Химия. Ч. I

116 Pages·41.144 MB·Russian

by  Дябло О. В.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
О. В. Дябло, Е. А. Решетникова
ХИМИЯ
Часть I
Учебное пособие
для иностранных студентов
естественнонаучного профиля
подготовительного отделения ЮФУ
Ростов-на-Дону
Издательство Южного федерального университета
2018
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 54(075.8.054.6)=161.1
ББК 24я73
Д99
Печатается по решению кафедры общей и неорганической химии Южного
федерального университета (протокол № 11 от 23.12. 2016 г.) и кафедры
органической химии Южного федерального университета
(протокол № 9 от 12.01. 2017 г.)
Рецензенты:
Доцент кафедры химии Донского государственного технического
университета, кандидат химических наук
А. А. Новикова
Доцент кафедры химии природных и высокомолекулярных соеди-
нений ЮФУ, кандидат химических наук
О. Н. Буров
Дябло, О. В., Решетникова, Е. А.
Д99 ХИМИЯ. Часть I : учебное пособие / О. В. Дябло, Е. А. Решет-
никова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону :
Издательство Южного федерального университета, 2018. – 114 с.
ISBN 978-5-9275-2411-2
В учебном пособии изложены основы курса «Химия» для студентов подго-
товительного факультета Южного федерального университета.
Учебное пособие включает 2 модуля: в модуле 1 «Общая химия» представ-
лен материал по основным принципам строения атома, химической связи,
химической термодинамики и кинетики химических процессов, теории рас-
творов и основам электрохимии; модуль 2 «Органическая химия. Углеводоро-
ды» содержит сведения по теории строения органических соединений и основ-
ным классам углеводородов – алканам, циклоалканам, алкенам, алкинам,
алкадиенам и аренам.
Данное учебное пособие соответствует «Требованиям к освоению допол-
нительных общеобразовательных программ, обеспечивающих подготовку
иностранных граждан и лиц без гражданства к освоению профессиональных
образовательных программ на русском языке» (приказ Минобрнауки России
от 3 октября 2014 г. № 1304).
Адресовано слушателям естественно-научного направления подготови-
тельного факультета ЮФУ.
УДК 54(075.8.054.6)=161.1
ББК 24я73
ISBN 978-5-9275-2411-2
© Южный федеральный университет, 2018
© Дябло О. В., Решетникова Е. А., 2018
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2018
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...................................................................................6
Модуль I. Общая химия...................................................................7
1. Основные понятия..........................................................................7
1.1. Основные стехиометрические законы химии.......................7
1.2. Периодический закон Д.И. Менделеева................................9
1.3. Строение атома.......................................................................11
1.4. Химическая связь...................................................................12
1.4.1. Ковалентная связь..............................................................13
1.4.2. Ионная связь.........................................................................14
1.4.3. Металлическая связь .........................................................14
1.5. Межмолекулярные взаимодействия....................................15
1.6. Типы кристаллических решеток...........................................16
1.7. Вопросы и упражнения..........................................................18
2. Термохимия....................................................................................20
3. Химическая кинетика..................................................................21
3.1. Влияние различных факторов на скорость
химической реакции......................................................................21
4. Химическое равновесие................................................................24
4.1. Способы смещения химического равновесия......................25
4.2. Вопросы и упражнения ........................................................26
5. Растворы..........................................................................................28
5.1. Способы выражения концентрации растворов..................31
5.2. Теория электролитической диссоциации ..........................32
5.2.1. Вопросы и упражнения........................................................34
5.3. Водородный показатель.......................................................35
5.4. Условия протеканий химических реакций в растворе........35
5.5. Гидролиз солей........................................................................36
5.5.1. Факторы, влияющие на степень гидролиза....................38
5.6. Вопросы и упражнения..........................................................40
6. Окислительно-восстановительные реакции...............................41
7. Устройство и принцип действия гальванического
элемента..........................................................................44
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. Электролиз......................................................................................47
8.1. Последовательность процессов при электролизе
растворов...............................................................................48
8.2. Вопросы и упражнения.........................................................49
Модуль II. Органическая химия. Углеводороды.................60
9. Введение в органическую химию...............................................60
9.1. Основные положения теории строения
органических соединений А. М. Бутлерова...........................60
9.2. Изомерия.................................................................................61
9.3. Типы гибридизации атомов углерода..................................64
9.4. Степень окисления атомов углерода
в органических соединениях........................................................67
9.5. Вопросы и упражнения........................................................68
10. Алканы и циклоалканы.............................................................70
