и неона. Сколько элементов было бы в Периодической системе, если бы все квантовые ячейки на 7 ближайших к ядру орбитах были заполнены? Какая электронная конфигурация соответствует хлорид-иону Cl - ; иону О 2- оксид-иону? Напишите формулы оксида индия, гидрида титана, нитрида бора, карбида кальция, гидроксида рубидия и селеновой кислоты. Что образуется при взаимодействии оксида серы IV с избытком раствора NaOH: Сколько при этом образуется. Какие из приведенных ниже реакций осуществимы в водном растворе? Определите молярную массу следующих веществ: Растворами называются гомогенные системы переменного состава. Компонент, содержание которого в растворе больше содержания других компонентов, называется растворителем. Остальные компоненты раствора называются растворенными веществами. Растворитель, в отличие от растворенного вещества, при образовании раствора сохраняет свое агрегатное состояние. В газовом растворе частицы слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому газовые растворы можно считать физической смесью компонентов. При невысоких давлениях газы смешиваются друг с другом в любых соотношениях, а при повышении давления растет растворимость в газах жидких и твердых веществ. Например, в пар высокого давления из жидкого раствора переходят соли, оксиды кремния и другие вещества. Твердые растворы — это сложные системы, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решетке. Все кристаллические твердые тела способны образовывать твердые растворы; пределы растворимости растворяющегося компонента обычно узкие, хотя имеются системы с полной взаимной растворимостью, например, Cu-Ag, Ag- Au. К жидким растворам относятся растворы газов, жидкостей и твердых веществ в жидких растворителях. Различают водные и неводные растворы. Однородность растворов, отличающая их от механических смесей, в то же время делает их похожими на химические соединения. При растворении некоторых веществ выделяется или поглощается теплота, что свидетельствует о химическом взаимодействии между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Однако растворы отличаются от химических соединений тем, что их состав может меняться в широких пределах и что в растворе можно обнаружить свойства его отдельных компонентов. При растворении многих веществ их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами или, в случае водных растворов, гидратами. Гидраты, как правило, неустойчивы и при выпаривании раствора разлагаются. Однако, некоторые гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав молекулы вещества. Такие вещества называются кристаллогидратами , а содержащаяся в них вода — кристаллизационной. Растворение кристалла в жидкости происходит за счет собственного колебательного движения молекул растворяемого вещества, а с другой стороны, вследствие силы притяжения молекул растворителя. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность кристалла, вновь притягиваются к нему и опять входят в состав кристалла. В некоторый момент скорость растворения становится равной скорости кристаллизации вещества. При этом устанавливается динамическое подвижное равновесие: Такой раствор называется насыщенным. Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости служит содержание вещества в его насыщенном растворе. Чаще всего растворимость выражают в граммах растворенного вещества на г растворителя при данной температуре. Эта величина называется коэффициентом растворимости. Если в г воды растворяется более 10 г вещества, последнее называется хорошо растворимым соединением; если менее 1 г — малорастворимым ; а если в раствор переходит менее 0,01 г вещества, его называют практически нерастворимым. При растворении твердого тела растворение прекращается, когда образуется насыщенный раствор, то есть когда между молекулами растворяемого вещества соли в кристалле и ионами его в растворе установится равновесие:. Константой равновесия [7] данного процесса называется соотношение:. Знаменатель дроби — концентрация твердой соли — представляет собой постоянную величину, которую можно ввести в константу равновесия и обозначить ПР. Таким образом, в насыщенном растворе электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная. Эта величина характеризует способность электролита растворяться и называется его произведением растворимости ПР. Численное значение ПР легко найти, зная растворимость электролита. Если электролит содержит два или несколько одинаковых ионов, их концентрации при вычислении ПР должны быть возведены в соответствующую степень. В общем случае, когда. Где Р — растворимость, ПР — произведение растворимости, а m и n — количество катионов и анионов в молекуле соли соответственно. Чем меньше растворима соль, тем меньшее значение имеет ее произведение растворимости. В тот момент, когда произведение концентраций ионов данного трудно растворимого соединения достигает величины его произведения растворимости при данной температуре, раствор становится насыщенным, и при дальнейшем увеличении концентрации ионов происходит выпадение осадка, то есть:. Чем меньше значение ПР, тем быстрее данное трудно растворимое вещество выпадает в осадок. Из двух малорастворимых соединений в первую очередь будет осаждаться то, ПР которого меньше. В большинстве случаев на практике используют ненасыщенные растворы; при этом растворы с относительно высоким содержанием растворенного вещества называют концентрированными , а с низким — разбавленными. Состав раствора содержание в нем растворенного вещества может выражаться различными способами, как при помощи безразмерных единиц долей или процентов , так и через размерные величины — концентрации. В химической практике применяют следующие способы выражения концентрации растворов:. Массовая доля, или процентная концентрация [8] — отношение обычно выраженное в процентах массы растворенного вещества к массе раствора. Молярная доля, или мольная доля — отношение количества молей растворенного вещества или растворителя к сумме молей всех составляющих раствор веществ. Определяем количество молей глюкозы n 2 и воды n Молярная концентрация вещества М , - это отношение количества молей растворенного вещества к объему раствора, выраженному в. Другими словами, молярная концентрация - это количество молей растворенного вещества в одном литре раствора. Моляльная концентрация, или моляльность m — это отношение количество молей растворенного вещества к массе растворителя. В отличие от молярности, моляльность не изменяется с изменением температуры. Другими словами, нормальность — это количество моль-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора. Употребление таких терминов, как моляльная концентрация, моляльность, нормальная концентрация и нормальность ИЮПАК не рекомендует. Так, растворы нормальной концентрации широко применяются в титримерическом анализе, где необходимо точно знать объемы растворов полностью прореагировавших веществ. Поскольку все вещества реагируют пропорционально их эквивалентам, то для растворов справедливо соотношение:. Зная объемы прореагировавших веществ и нормальную концентрацию одного из них, можно определить неизвестную концентрацию и содержание вещества в растворе. Титром раствора Т называется масса вещества в граммах, содержащаяся в 1 мл см 3 раствора. Титр связан с молярной концентрацией эквивалента соотношением. Многие растворы, особенно водные растворы солей, кислот и оснований отличаются от других растворов тем, что проводят электрический ток следовательно, содержат заряженные частицы , а также другими физическими свойствами например, более высоким осмотическим давлением, повышением температуры кипения и понижением температуры замерзания в большей степени, чем это отвечает их концентрации. Причиной указанных явлений является электролитическая диссоциация, имеющая место в растворах солей, оснований и кислот, которые вследствие этого называются электролитами. Теорию электролитической диссоциации разработали С. При растворении кристаллов с ионной структурой и полярных молекул поляризация ионов и молекул молекулами полярного растворителя воды в сочетании с непрерывным колебательным движением атомов приводит к распаду полярной молекулы на ионы. Так, например, при растворении в воде хлористого водорода образуется хлористоводородная кислота, а также имеет место следующий процесс: Аррениус отметил, что на ионы диссоциирует только часть молекул электролита, и ввел понятие степени диссоциации. Степенью диссоциации электролита называется отношение числа его молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул. Все электролиты можно разделить на сильные и слабые. Сильные электролиты в водных растворах диссоциируют практически нацело. Слабые электролиты диссоциируют только частично, в растворе устанавливается динамическое равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами. К сильным электролитам относятся почти все растворимые соли; из важнейших кислот и оснований к ним относятся HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 , HCl, HBr, HJ, NaOH, KOH, Ba OH 2 и Ca OH 2. К слабым электролитам относится большинство органических кислот, в том числе СН 3 ООН , а из важнейших неорганических соединений к ним принадлежат кислоты угольная H 2 CO 3 , сероводородная H 2 S, циановодородная HCN, кремниевая H 2 SiO 3 и гидроксид аммония NH 4 OH. Для слабых электролитов степень диссоциации выражают при помощи константы диссоциации. Константой диссоциации слабого электролита - например, уксусной кислоты, диссоциирующей по уравнению:. Где Кд — константа диссоциации, а в квадратных скобках приведены молярные концентрации ионов водорода, ацетат-аниона и уксусной кислоты. Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато. Например, диссоциация угольной кислоты происходит в две ступени: Величины К 1 , К 2 и К связаны соотношением: Таким же образом связаны константы ступенчатой диссоциации оснований. Тогда уравнение для константы диссоциации приобретает вид:. Это уравнение выражает закон разбавления Оствальда. При этом уравнение приобретает вид:. Из этого уравнения наглядно видно, что степень диссоциации возрастает при разбавлении раствора. Уравнение дает возможность вычислять степень диссоциации электролита при известной константе диссоциации. В растворах сильных электролитов молекулы почти полностью диссоциируют на ионы, поэтому количество ионов велико и расстояния между ними малы. При этом существенную роль играют силы притяжения между ионами, поскольку каждый ион окружен так называемой ионной атмосферой. Активность иона равна его концентрации С, умноженной на коэффициент активности f; то есть. В концентрированных растворах коэффициент активности обычно меньше единицы, а с разбавлением раствора приближается к этой величине. Природа ионов мало влияет на коэффициент активности. Можно считать, что коэффициент активности зависит только от заряда иона и ионной силы раствора. Ионной силой раствора называют полусумму произведений концентраций всех ионов в растворе на квадрат их заряда. Значения термодинамических констант диссоциации сильных кислот можно получить, заменяя концентрации ионов их активностями. Это дает возможность сравнивать, например, сильные кислоты. Так, для азотной, бромистоводородной, иодистоводородной, марганцевой, серной и соляной кислот термодинамические константы диссоциации соответственно равны 46,3; 10 9 ; 10 11 ; ; К 1 и 10 -2 К 2 ; 10 7. Используя физические свойства растворов, можно определить молекулярную массу растворенного вещества. Такими свойствами являются осмотическое давление раствора, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения раствора при растворении вещества. Если поместить в сосуд концентрированный раствор какого-либо вещества, например, сахара, а сверху осторожно налить менее концентрированный раствор его, то вначале молекулы сахара и воды будут распределены в объеме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы воды и сахара равномерно распределятся во всем объеме раствора вследствие диффузии молекул растворенного вещества концентрированного раствора в разбавленный, а молекул растворителя — из разбавленного раствора в концентрированный. Если между двумя растворами поместить полупроницаемую перегородку, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество не может, то выравнивание концентраций будет происходить только за счет перемещения молекул воды. Объем раствора будет при этом увеличиваться, а концентрация сахара в нем будет уменьшаться. Такая односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку называется осмосом. Давление, создаваемое при увеличении объема раствора до прекращения диффузии молекул растворителя через перегородку, называется осмотическим давлением раствора. Явление осмоса имеет место в природе. Оболочки клеток растений проницаемы для воды, но почти непроницаемы для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости; вода, проникая в клетки, создает в них избыточное давление, растягивая оболочки клеток и поддерживая их в напряженном состоянии. Осмос является причиной питания клеток и многих других явлений. В промышленности осмос используют для опреснения воды. Солевой раствор морскую воду отделяют полупроницаемой мембраной от пресной воды и подвергают более высокому давлению, чем осмотическое давление раствора это так называемый обратный осмос. В результате часть воды переходит в фазу пресной воды. Сконцентрированный солевой раствор заменяют свежими порциями подлежащей опреснению воды. В году голландский химик Я. Вант Гофф показал, что для разбавленных растворов неэлектролитов зависимость осмотического давления от концентрации и температуры выражается следующим законом Вант Гоффа:. Например, если осмотическое давление раствора, в мл которого содержится 3 г сахара при температуре 12 0 С, равно 83,14 кПа, то можно определить молекулярную массу сахара: Индивидуальные вещества характеризуются строго определенными значениями температуры при переходе из одного агрегатного состояния в другое температурой фазового перехода. Так, вода при атмосферном давлении ,3 кПа кипит при 0 С, а замерзает при 0 0 С. Присутствие растворенного вещества повышает температуру кипения раствора и понижает температуру его замерзания. В году французский химик Рауль установил закон, в соответствии с которым для разбавленных растворов неэлектролитов повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания определяются следующим соотношением:. Эбуллиоскопическая и криоскопическая константы зависят только от природы растворителя, но не зависят от природы растворенного вещества. Рассчитайте значение произведения растворимости этого соединения. Определите массу осадка, образующегося при смешении мл 0,1М раствора FeCl 3 и мл 0,2М раствора NaOH. Чему равна массовая доля фосфата калия в растворе, полученном при растворении 0,5 моля соли в мл воды? Определите ионную силу раствора хлорида кальция СаCl 2 и коэффициенты активности ионов кальция и хлора в водном растворе, содержащем 0, г соли в мл раствора. Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего в 1,4 л 63 г глюкозы C 6 H 12 O 6 при 0 0 С. Определите температуру кипения и замерзания раствора, содержащего 1 г нитробензола C 6 H 5 NO 2 в 10 г бензола. Эбуллиоскопическая и криоскопическая константы бензола соответственно равны 2,57 и 5,1 0 С. При растворении вещества в растворителе можно получить системы с частицами разного размера. Если вещества присутствуют в растворе в виде молекул атомов или ионов, то такие системы называются истинными растворами. Если же мы разобьем нерастворимое в воде вещество на мельчайшие, но не молекулярные или ионные частицы, то можем получить дисперсную систему с различными размерами частиц. Дисперсные системы не могут быть получены самопроизвольно. Для этого нужно совершить определенные действия, связанные с затратой энергии. Дисперсные частицы можно получить либо дроблением крупных частиц, либо объединением мелких частиц молекул, атомов или ионов в более крупные агрегаты. Первый метод называется диспергированием, а второй конденсацией. Для получения дисперсных систем первым способом используются шаровые мельницы — полые вращающиеся цилиндры, содержащие некоторое количество стальных или керамических шаров. При вращении цилиндра эти шары перекатываются, дробя и истирая измельчаемый материал. В шаровых мельницах получают порошки, цемент, густотертые краски и пр. Для более тонкого измельчения вещества используют так называемые коллоидные мельницы, а также ультразвуковые методы. К методам получения дисперсных систем методом конденсации относятся конденсация паров в газовой фазе; конденсация паров при пропускании их через холодную жидкость; замена растворителя; а также химические методы, когда дисперсные системы образуются при получении малорастворимых соединений в результате