Учебно-методический комплекс (стр. 12 )

3.  Сравните химические свойства соединений фосфора и азота, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

4.  Сравните химические свойства соединений кислорода и серы, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

5.  Сравните химические свойства соединений углерода и кремния, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

6.  Сравните химические свойства соединений кальция и цинка, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

7.  Сравните химические свойства соединений алюминия и бора, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

8.  Сравните химические свойства соединений железа и никеля, приведите примеры соединений в характерных степенях окисления этих элементов, охарактеризуйте их О-В - и кислотно-основные свойства, подчеркните сходство и различия.

9.  Объясните, по каким признакам классифицируются органические вещества на ряды и классы. Назовите ряды и не менее десяти важнейших классов органических соединений.

10.  Что называется изомерией органических соединений? Приведите не менее пяти пар изомеров и дайте им названия по систематической номенклатуре. Существует ли изомерия в мире неорганических соединений?

11.  Какие разновидности номенклатуры органических соединений применяются в современной химии? Приведите примеры применения этих номенклатур для названия углеводородов и спиртов.

12.  Что называется гомологом и гомологическим рядом в органической химии? Приведите примеры (не менее трёх) гомологических рядов.

13.  Сравните химические свойства спиртов и углеводородов. Чем можно объяснить существенные различия между химическими свойствами этих классов?

14.  Сравните химические свойства спиртов и галогеналкилов. Чем можно объяснить существенные различия между химическими свойствами этих классов?

15.  Сравните химические свойства карбонильных соединений и карбоновых кислот. Чем можно объяснить существенные различия между химическими свойствами этих классов?

16.  Сравните химические свойства аминов и карбоновых кислот. Чем можно объяснить существенные различия между химическими свойствами этих классов?

17.  Опишите методику весового химического анализа. Что называется осаждаемой и весовой формами определяемого элемента? Как проводится расчёт содержания определяемого элемента в анализируемом веществе по результатам весового анализа?

18.  Опишите методику титриметрического анализа. Каким условиям должна удовлетворять химическая реакция, которую можно было бы использовать в титриметрии? Как проводится расчёт содержания определяемого вещества в анализируемом образце по результатам титриметрического анализа?

19.  Для чего в титриметрических методах анализа используют цветные индикаторы? Можно ли исключить применение цветных индикаторов из титриметрических методов анализа?

20.  Сформулируйте основной закон фотометрии (закон Бугера – Ламберта – Бера). Какие факторы определяют интенсивность светопоглощения веществами при прохождении света сквозь них? Что называется оптической плотностью раствора?

21.  Как определяются стандартные электродные и окислительно-восстановительные потенциалы, вводимые затем в таблицы? Запишите уравнение Нернста для электродного потенциала.

22.  Какие устройства называются гальваническими элементами? Приведите пример гальванического элемента. Рассчитайте ЭДС этого элемента в стандартных условиях.

23.  Какой электрод называется нормальным водородным электродом (н. в.э.)? Какое число принято за значение стандартного потенциала этого электрода? Равен ли электрический потенциал н. в.э. в стандартном состоянии принятому значению?

24.  Какой электрохимический процесс называется электролизом? Опишите электролиз расплава водного раствора КОН. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.

25.  Выведите выражение объединённого закона Фарадея для электролиза на основании закона эквивалентов. Приведите названия пяти металлов, которые можно надёжно при обычных условиях выделять из водных растворов их солей.

26.  Опишите механизм коррозии металла во влажной кислородной среде в месте контакта никеля с серебром. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.

27.  Чем отличается химическая коррозия металлов от электрохимической коррозии? В каких средах протекают эти два вида коррозии? Приведите соответствующие примеры.

28.  Опишите наиболее широко применяемые способы защиты металлов от коррозии (не менее пяти).

29.  Опишите протекторный метод защиты металлов от коррозии. Для каких условий эксплуатации металлов применяется этот метод?

30.  Опишите электрохимический метод защиты металлов от коррозии. Для каких условий эксплуатации металлов применяется этот метод?

Часть 2. Задачи

Вопросы №1 в билетах.

1.  Какой объём воздуха необходим для сожжения смеси 8 г метана и 15 г этана? Все объёмы измерены при н. у.

2.  Для полного гидрирования 2,8 г ненасыщенного углеводорода, имеющего молярную массу 140 г/моль, затрачено 448 см3 водорода (н. у.) . К какому гомологическому ряду относится углеводород?

3.  При действии брома на циклоалкан С5Н10 было получено бромпроизводное с содержанием брома 53,7%. Каково строение исходного углеводорода и полученного бромпроизводного?