10.1. Общая характеристика алканов.....................................70
10.2. Номенклатура и изомерия алканов..............................71
10.3. Строение алканов...............................................................71
10.4. Физические свойства алканов.........................................71
10.5. Способы получения алканов............................................72
10.5.1. Получение алканов из природных источников............72
10.5.2. Лабораторные методы.....................................................73
10.6. Химические свойства алканов........................................74
10.7. Циклоалканы........................................................................76
10.8. Вопросы и упражнения........................................................79
11. Непредельные углеводороды.....................................................81
11.1. Общая характеристика непредельных углеводородов.....81
11.2. Способы получения непредельных углеводородов........83
11.2.1. Алкены................................................................................83
11.2.2. Алкины................................................................................84
11.2.3. Алкадиены..........................................................................85
11.3. Химические свойства............................................................85
11.3.1. Реакции присоединения...................................................85
11.3.2. Реакции замещения..........................................................88
11.3.3. Реакции окисления..........................................................89
11.4. Вопросы и упражнения....................................................89
12. Ароматические углеводороды (арены).......................................91
12.1. Понятие об аренах. Представители.................................91
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12.2. Способы получения ароматических углеводородов........93
12.3. Химические свойства аренов.............................................94
12.3.1. Реакции электрофильного замещения........................94
12.3.2. Другие реакции...............................................................95
12.4. Вопросы и упражнения......................................................97
13. Проектные задания к модулю 2.............................................98
Рекомендуемая литература......................................................109
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для слушателей естествен-
нонаучного направления подготовительного факультета ЮФУ,
изучающих дисциплину «Химия». Как правило, базовый уровень
знаний по химии и по русскому языку у иностранных студентов
различен. Тем не менее, все иностранные студенты изучали хи-
мию в том или ином объеме у себя на родине. Поэтому основными
задачами курса «Химия» являются овладение химической терми-
нологией в области общей, органической и неорганической химии
на русском языке; формирование навыков в применении знаний
по химии для решения теоретических и практических задач на
русском языке; развитие химических знаний и умений на русском
языке, необходимых для обучения по ООП ЮФУ.
Учитывая специфику обучения иностранных студентов, мате-
риал в данном учебном пособии излагается максимально лаконич-
но и доступно для понимания.
Пособие включает 2 модуля: в модуле 1 «Общая химия» изло-
жен материал по основным принципам строения атома, химиче-
ской связи, химической термодинамики и кинетики химических
процессов, теории растворов и основам электрохимии; модуль 2
«Органическая химия. Углеводороды» содержит материал по те-
ории строения органических соединений и основным классам
углеводородов – алканам, циклоалканам, алкенам, алкинам, ал-
кадиенам и аренам. Такой подбор тематики обусловлен тем, что
данные модули читаются студентам параллельно преподавателя-
ми, специализирующимися в области общей, неорганической и ор-
ганической химии.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модуль I. ОБЩАЯ ХИМИЯ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Химия – это наука о веществах, их строении, химических и фи-
зических свойствах, а также о превращениях веществ. Химическое
вещество имеет определенный качественный и количественный
состав, например, вода (H O) состоит из атомов кислорода в коли-
2
честве одного атома и водорода в количестве двух атомов. При этом
вещества можно классифицировать по-разному. Например, можно
разделить на простые и сложные. Простые вещества – это такие,
которые состоят из атомов только одного элемента (кислород – O ,
2
сера – S , медь – Cu, кремний – Si); сложные вещества – состоят из
8
атомов двух и более элементов (вода – H O, серная кислота – H SO ,
2 2 4
уксусная кислота – CH COOH). При этом есть как индивиду-
3
альные вещества – O , S , H O, H SO , так и смеси веществ –
2 8 2 2 4
воздух состоит из азота N , кислорода O и некоторых других газов;
2 2
морская вода – это вода H O и растворённые в ней соли, основным
2
компонентом которой является хлорид натрия NaCl.
Все вещества, как простые, так и сложные, могут быть молеку-
лярными и немолекулярыми. Молекула – это небольшая группа
атомов, которая способна к самостоятельному существованию и пере-
движению, как единое целое. Вещества, состоящие из молекул, назы-
ваются молекулярными. Связь между молекулами гораздо менее
прочна, чем внутри молекул, поэтому молекулярные вещества лету-
чи и имеют низкие температуры плавления и кипения. Например
O (t = –219 °С ), HO (t =0 °С ). Но всё же чаще атомы объединяются
2 пл 2 пл
в огромные коллективы порядка 107–1027 атомов, в этих скоплениях
нельзя выделить обособленных молекул, так как связи между всеми
атомами примерно в равной степени прочны. Такие вещества назы-
вают немолекулярными. Их свойства определяются прочностью
связей между атомами. Поэтому немолекулярные вещества могут
быть и легко-, и тугоплавкими. Например, NaCl (t = 801 °С), NaOH
пл
(t =322 °С ), AlO (t =2050 °С ), Si (t = 1420 °С).