химических реакций, проведенных в определенных условиях, когда вместо осадка получается дисперсная система. Дисперсные системы являются гетерогенными системами. Они состоят из сплошной непрерывной фазы — дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц различного размера и формы — дисперсной фазы. Дисперсные системы классифицируют по дисперсности степенью дисперсности называется величина, обратная размеру частицы на грубодисперсные системы с размерами частиц от 1 до 10 -2 см и коллоидные растворы с размерами частиц от 10 -2 до 10 -7 см. Частицы грубодисперсных систем различимы в обычный микроскоп, задерживаются бумажным фильтром и расслаиваются при стоянии. Частицы коллоидных растворов проходят через бумажный фильтр, невидимы в обычный микроскоп и не изменяются при стоянии. Истинные растворы , о которых шла речь в предыдущей лекции, отличаются от дисперсных систем коллоидных растворов размерами частиц растворенного вещества. В растворах неэлектролитов частицы растворенного вещества являются молекулами; в растворах электролитов — ионами. Размеры этих частиц порядка 10 -8 см и менее. Часто трудно отличить коллоидные системы от истинных растворов только по таким внешним признакам, как прозрачность и однородность. Классификация систем по дисперсности не дает полного представления о свойствах систем, поэтому их дополнительно классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. К системам с жидкой дисперсионной средой относятся лиозоли , или коллоидные растворы металлов золота и серебра , взвеси, суспензии; эмульсии молоко, майонез, маргарин, эмульсолы ; пены. К системам с твердой дисперсной средой относятся твердые золи цветное стекло, сплавы, драгоценные камни ; твердые эмульсии, или гели, представляющие собой вкрапления капелек жидкости в твердое тело жемчуг, опал, алюмогель, силикагель ; твердые пены пемза, туф, пенобетон, пенопласт и др. К системам с газообразной дисперсной средой относятся пыль, дым, туман. Дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а размер частицы дисперсной фазы лежат в пределах от 10 -2 до 10 -7 см, называются золями, или коллоидными растворами. Коллоидные системы широко распространены в природе, а также играют значительную роль во многих производственных процессах. Структурной единицей коллоидной системы является мицелла см. Коллоидная частица состоит из ядра , которое образуют частицы малорастворимого вещества. Ядро адсорбирует из дисперсной среды ионы родственной ядру природы. Эти ионы называются зарядообразующими , или потенциалопределяющими , их химическая природа близка природе ядра коллоидной частицы. Ядро коллоидной частицы с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из дисперсионной среды ионы противоположного знака противоионы. В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов их называют связанными , которые образуют адсорбционный слой. Другая часть противоионов остается в дисперсионной среде, в жидкой фазе, образуя диффузный слой. Эти противоионы называются свободными. Противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции — десорбции. Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов является коллоидной частицей. Электрический заряд коллоидной частицы равен сумме зарядов потенциалопределяющих ионов и ионов адсорбционного слоя. Коллоидная частица ведет себя в растворе как единое целое. Эта частица вместе со свободными противоионами диффузного слоя, которые сообщают заряд дисперсионной среде, образуют мицеллу — структурную единицу коллоидного раствора. Суммарный заряд мицеллы в силу электронейтральности равен нулю. Например, если система получена методом конденсации при медленном вливании разбавленного раствора нитрата серебра в более концентрированный раствор йодида калия в соответствии со следующей реакцией обмена: Если же порядок смешения растворов сменить на противоположный, то в момент образования кристаллов йодистого серебра в растворе в избытке будут находиться ионы серебра, входящие в состав кристаллов. Следовательно, химический состав мицеллы зависит от многих факторов и записывается полуколичественно, что позволяет составить общее представление о свойствах коллоидной системы. В формуле указывают качественный химический состав ядра, состав коллоидной частицы с потенциалопределяющими ионами и адсорбционным слоем противоионов и состав диффузного слоя мицеллы. Например, положительно заряженный коллоидный раствор золь йодида серебра имеет мицеллу следующего состава: Отрицательно заряженный золь йодида серебра имеет мицеллу вида: При добавлении раствора сульфата алюминия к раствору хлорида бария можно получить золь сульфата бария нерастворимой соли с положительно заряженной коллоидной частицей, так как в растворе имеется избыток катионов бария. Строение такой мицеллы сульфата бария можно выразить схемой:. Коллоидные системы можно разделить на лиофобные и лиофильные. Лиофобные коллоидные системы необратимо взаимодействуют с дисперсионной средой, что приводит к их коагуляции. Такие системы очень чувствительны к коагулирующему воздействию электролитов. Лиофильные коллоидные системы нечувствительны к электролитам, так как дисперсная фаза таких систем обратимо взаимодействует с дисперсионной средой, что приводит к пептизации системы. К важнейшим свойствам коллоидных систем относится их опалесценция свечение, или эффект Тиндаля , вызванный дифракцией световых лучей на коллоидных частицах. Это свойство коллоидных растворов позволяет отличать их от истинных растворов. Если поместить дисперсную систему в электрическое поле, наблюдается явление, известное под названием электрофореза. Частицы дисперсной фазы глина и дисперсионной среды вода при наличии разности потенциалов движутся в противоположных направлениях. Электрофорезом называется перемещение в электрическом поле частиц дисперсной фазы; перемещение дисперсионной среды называется электроосмосом. Электрофорез используют для обезвоживания нефти, в производственных процессах воздушные электрофильтры, покрытия , в медицинской практике для введения в организм коллоидных лекарственных препаратов и т. Электроосмос используется при опреснении воды обратный осмос , при электроосушении и очистке лекарственных препаратов, для дубления кожи и пр. При объяснении свойств коллоидных систем необходимо учитывать наличие в них поверхности раздела фаз , на которых могут происходить различные явления. Снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ ПАВ - мыл или моющих средств, которые адсорбируются на поверхностях раздела и уменьшают свободную поверхностную энергию. Молекулы большинства ПАВ обладают дифильным строением, то есть содержат как полярную группу, так и неполярный углеводородный радикал. Расположение таких молекул в поверхностном слое энергетически наиболее выгодно при условии ориентации молекул гидрофильной полярной группой к полярной фазе полярной жидкости , а гидрофобной неполярной группой— к неполярной фазе газу или неполярной жидкости. Это явление называется флотацией и используется, например, для извлечения металлов из руд. При малой концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на поверхности раздела фаз образуется слой вертикально ориентированных молекул ПАВ. Образование такого мономолекулярного слоя соответствует минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному значению адсорбции ; при дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются. На границе раздела двух фаз может иметь место явление сорбции. Поглощаемое вещество называется адсорбатом , а поглощающее - адсорбентом. Десорбция — это процесс, обратный адсорбции, то есть отделение адсорбата от адсорбента. Адсорбированные частицы удерживаются адсорбентом некоторое время, которое зависит от природы адсорбента и адсорбата, температуры и давления. Со временем интенсивность адсорбции замедляется, а скорость процесса десорбции возрастает. При химической адсорбции хемосрбции молекула адсорбата образуют химическое соединение с адсорбентом. Физическая сорбция, в отличие от химической, обладает невысоким тепловым эффектом и обратимостью. Адсорбция сопровождается понижением свободной энергии поверхностного слоя адсорбента. Адсорбат должен обладать меньшим, чем адсорбент, поверхностным натяжением. Коллоидные системы потому и рассматриваются особо, отлично от обычных гетерогенных систем, что по внешнему виду они напоминают растворы. Частицы дисперсной фазы адсорбционного и диффузного слоя имеют одноименный заряд, вызывающий их взаимное отталкивание. Наличие электрического заряда у коллоидных частиц приводит к гидратации, так как полярные молекулы воды вступают во взаимодействие с коллоидными частицами. Ядра коллоидных частиц многих золей имеют собственную гидратную оболочку. Такие золи называются гидрофильными. Золи, ядра коллоидных частиц которых не взаимодействуют с водой, называются гидрофобными. Гидратная оболочка снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и приводит к разобщению частиц в коллоидном растворе. Это явление называется коллоидной устойчивостью. Коллоидная устойчивость определяет способность коллоидных систем сохранять такие свойства как окраска, прозрачность, однородность. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а связываются друг с другом, образуя ячейки, внутри которых сохраняется водная среда. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид. Примером такого геля является желатин. Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд и защитную гидратную оболочку. Коллоидные частицы в этом случае укрупняются, слипаются. Процесс укрупнения частиц, потеря агрегативной устойчивости золя называется его коагуляцией. Процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией. Коагуляция золя приводит к потере его кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Этот процесс называется седиментацией. Одним из методов разрушения коллоидной системы — введение в нее твердого электролита или его концентрированного раствора. Ионы электролита проникают внутрь коллоидной частицы, снижая ее заряд. Это приводит к коагуляции и седиментации коллоидного раствора. Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. Например, коагуляцию золя сульфата бария с положительно заряженной коллоидной частицей могут вызвать отрицательно заряженные анионы добавленного к золю электролита, а коагуляцию золя того же малорастворимого соединения , но с отрицательно заряженной коллоидной частицей, вызовут положительно заряженные катионы. По правилу Шульце-Гарди , коагулирующая способность иона определяется его зарядом: Так, например, в ряду анионов SO 4 2- , PO 4 3- и Cl - наилучшим коагулирующим действием для золя йодида серебра с положительно заряженной коллоидной частицей будет обладать фосфат-анион PO 4 3 , обладающий наибольшим отрицательным зарядом. Минимальное количество электролита, прибавленного к золю, которое может вызвать его коагуляцию, называется порогом коагуляции электролита. NV 1 3. Значение порогов коагуляции электролитов с одно-, двух- и трехзарядными ионами относятся как числа Коагуляция золя может быть вызвана его взаимодействием с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа. В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами — коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является адсорбция потенциалообразующего иона одной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы. Какой ион является потенциалопределяющим для золя гидроксида железа Fe ОН 3 , образующегося при гидролизе реакции с водой хлорида железа FeCl 3? Золь кремниевой кислоты H 2 SiO 3 был получен при взаимодействии растворов K 2 SiO 3 и HCl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если в процессе электрофореза противоионы движутся в электрическом поле к катоду. При пропускании избытка сероводорода в раствор соли мышьяка III AsCl 3 получили золь сульфида мышьяка. Как изменяется величина поверхностного натяжения при растворении в воде поверхностно-активного вещества? Как расположатся пороги коагуляции в ряду электролитов CrCl 3 , Ba NO 3 2 , K 2 SO 4 для золя кремниевой кислоты, частицы которого заряжены отрицательно? В каждую из трех колбу налито по 0,01 л золя хлорида серебра. Для коагуляции в 1-ю колбу добавлено 0,л 0,1н раствора нитрата натрия, во 2-ю — 0,л 0,01н раствора нитрата кальция, а в 3-ю — 0,л 0,н раствора нитрата алюминия. Вычислите пороги коагуляции электролитов, определите знак заряда золя. В электрохимических системах происходят процессы взаимного превращения химической и электрической энергии, которые называются электрохимическими процессами. Электрохимические процессы можно разделить на две группы: Гальванический элемент- это электрохимическая система, состоящая из двух электродов и одного или нескольких растворов электролитов, в которой происходит превращение химической энергии в электрическую Простейшая такая система — это два электрода, каждый из которых опущен в раствор собственной соли. Рассмотрим процессы, протекающие при погружении металла в раствор его соли. Металлы имеют кристаллическое строение. Ионы в узлах кристаллической решетки металла находятся в равновесии со свободными электронами. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Наиболее важным является взаимодействие поверхностных ионов металла с полярными молекулами воды, смещающее равновесие. В результате ионы металла переходят в раствор:. При этом металл становится заряженным отрицательно, а раствор положительно. На границе металл-раствор возникает двойной электрический слой. Между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом, или потенциалом электрода. Наряду с реакцией 4. При некотором значении электродного потенциала скорость прямого процесса будет равна скорости обратного процесса; устанавливается новое равновесие, а потенциал, соответствующий условиям равновесия, называется равновесным электродным потенциалом. Рассмотрим систему, которая состоит из медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди, и цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка. На поверхности цинковой пластинки возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесный электродный потенциал в результате процесса:. Электродные потенциалы цинка и меди различны по величине, поэтому если соединить медную и цинковую пластинки проводником, а растворы — солевым мостиком, то электроны будут переходить от цинка к меди. Равновесие на цинковом электроде сместится влево, и в раствор будет переходить больше ионов цинка цинк будет растворяться , а на медном электроде равновесие сместится влево, и ионы меди из раствора будут разряжаться получать электроны на медной пластине медь будет осаждаться. Эти процессы будут продолжаться до тех пор, пока не растворится весь цинк, или не высадится на медном электроде вся медь. Рассмотренная схема называется гальваническим элементом Даниэля-Якоби , при работе которого протекают следующие процессы:. Процессы окисления в электрохимии называются анодными процессами, а электроды, на которых идут процессы окисления, называются анодами. Процессы восстановления в электрохимии называются катодными процессами, а электроды, на которых идут процессы восстановления , называются катодами. При схематической записи гальванического элемента границу раздела между проводником первого рода металлом и проводником второго рода раствором обозначают одной чертой, а между проводниками второго рода — двумя чертами. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби имеет вид:. С помощью гальванического элемента можно совершить электрическую работу за счет энергии химической реакции. Электрическая работа равна произведению разности потенциалов на количество электричества. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой ЭДС элемента Е. Абсолютные значения электродных потенциалов экспериментально определить невозможно. Однако можно определить разность электродных потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого условно принимают равным нулю. В настоящее время равным нулю считается потенциал стандартного водородного электрода. Платина непосредственно в реакции не участвует. Водород адсорбируется поглощается на платине, взаимодействует с молекулами воды и переходит в раствор в виде ионов, оставляя на платине электроны. При этом платина заряжается отрицательно, а раствор положительно, то есть возникает электродный потенциал. Фактическая величина его неизвестна, и ее условно принимают равной нулю. Равновесие на водородном электроде можно представить реакцией: Для определения потенциалов электродов собирают гальванический элемент, состоящий из водородного электрода и измеряемого электродов. Металл, потенциал которого измеряется, может служить по отношению к водородному электроду либо катодом, либо анодом. Тогда, в соответствии с 4. Измерение потенциала металлического электрода слева по водородному электроду справа. Схема гальванического элемента для измерения потенциала, к примеру, цинкового электрода имеет вид:. Если измерить потенциал меди, то она, как менее активный металл, будет катодом. Практически при измерениях потенциалов пользуются не водородным электродом, а более удобными в обращении электродами, потенциалы которых по отношению к водородному электроду известны. Такая концентрация называется стандартной. Потенциал электрода, когда концентрации ионов в растворе отличны от стандартной, определяется по уравнению Нернста:. Если составить гальванический элемент из одинаковых электродов, то ЭДС такого элемента будет определяться разностью активностей концентраций ионов металла в растворах электролитов. Такие гальванические элементы называются концентрационными. Найти ЭДС гальванического элемента, составленного по следующей схеме: Стандартные электродные потенциалы указывают на меру восстановительной способности атомов металла, а также на меру окислительной способности его ионов. Чем более отрицательное значение имеет потенциал металла, тем более сильной восстановительной способностью обладает металл. Чем больше разность потенциалов металлов в ряду стандартных электродных потенциалов, тем большую ЭДС в гальванических элементах они могли бы дать. Более активный металл служит в гальваническом элементе анодом. В электрохимических системах критерием возможности самопроизвольного протекания электрохимической реакции является отрицательное значение изменения энергии Гиббса G см. Если внешние условия отличаются от стандартных, потенциал электрода меняется и отличается от стандартного. Это явление называется поляризацией электрода. Концентрационной поляризацией называется изменение потенциала электрода вследствие изменения концентраций реагентов в приэлектродном слое при прохождении тока. Концентрационная поляризация определяется по уравнению Нернста в следующем виде:. Перенапряжением называют повышение потенциала разрядки ионов по сравнению со значением стандартного потенциала в равновесных условиях вследствие замедленности собственно электрохимических стадий реакции. Значения перенапряжения для выделения водорода и кислорода на некоторых металлах приводятся в соответствующих таблицах. Как изменится ЭДС при работе гальванического элемента со схемой: Чему равна концентрационная поляризация анода? Концентрационную поляризацию анода алюминиевого. Конечная ЭДС ГА равна: Число реакций, используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякий гальванический элемент обладает ценными техническими свойствами высокая и постоянная ЭДС, возможность отбирания больших токов, длительность работы и сохранность и относительной дешевизной. Почти во всех выпускаемых в настоящее время гальванических элементах анод изготавливается из цинка, а в качестве катода используют оксиды менее активных металлов. Химические источники электрической энергии применяются в различных областях промышленности. Однако существующие в настоящее время гальванические элементы довольно дороги. Так, стоимость электроэнергии, вырабатываемой обычной батарейкой для карманного фонарика почти в раз выше стоимости электроэнергии, поставляемой промышленными электростанциями. Однако, гальванические элементы незаменимы, когда существует необходимость в портативных источниках электроэнергии. Все химические источники тока делятся на необратимые гальванические элементы и обратимые аккумуляторы. Первые используются однократно, вторые предназначены для многократного использования. Примером химического источника тока первой группы может служить гальванический элемент Даниэля-Якоби. В качестве примера обратимого источника тока рассмотрим действие свинцового аккумулятора. Электроды аккумулятора состоят из свинцовых ячеек, заполненных пастой из оксида свинца. При погружении электродов в кислоту на поверхности пластин образуется малорастворимый сульфат свинца. При зарядке аккумулятора происходят следующие процессы:. Самым современным и дешевым является топливный гальванический элемент. Топливным называется гальванический элемент, в котором электрохимически активными веществами служат традиционное топливо и кислород, а генерирование электрической энергии происходит за счет окисления топлива. Топливный элемент обладает высоким КПД. Полые электроды топливного элемента изготовлены из пористого угля, пропитанного катализатором. В полость катода поступает топливо в идеале водород , а в полость анода поступает кислород. Во время работы элемента топливо проникает через поры катода на его наружную поверхность, где окисляется по схеме:. Одновременно с этим кислород проникает через поры анода на его наружную поверхность, где восстанавливается по схеме: Если в топливном элементе используется не водород, а другое топливо, то реакции на электродах будут иные. Топливные элементы компактнее других гальванических элементов, поэтому их успешно используют на космических кораблях, подводных лодках и т. В последнее время ведутся исследования, направленные на изготовление неприхотливых гальванических элементов, работающих на нефтяном топливе и даже каменном угле. Большой интерес представляет собой возможность хранения водорода в связанном состоянии в виде легко разлагающихся гидридов металлов лития, титана и др. Электролизом называют совокупность процессов, имеющих место при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита. Простейшим электрохимическим процессом такого рода является электролиз расплавов. Рассмотрим, например, электролиз расплава хлористого магния. При прохождении через расплав тока катиона магния под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду. Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются по схеме: Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава хлористого магния: Эта реакция не может протекать самопроизвольно, энергия, необходимая для ее осуществления, поступает от внешнего источника постоянного тока. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом; электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом. Однако, в отличие от гальванического элемента, при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод — положительно, то есть распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеет место при работе гальванического элемента. Следовательно, на отрицательном электроде катоде происходит катодное восстановление ионов магния до металлического магния, а на положительном электроде аноде идет анодное окисление ионов хлора до газообразного хлора. В электрическом поле ионы водорода перемещаются к катоду, а ионы гидроксила к аноду. Таким образом, у катода могут разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода. Аналогично, у анода может происходить разряд как анионов электролита, так и анионов гидроксила. Молекулы воды могут также подвергаться электрохимическому восстановлению или окислению. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Рассматривая катодные процессы, необходимо учитывать потенциал восстановления ионов водорода. Поэтому, если катионом электролита является металл, электродный потенциал которого значительно положительнее, чем —0,41в , то будет происходить восстановление иона металла. Такие металлы находятся после олова включительно. Наоборот, если катионом является металл, имеющий потенциал значительно более отрицательный, чем —0,41в, то металл восстанавливаться не будет, а будет происходить выделение водорода по схеме: К таким металлам относятся металлы начала ряда напряжений, приблизительно до титана. Наконец, если потенциал металла близок к значению 0,41в это металлы средней части ряда напряжений — цинк, хром, железо, кадмий, никель , то в зависимости от условий электролиза возможно как восстановление металла, так и выделение водорода; нередко наблюдается одновременно и то, и другое. Кислородсодержащие анионы разряжаются труднее, чем анион гидроксила. Поэтому на аноде будет происходить окисление ионов гидроксила по схеме:. При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей у анода разряжаются их анионы кроме плавиковой кислоты и фторидов. Например, при электролизе водного раствора хлористого натрия на катоде выделяется водород, а на аноде хлор:. При электролизе раствора сернокислой меди на катоде происходит выделение меди, а на аноде выделение кислорода:. В данном случае фактически происходит электролитическое разложение воды, а сернокислый натрий просто увеличивает электропроводность раствора. Равновесие в процессах электролиза смещается вправо, поскольку в систему поступают электроны в виде постоянного тока. Характер катодного процесса, как мы уже видели, определяется, прежде всего, положением соответствующего металла в ряду напряжений. При рассмотрении анодных процессов следует учитывать, из какого материала изготовлен анод. Различают электролиз с инертным анодом и электролиз с активным анодом. Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза. В качестве материала для инертных анодов чаще всего применяют графит, уголь или платину. Активный анод окисляется в процессе электролиза. В случае активного анода число конкурирующих анодных процессов возрастает до трех, а именно:. Электрохимическое окисление металла анода так называемое анодное растворение металла. Из всех этих возможных процессов будет идти тот, который энергетически наиболее выгоден. Если потенциал металла анода располагается в ряду стандартных потенциалов раньше обеих других электрохимических систем, то будет наблюдаться анодное растворение металла. В противном случае будет происходить выделение кислорода или разряд аниона. Рассмотрим, например, электролиз раствора никеля с никелевым электродом. На катоде происходит, в основном, разряд ионов никеля и выделение металла, так как потенциал никеля - 0, в значительно больше —0,41в. Таким образом, в данном случае электролиз сводится к растворению металла анода и выделению его на катоде. Этот процесс называется электролитическим рафинированием и применяется для электролитической очистки никеля и других металлов. Законы электролиза были установлены выдающимся английским физиком М. Фарадеем в х годах девятнадцатого века. Первый закон Фарадея гласит: Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества. Этот закон вытекает из сущности электролиза. В месте соприкосновения металла с раствором происходит взаимодействие ионов или молекул раствора с электронами металла, так что электролитическое образование вещества является результатом этого процесса. Поэтому количество образовавшегося вещества всегда будет пропорционально числу прошедших по цепи электронов, или количеству электричества. По второму закону Фарадея, при электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств веществ. Например, при электролизе хлорида меди II каждый ион меди получает от катода два электрона, и в то же время два хлоридиона отдают аноду два электрона, превращаясь в атомы хлора. Следовательно, число выделившихся атомов меди всегда будет вдвое меньше количества выделившихся атомов хлора, то есть массы меди и хлора будут относиться друг к другу как их эквивалентные массы. Измерениями установлено, что для превращения одного эквивалента вещества необходимо количество электричества, равное округленно кулонам, или амперам в секунду. Эту величину называют числом Фарадея и обозначают буквой F. Оба закона Фарадея объединяются в один соотношением:. Во многих случаях на практике вследствие побочных процессов выделенная на электродах масса вещества M фактическая всегда меньше, чем рассчитанная по закону Фарадея M теоретическая. Для характеристики истинного количества вещества, выделяющегося на электродах, введено понятие выхода по току Вт, которое рассчитывают по соотношению:. Электролиз широко применяется в производственной и научной практике. Посредством электролиза водных растворов солей получают и очищают многие металлы. Электролитическое выделение металлов из руд называется электроэкстракцией , а очистка металлов от примесей при помощи электролиза называется электрорафинированием. Такое производство тяжелых и цветных металлов получило общее название гидрометаллургии. Методом электроэкстракции получают, главным образом, цинк, медь и кадмий. Электролитическому рафинированию подвергают мель, никель, свинец, олово, серебро, золото. Электролизом расплавов в промышленности получают алюминий, магний, натрий, литий, кальций, титан и другие металлы, потенциалы выделения которых из водных растворов солей более отрицательны, чем потенциал водорода. При электролизе водных растворов щелочных металлов выделяют хлор, водород, а также получают каустическую соду едкий натр. В результате электролиза водных растворов щелочей получают водород и кислород высокой чистоты. На электролизе водных растворов солей основано также электроосаждение — выделение металла на катоде в виде плотного или порошкообразного осадка. Процессы гальваностегии представляют собой нанесение путем электролиза на поверхность металлических изделий слоев других металлов для защиты их от коррозии, придания им твердости или в декоративных целях. Это так называемые гальванические покрытия. При нанесении гальванопокрытий катодом служит обрабатываемое изделие, а анодом — или металл покрытия, или нерастворимый электрод. На катоде происходит выделение металла покрытия. Важнейшими гальванотехническими процессами являются хромирование, цинкование и никелирование. Гальванопластикой называют процессы получения точных металлических копий с рельефных предметов электроосаждением металла. Путем гальванопластики изготовляют матрицы для изготовления различных пластмассовых изделий например, пуговиц , матрицы для тиснения кожи и бумаги, типографские клише, радиотехнические схемы. К гальванотехнике относится также оксидирование, или анодирование — покрытие поверхности металлического изделия слоем его оксида путем анодного окисления металла. Путем электросинтеза получают пероксид водорода, перманганат калия, хроматы, хлораты и гипохлориты, а также некоторые органические вещества, например, анилин из нитробензола. Велико значение электролиза и в лабораторной практике. В основе таких методов анализа, как электровесовой, вольамперометрический и кулонометрический лежит процесс электролиза. Коррозией называется разрушение металлов в результате их физико-химического взаимодействия с окружающей средой. При этом металлы окисляются и образуются продукты коррозии, состав которых зависит от условий коррозии. Коррозия приводит к большим потерям металлов в результате разрушения трубопроводов, цистерн, металлических частей машин, корпусов судов, морских сооружений и пр. По ориентировочным подсчетам, мировая потеря металла от коррозии выражается величиной 20 миллионов тонн в год. Однако, затраты на ремонт или на замену деталей судов, автомобилей, аппаратуры химических производств, приборов во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены. Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. По условиям протекания коррозионного процесса различают: Газовая коррозия протекает по схеме: Коррозию в неэлектролитах, содержащих серу, можно выразить схемой: Электрохимическая коррозия может протекать: Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода, или коррозией с кислородной деполяризацией. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с водородной деполяризацией. Потенциал, отвечающий электродному процессу 1 , равен в нейтральной среде 0,8 в. Следовательно, растворенный в воде или нейтральных растворах кислород будет окислять те металлы, потенциал которых меньше, чем 0,8 в. Эти металлы расположены в ряду напряжений, начиная от его начала, до серебра. Потенциал электродного процесса 2 в нейтральной среде равен — 0,41в. Следовательно, ионы водорода в нейтральных водных растворах могут окислить только те металлы, потенциал которых меньше, чем 0,41в. Это металлы от начала ряда напряжений до кадмия. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то коррозии подвергается покрывается ржавчиной та его часть, которая находится внутри дерева. Это объясняется тем, что влага древесины содержит растворенный кислород, то есть, происходит коррозия железа по схеме:. Продуктами коррозии являются вода и оксид железа II , который в присутствии кислорода окисляется до оксида трехвалентного железа Fe 2 O 3. Кадмий и металлы, близкие к нему в ряду напряжений, имеют на своей поверхности защитную оксидную пленку, которая препятствует взаимодействию этих металлов с водой. Поэтому количество металлов, которые может окислить водород в нейтральной среде, еще меньше. При использовании металлических материалов очень важным является вопрос о скорости их коррозии. Кроме природы металла и окислителя и содержания последнего, на скорость коррозии могут влиять различные примеси, содержащиеся как в самом металле, так и в коррозионной среде: Могут иметь место различные случаи электрохимической коррозии. Атмосферная коррозия — это коррозия во влажном воздухе при обычных температурах. Поверхность металла, находящегося во влажном воздухе, бывает покрыта пленкой воды, содержащей различные газы и, в первую очередь, кислород. Скорость атмосферной коррозии зависит от многих факторов. В частности, на нее влияет влажность воздуха и содержание в нем газов, образующих с водою кислоты например, СО 2 или SО 2. Большое значение имеет также состояние поверхности металла: Коррозия в грунте почвенная коррозия приводит к разрушению проложенных под землей трубопроводов, оболочек кабелей, деталей строительных сооружений. Металл в этих условиях соприкасается с влагой грунта, содержащей растворенный кислород. В зависимости от состава грунтовых вод, а также минералогического состава грунта, скорость этого вида коррозии может быть различной. Контактная коррозия протекает, когда два металла в различными потенциалами соприкасаются друг с другом либо во влажной среде, либо при наличии влаги, конденсирующейся из воздуха. Если изделие состоит из различных металлов, то при наличии контакта между ними в присутствии растворителя изделие становится подобным работающему гальваническому элементу. Электрохимическая коррозия включает процессы анодного растворения металла и катодного восстановления окислителя. При этом металл, обладающий более отрицательным электродным потенциалом более активный металл , окисляется разрушается так, словно он является анодом работающего гальванического элемента. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет окисляться, если эта пара металлов попадет в кислую среду? Составьте схему образующегося при этом гальванического элемента. Основным отличием процессов контактной электрохимической коррозии от процессов, происходящих в гальваническом элементе, является отсутствие внешней электрической цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят за пределы коррозирующего металла, а двигаются внутри него. Химическая энергия преобразуется в данном случае не в электрохимическую энергию, а в тепловую. При этом металл, обладающий меньшим электродным потенциалом более активный металл , окисляется разрушается так, словно он является анодом работающего гальванического элемента. На поверхности металла могут быть участки, на которых катодные процессы протекают быстрее катализируются. Такие участки называют катодными. На других участках будет происходить анодное растворение металла, поэтому они называются анодными участками. Катодные и анодные участки имеют очень малые размеры, однако, они чередуются и образуют коррозионные микроэлементы. Таким образом, при наличии неоднородности поверхности металла коррозионный процесс заключается в работе огромного числа коррозионных микроэлементов. Если металл включения имеет больший потенциал, чем основной металл, то последний становится анодом в образующемся гальваническом микроэлементе и скорость его коррозии возрастает. Так, например, алюминий, содержащий включения железа или меди, коррозирует значительно быстрее, чем алюминий высокой чистоты. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот вследствие того, что ее потенциал положительнее потенциала водорода. Однако если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой пластинкой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Это происходит потому, что образуется гальваническая пара, в которой более активный металл цинк служит анодом. На аноде происходит окисление цинка по схеме: На меди, ставшей катодом, происходит восстановление водорода: При нарушении целостности медного покрытия на алюминии имеет место коррозия вследствие образования коррозионного гальванического элемента:. За 45 секунд работы этой гальванопары выделилось 0, г водорода. Какая масса алюминия растворилась за это время и какую силу тока даст эта гальванопара? Массу растворившегося за это время алюминия находим также по закону Фарадея 4. Соотношение между потенциалами контактирующих металлов зависит не только от природы металлов, но и от природы растворенных в воде веществ и температуры. Так, в случае контакта железа с цинком последний интенсивно коррозирует при комнатной температуре, но в горячей воде полярность металлов изменяется, и коррозировать начинает железо. Для защиты от коррозии и предупреждения ее применяются различные методы. К важнейшим из них относятся следующие методы:. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию основного металла и повышение его устойчивости к коррозии. В качестве таких легирующих компонентов применяют хром, никель, вольфрам и другие металлы. Легирование металлов — эффективный, хотя и дорогой способ защиты от коррозии. Слои различных материалов, создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений для защиты от коррозии называются защитными покрытиями. Материалами для защитных покрытий могут быть как чистые металлы цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, хром, серебро, так и их сплавы бронза, латунь и др. Защитные покрытия делятся на катодные и анодные покрытия. К катодным покрытиям относятся такие металлические покрытия, потенциалы которых имеют более положительное значение , чем потенциал основного металла. Примерами катодного покрытия на стальных изделиях являются медь, серебро, никель. При повреждении покрытия или при наличии в нем пор возникает коррозионный элемент, в котором основной материал служит анодом и растворяется коррозирует , а материал — катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Таким образом, катодные покрытия могут защищать основной металл от коррозии лишь при отсутствии на нем повреждений или пор. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия может служить цинковое покрытие на стальных изделиях. При повреждении покрытия анодом будет служить металл покрытия, а основной металл, в качестве катода, разрушению подвергаться не будет. Потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому, например, покрытие стали оловом лужение в растворе серной кислоты является катодным, а в растворе органических кислот — анодным. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие — катодное или анодное? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случае? Кадмий потенциал —0,в менее активный металл, чем железо, потенциал —0,в и в случае образование коррозионного элемента будет служить катодом, поэтому данное покрытие является катодным. При коррозии происходит анодное растворение железа: Катодным процессом в случае атмосферной коррозии во влажном воздухе будет восстановление кислорода:. Продуктами коррозии в данном случае являются гидроксид железа. В кислой среде происходит катодное восстановление ионов водорода:. Этот метод защиты от коррозии основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионных процессов. К защищаемой конструкции присоединяют металл с более отрицательным электродным потенциалом, чем потенциал металла конструкции. Этот металл называется протектором , а защита от коррозии — протекторной защитой. При хорошем контакте защищаемый металл например, железо и металл протектора например, цинк оказывают друг на друга поляризующее действие в соответствии с их положением в ряду активности металлов. Железо поляризуется катодно, а цинк — анодно. В результате на железе идет процесс окисления того окислителя, который вызывает коррозию это обычно растворенный в воде кислород , а цинк окисляется. Протекторы широко применяются для защиты морских судов. Ясно, что убытки, связанные с ремонтом громадного судна вследствие коррозии его конструкций во много раз превысили бы стоимость протекторов. Используется также катодная или анодная поляризация за счет приложенного извне тока. Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемое изделие присоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока и становится вследствие этого катодом. Анодом обычно служит стальной вспомогательный электрод, который растворяется. Анодную защиту применяют к металлам, способным легко пассивироваться образовывать оксидную пленку при смещении их потенциала в положительную сторону. Анодную защиту применяют, например, для предотвращения коррозии нержавеющих сталей в серной кислоте. Для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию в ней компонентов, опасных в коррозионном отношении. В нейтральных средах, например, коррозия протекает обычно с поглощением кислорода. Кислород удаляют кипячением или вытеснением его из раствора при помощи инертного газа барботаж инертным газом или восстанавливают соответствующими реагентами сульфиты, гидразин. Агрессивность кислых сред можно снизить подщелачиванием нейтрализацией. Для защиты от коррозии широко применяют вещества, при добавлении которых в соответствующую среду значительно уменьшается скорость коррозии. Такие вещества называются ингибиторами коррозии. По составу ингибиторы делятся на органические и неорганические. Так как активность ингибиторов зависит от рН среды, их также делят на кислотные, щелочные и нейтральные. По механизму действия ингибиторы можно разделить на анодные, катодные и экранирующие. Анодные замедлители, например, нитрит натрия или дихромат калия, тормозят анодные процессы. Катодные замедлители снижают скорость коррозионного процесса за счет снижения интенсивности катодного процесса. К ним относятся такие органические вещества, как диэтиламин, уротропин, формальдегид и пр. Экранирующие ингибиторы амины с небольшой молекулярной массой с добавлением группы -NO 3 или -СО 3 адсорбируются на поверхности металла, предохраняя его от контакта с агрессивными средами, вызывающими коррозию металла. Определите значение электродного потенциала меди, погруженной в раствор азотнокислой меди Cu NO 3 2 концентрацией 0,М. Составьте схему работы гальванического элемента, образованного железом и свинцом, погруженными в 0,М растворы их солей. Рассчитайте ЭДС этого элемента и изменение величины энергии Гиббса. Составьте уравнения катодного и анодного процессов, протекающих при электролизе водного раствора бромида меди CuBr 2. Через раствор нитрата никеля в течение 2,45 часа пропускали ток силой 3,5А. Определите, на сколько граммов за это время уменьшилась масса никелевого анода. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения катодного и анодного процессов. Какое это покрытие — анодное или катодное? Какой металл будет коррозировать при нарушении покрытия в кислой среде? Составьте уравнения катодного и анодного процессов. То, что при кипячении раствора крахмала происходит его медленное превращение в сахар, было известно давно. Но в начале прошлого века русский химик К. Кирхгоф обнаружил, что реакция заканчивается практически мгновенно, если в раствор добавить серную кислоту. Дэви открыл свойство платины многократно ускорять процесс окисления метана. Самым удивительным было то, что ни серная кислота, ни платина не изменялись в ходе реакции. Дэви и Кирхгоф открыли явление катализа, хотя сущность этого удивительного явления была понята много позже. Наиболее точное определение катализа принадлежит академику Г. Вступающий в реакцию реагент называют субстратом. Катализатором называют вещество, ускоряющее реакцию. Ингибитором называют вещество, замедляющее реакцию. Селективностью катализатора называют его свойство ускорять преимущественно одну из нескольких реакций. Промоторами называют вещества, увеличивающие эффективность катализатора. Каталитическим ядом называется примесь, снижающая эффективность катализатора. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу газ или раствор. В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы. Примером гомогенного катализа является каталитическое разложение пероксида водорода на воду и кислород в присутствии дихроматов, молибдатов или вольфраматов. Константа скорости реакции в этом случае определяется как. Гетерогенные каталитические системы применяют, например, при окислении диоксида серы до триоксида при производстве серной кислоты, при синтезе аммиака или его окислении при производстве азотной кислоты. При гетерогенном катализе определяющим фактором является время контакта:. Для реакций, которые катализируются по механизму гетерогенного катализа, в году было выведено кинетическое уравнение Михаэлиса-Ментен для стационарной скорости реакции:. Механизм каталитического процесса настолько сложен, что до сих пор не удалось создать общую теорию, объясняющую ускоряющее действие катализаторов. Большинство гомогенных каталитических процессов можно удовлетворительно объяснить при помощи теории промежуточных соединений. Первое теоретическое объяснение было предложено Оствальдом в гг. Основное положение этой теории состоит в том, что в течение реакции образуются неустойчивые промежуточные соединения катализатора с реагирующими веществами, которые затем распадаются с образованием продуктов реакции, а катализатор регенерируется. При реакции между веществами А и В с участием катализатора К на первом этапе образуется промежуточное соединение А с катализатором К, которое затем реагирует с В с выделением катализатора в свободном виде:. Строго говоря, добавление катализатора не ускоряет протекание реакции, а открывает иной по механизму, более быстрый путь протекания реакции. А катализатор, как опытный проводник, ведет группу другим путем, через несколько более пологих перевалов. Этот путь длиннее, но скорость такого перехода, не требующего штурмовых усилий, оказывается гораздо выше. Как видно из Рис. Существуют также автокаталитические процессы , скорость которых по мере расхода реагентов не уменьшается, а возрастает. Образующаяся при реакции уксусная кислота является катализатором прямой реакции. Тут нет противоречия с законом действующих масс, поскольку механизм этого явления таков, что промежуточные продукты или продукты реакции оказывают каталитическое влияние на процесс. Эти процессы носят название процессов с положительной обратной связью. Известны процессы и с отрицательной обратной связью. Если продукт реакции является ее ингибитором замедлителем , то скорость реакции будет уменьшаться быстрее, чем уменьшаются концентрации реагентов. Механизмы протекания реакций могут быть разными, однако одно остается неизменным — это обязательное образование и распад неустойчивого соединения, содержащего катализатор. Одним из современных объяснений механизма гетерогенного катализа является мультиплетная теория. Она предложена в году Баландиным. В основе мультиплетной теории лежит принцип структурного и энергетического соответствия между поверхностью катализатора и молекулами реагирующих веществ. Структурное соответствие заключается в том, что расстояние между атомами кристаллической решетки катализатора и валентные углы между ними должны соответствовать тем же параметрам участвующих в реакции молекул. В этом, и только в этом случае молекулы реагирующих веществ поглощаются катализатором совершают активированную адсорбцию на катализаторе с образованием множественных связей между атомами катализатора и молекулами реагентов. Например, расстояние между атомами Ni-Ni на поверхности никеля Ренея наилучшим образом подходят к ацетиленовой связи, тогда как к этиленовой связи в равной мере подходят межатомные расстояния многих металлов от платины до железа. Вот почему никель Ренея обладает уникальной селективностью по отношению к реакциям гидрирования ацетиленовых углеводородов, а металлы платиновой группы используются при получении соединений этилена. Атомы поверхности катализатора, принимающие участие в активированной адсорбции, входят в состав мультиплета. Поверхностное соединение, образующееся в результате активированной адсорбции молекул реагирующих веществ на мультиплете, называется мультиплетным комплексом. Комплекс представляет собой некий континуум сплошность , физическое состояние вещества в момент, когда исходные вещества прекратили свое существование, а молекулы продуктов реакции еще не образовались. Мультиплетный комплекс распадается с образованием с образованием продуктов реакции, если этот процесс согласуется с законами термодинамики. Принцип энергетического соответствия определяет требования к тому, чтобы адсорбционный потенциал катализатора по возможности ближе подходил к полной энергии реагирующих связей — средней величине из разрываемых и вновь образуемых связей. Энергетическое соответствие катализатора определяется экспериментально, поэтому мультиплетная теория не в состоянии однозначно предсказывать катализатор для той или иной реакции.
Красивое вязание крючком со схемой и описанием
Сколько грамм корма нужно собакев день
Состав мельхиора в процентах
Проект межевания территории линейного объекта образец 2017
Йеллоустоун вулкан последние новости 03.07 2017
Сколько стоит монета 2 копейки 1880 года