4.  Газообразное при комнатной температуре вещество имеет состав; С – 83,3 %, Н – 16,7%. 1 дм3 (при н. у.) имеет массу 3,21 г. Каковы молекулярная и наиболее вероятная структурная формулы этого вещества?

5.  Какой объём воздуха (объёмное содержание кислорода в воздухе – 21 % ) необходим для сожжения смеси 1дм3 метана и 2 дм3 этана? Все объёмы измерены при н. у.

6.  Какой объём воздуха необходим для сожжения смеси 8 г метана и 15 г этана? Все объёмы измерены при н. у.

7.  1 моль углеводорода присоединяет 1 моль брома. Плотность паров продукта присоединения по водороду равна 108. Каковы возможные структурные формулы углеводорода?

8.  При сжигании навески вещества массой 21,5 мг образовалось 6,6 мг СО2 и 3,15 мг Н2О. Молекулярная масса вещества 86 г/моль. Напишите все структурные формулы изомеров этого вещества и назовите их.

9.  Какой объём ацетилена (при н. у.) можно получить из 2,5 г 80 %-ного карбида кальция?

10.  Какую массу сульфата железа(II) можно окислить в кислотной среде с помощью 20 мл 0.02 М раствора перманганата калия (fэквKMnO4 = 1/5)?

11.  Навеска 3,4765 г (NH4)C2O4 растворена 500 мл воды. Объем раствора доведен до 1 л водой. Вычислите титр и молярность полученного раствора.

12.  Навеска 0.1500 г железной руды растворена в серной кислоте, а полученный раствор FeSO4 оттитрован 15,35 мл 0.02 М раствора KMnO4 (fэквKMnO4 = 1/5). Сколько процентов железа содержала руда?

13.  На нейтрализацию 10 мл соляной кислоты потребовалось 12.8 мл 0.1055 М раствора NaOH. Какова молярная концентрация эквивалента кислоты в растворе?

14.  Какую массу брома может присоединить 14 г смеси изомерных бутенов?

15.  Сколько мл 0.1675 М раствора Na2CO3 потребуется для нейтрализации 16.5 мл раствора серной кислоты, молярность которой равна 0.1556 моль/л?

16.  Вычислите [H+] и [OH-] в растворе, рН которого равен 6.2.

17.  Как изменится рН растворов, если вдвое разбавить водой: а) 0.2 M HCl; б) 0.2 М CH3COOH?

18.  Как изменится рН раствора, содержащего 0.2 моль/л CH3COOH и 0.1 моль/л CH3COONa, если его вдвое разбавить водой? Напишите значения рН до и после разведения.

19.  Во сколько раз концентрация ионов H+ в крови (рН=7.26) больше, чем в спинно-мозговой жидкости (рН=7.53)?

20.  Какой объем озонированного кислорода, содержащего 15% озона по объему, потребуется для полного сжигания 40 л бутана?

21.  Определите молекулярную формулу алкена, если его образец массой 1.4 г обесцвечивает 107 г 3%-ной бромной воды?

22.  Образуется ли осадок PbCl2, если к 0.05 М раствору Pb(NO3)2 добавить равный объем 0.4 М раствор NaCl? ПРPbCl2=2*10-5.

23.  В 3 л насыщенного водного раствора PbSO4 содержится 0,132 г соли. Вычислите ПРPbSO4.

24.  Сколько моль эквивалента H2SO4 содержится в 200 см3 2 М раствора серной кислоты?

25.  На титровании 20,0 мл раствора HCl израсходовано 25,5 мл 0,1 М раствора NaOH. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента HCl в растворе.

26.  На титрование порции раствора NaOH израсходовано 15,0 мл 0,1 М раствора HCl. Рассчитайте массу NaOH, содержавшуюся в исходной порции раствора.

27.  Сколько мл 0,05 раствора H2SO4 потребуется для титрования 15 мл 0,05 М раствора NaOH?

28.  Какое количество теплоты выделится при сгорании 1 кг графита при условиях, приведенных к стандартным?

29.  Рассчитайте, на сколько градусов поднимется температура раствора, если при 25 оС к 30,0 см3 соляной кислоты с концентрацией 2 моль/дм3 добавить 2,76 г карбоната калия. Теплоёмкость всех растворов принять равной 4,2 Дж×г-1К-1, плотность всех растворов – 1,0 г/см3.

Вопросы №2 в билетах.

1.  В какой цвет будет окрашен лакмус в водных растворах следующих солей NaNO3, NH4Cl, Fe, FeCl3, KCN?