пл 2 3 пл пл
1.1. Основные стехиометрические законы химии
Одним из важнейших законов явяется закон сохранения
массы веществ: масса веществ, вступивших в реакцию, рав-
на массе веществ, образовавшихся в результате реакции [1].
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модуль I. Общая химия
Теоретически этот закон был описан в 1748 г., а эксперименталь-
но подтверждён в 1756 г. русским ученым М. В. Ломоносовым. Из
закона следует, что при химической реакции общее число атомов
остается прежним, происходит лишь их перегруппировка. А так
как общее число атомов до и после реакции остается постоянным,
то и масса их тоже не изменяется. На основе этого закона проводят
количественный химический анализ. Но если химическая реакция
проходит с большим энергетическим эффектом, то в соответствии
с уравнением Энштейна DЕ = с2Dm, величина DЕ окажется сопо-
ставима с величиной с2, что приведет к большим потерям массы.
В этом случае закон не будет соблюдаться. Такая ситуация возни-
кает при протекании ядерных реакций.
Закон постоянства состава можно сформулировать так: вся-
кое чистое вещество независимо от способа получения име-
ет один и тот же качественный и количественный состав.
Данный закон справедлив только для молекулярных веществ. На-
пример, по какой бы реакции ни получалась вода, состав и строе-
ние её молекул не изменится. В немолекулярных веществах, так
как они состоят не из молекул, а представляют собой скопление
большого числа атомов, соотношение атомов разных видов не обя-
зательно соответствует простейшей формуле. Например, реальный
состав оксида железа (II) принято записывать формулой FeO, но в
действительности – это Fe2+ Fe3+ O, и величина х очень сильно
1-3x 2x
зависит от способа получения оксида. Из-за наличия примеси Fe+3
состав FeO никогда не достигается, поэтому правильнее записать
Fe О, где у лежит в пределах от 0,05 до 0,17.
1-у
Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых
при одной и той же температуре и при одинаковом давле-
нии, содержится одно и то же число молекул [1]. Из закона
Авогадро вытекают два важных следствия: 1. Плотность одно-
го газа по другому равна отношению молярных масс или
просто масс этих газов: D (по 2) = М(1)/М(2) = m(1)/m(2).
1
2. Один моль любого газа (т. е. 6,02*1023 его молекул) зани-
мает в нормальных условиях (при t=0 °C p=101,3 кПа) 22,4 л.
В условиях, отличных от нормальных, объем любого количества
газа может быть рассчитан по уравнению Менделеева–Клапейро-
на: V = —ν∙—R∙—T , где m – масса газа; M – молекулярная масса; p –
p
давление; V – объем; T – абсолютная температура (°К); R – универ-
сальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль • К) или 0,082 л атм/
(моль • К)).
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Основные понятия
1.2. Периодический закон Д. И. Менделеева
Д. И. Менделеев, в отличие от своих предшественников, был
глубоко убеждён в том, что между всеми химическими элементами
должна существовать некоторая закономерность, объединяющая
их в единое целое. И он пришел к выводу, что в основу системати-
ки элементов должна быть положена их относительная атомная
масса. Менделеев обнаружил, что химически схожие элементы
встречаются через определённые интервалы и, таким образом,
многие их свойства периодически повторяются. Такая закономер-
ность получила своё выражение в периодическом законе, кото-
рый Менделеев сформулировал следующим образом:
Свойства простых тел, а также формы и свойства соеди-
нений элементов находятся в периодической зависимости
от атомных весов (относительной атомной массы) эле­
ментов.
Детальное же изучение строения атомов показало, что пери-
одичность свойств элементов обусловлена не атомной массой, а
электронным строением атомов. Электронное строение атомов
в основном (невозбуждённом) состоянии определяется числом
электронов в атоме, которое равно положительному заряду ядра.
Таким образом, заряд ядра является характеристикой, определяю-
щей электронное строение атомов, а значит, и свойства элементов.
Поэтому в современной формулировке периодический закон зву-
чит так:
Свойства элементов находятся в периодической зависи-
мости от заряда ядра их атомов.
Заряд ядра определяет положение элемента в периодической
системе, порядковый номер элемента равен заряду ядра атома.
1 марта 1869 г. Д. И. Менделеев предложил первый вариант
периодической системы, систематизировав химические элементы,
это был вариант длинной формы. В нем периоды располагались в
одну строку. Примерно через год он предложил вариант короткой
формы периодической системы. В этом варианте периоды разби-
ваются на ряды, а группы – на подгруппы. В коротком варианте
периодическая система состоит из семи периодов, которые пред-
ставляют собой горизонтально расположенные элементы, выстро-
енные по возрастанию заряда их атомного ядра. 1, 2 и 3 Периоды
называют малыми, остальные – большими. Периоды 1,2 и 3
содержат по одному ряду, а 4, 5 и 6 имеют по два ряда. Период 7
является незавершённым.
9