2.  Индикатор метиловый оранжевый изменяет окраску от красной до желтой в интервале рН от 3.2 до 4.4. Какова будет окраска 0.1 М водного раствора ацетата аммония, содержащего метиловый оранжевый?

3.  Лакмус изменяет окраску в интервале рН от 5.0 до 8.3.. Какова окраска содержащего лакмус 0.001 М раствора ацетата натрия?

4.  Напишите уравнения реакций, соответствующих следующей схеме: этан à х à бутан

5.  Какие из указанных солей подвергаются гидролизу: NaCN, KNO3, NаNO2, CaCl2, KBr?

6.  Напишите молекулярные уравнения реакций: а) NO2- + H + = HNO2; б) Cu2+ + 2OH - = Cu(OH)2.

7.  Напишите в ионно-молекулярной форме уравнения реакций: а) HCl + Ba(OH)2, б) H2S + NH4OH

8.  Сколько химических связей (и каких?) содержится в молекулах: а) бутана; б) бутанола?

9.  Напишите уравнения реакций, соответствующих следующей схеме: 1-бутен à x à 2-бутен

10.  С помощью каких химических реакций можно очистить пропан от примеси пропена?

11.  В трех пробирках находятся: бензол, гептан и гексен. Как определить, где какая жидкость находится?

12.  Напишите молекулярные уравнения реакций: а) NO2- + H + = HNO2; б) Cu2+ + 2OH - = Cu(OH)2.

13.  У молибдена или теллура сильнее выражены металлические свойства? Почему?

14.  Объясните, почему сероводород более летуч, чем вода?

15.  Какое из веществ – сероводород или аммиак – кипит при меньшей температуре (при стандартном внешнем давлении)? Дайте обоснованный ответ.

16.  Какое из веществ– 2,2-диметилпропан или н-пентан – кипит при меньшей температуре (при стандартном внешнем давлении)? Дайте обоснованный ответ.

17.  Объясните, почему кислород в соединениях проявляет единственную валентность 2, а сера – валентности 2,4 и 6.

18.  В каком соединении – KCl или AgCl – химическая связь имеет более ковалентный характер? Дайте обоснованный ответ.

19.  Напишите уравнение реакции меди с концентрированной серной кислотой. Почему медь не растворяется в соляной кислоте?

20.  Объясните, почему радиус иона Cu+ меньше радиуса иона К+. Какой из этих ионов обладает большей поляризующей способностью? Дайте обоснованный ответ.

21.  В каком направлении и почему будет происходить смещение равновесий: а) при насыщении водного раствора силиката натрия диоксидом углерода; б) при прокаливании смеси карбоната натрия и диоксида кремния?

22.  Объясните, почему ZnS и PbS можно получить ионообменной реакцией из водных растворов, а Al2S3 и Cr2S3 нельзя? Укажите способ получения Al2S3 и Cr2S3.

23.  Можно ли в водном растворе восстановить соль железа (III) до соли железа (II): а) бромидом калия; б) иодидом калия?

24.  Имеются два раствора: а) раствор 1 моль глицерина в 22,4 дм3 воды; б) раствор 1 моль трихлорида алюминия в 22,4 дм3 воды. Какой из растворов обладает меньшим осмотическим давлением? Дайте обоснованный ответ.

25.  Как повлияют повышение давления и температуры на равновесие следующих реакций: 2H2(газ) + O2(газ) « 2H2O(газ); DH = - 483,6 кДж CaCO3(тв.) « CaO(тв.) + CO2(газ); DH = 179 кДж?

26.  Зависит ли температурный коэффициент скорости реакции от значения энергии активации? Дайте обоснованный ответ.

27.  Зависит ли тепловой эффект реакции от её энергии активации? Дайте обоснованный ответ.

28.  Для какой реакции – прямой или обратной – энергия активации больше, если прямая реакция идёт с выделением тепла? Дайте обоснованный ответ.

29.  K2CO3 плавится при 890 оС без разложения, Ag2CO3 разлагается при 220оС. Объясните указанное различие.

30.  BaCl2 водных растворах диссоциирует полностью, а HgCl2 почти не диссоциирует. Объясните это различие в свойствах солей.

Вопросы №3 в билетах.

1.  Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего 14,8 г глюкозы С6Н12О6 в 250 г воды при 298 К. Плотность раствора примите равную 1 г/см3.

2.  При 25 оС осмотическое давление некоторого водного раствора равно 1, 25 МПа. Вычислите осмотическое давление этого раствора при 50 оС.

3.  В каком массовом отношении должны находиться вода и метанол в растворе, кристаллизующемся при – 25 оС?

4.  При растворении 13,0 г неэлектролита в 400 г диэтилового эфира (С2Н5)2О температура кипения повысилась на 0,453 оС (Ед. э. = 2,02). Определите молекулярную массу растворённого вещества.

5.  Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,5. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 30 градусов?

6.  К 300 см3 32% HNO3 (r = 1,20 г/см3) прибавили 300 см3 11% HNO3. Рассчитайте массовую и молярную доли HNO3 в полученном растворе.

7.  Сколько граммов соды (Na2CO3) необходимо взять для приготовления 1 дм3 водного раствора, ровно 10 см3 которого нейтрализуют 10 см3 раствора соляной кислоты с концентрацией HCl равной 1,5 моль/дм3?

8.  При растворении 1 моля серной кислоты в 400 г воды температура повысилась на 46 оС. Определите тепловой эффект растворения H2SO4, принимая удельную теплоёмкость раствора равной 3,76 Дж×г-1К-1.

9.  Во сколько раз уменьшится концентрация ионов водорода, если к 1 дм3 0,005 М раствора уксусной кислоты добавить 0,05 моля ацетата натрия?

10.  Раствор, содержащий 2,1 г КОН в 250 г воды, замерзает при - 0,519 оС. Рассчитайте значение изотонического коэффициента этого раствора.

11.  Вычислите растворимость CaF2 в воде и в 0,05 М растворе CaCl2.

12.  К 50 см3 0,001 М HCl добавили 450 см3 0,0001 М раствора AgNO3. Выпадет ли осадок хлорида серебра?

13.  Сравните степень гидролиза соли и рН среды в 0,1 М и 0,001 М растворах цианида калия.

14.  Подберите коэффициенты к веществам и составьте уравнение реакции методом электронного баланса – Cu2S + HNO3 (конц.) = H2SO4 + Cu(NO3)2 +NO2 + H2O.

15.  Подберите коэффициенты к веществам и составьте уравнение реакции методом электронного баланса – С4Н7СООН + О2 = СО2 + Н2О.

16.  Подберите коэффициенты к веществам и составьте уравнение реакции методом электронного баланса – С3Н7СОН + О3 ® СО2 + Н2О.

17.  Какой объём кислорода (н. у.) выделится при пропускании тока силой в 3 А в течение 45 мин через водный раствор КОН?

18.  При электролизе водного раствора CuCl2 на аноде выделилось 4,48 дм3 хлора (н. у.). Рассчитайте массу меди, выделившейся на катоде. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.

19.  При прохождении через раствор соли трёхвалентного металла силой 1,5 А в течение 90 мин на катоде выделилось 3,213 г металла. Определите атомную массу металла. Назовите его.

20.  Сколько времени потребуется для выделения 10 г серебра электролизом водного раствора AgNO3 при силе тока 6 А?

21.  Выпадет ли осадок галогенида серебра при прибавлении к 1 л 0,1 М раствора [ Ag(NH3) 2]NO3, содержащему в избытке 1 моль/дм3 аммиака: а) 1×10-5 моль KBr; б) 1×10-5 моль KI? ПРAgBr = 6×10-13, ПРAgI = 1,1×10-16.

22.  Рассчитайте концентрацию ионов Ag+ в 0,01 М растворе [ Ag(NH3) 2]NO3, содержащем в избытке 1 моль/дм3 аммиака.

23.  Пользуясь справочными данными, рассчитайте, какая из реакций возможна: CaCl2(к) + F2(г) = CaF2(к) + Cl2(г); CaF2(к) + Cl2(г) = CaCl2(к) + F2(г).

24.  К 100 дм3 раствора, содержащего в равных молярных концентрациях (1×10-5моль/дм3) ионы Ag+ и Pb2+, прибавляют по каплям раствор хромата калия с концентрацией K2CrO4 равной 0,0001 моль/дм3. ПР(Ag2CrO4) = 1,1×10-12, ПР(PbCrO4) = 1,8×10-14. Какая соль выпадет раньше? Рассчитайте, сколько потребуется прилить раствора хромата калия до начала осаждения первой из осаждаемых солей?

25.  Рассчитайте растворимости солей CaCO3 и BaCO3, над смесью кристаллов которых находится насыщенный относительно них раствор. ПР(CaCO3) = 3,8×10-9, ПР(BaCO3) = 4,0×10-10.

26.  Вычислите рН насыщенного раствора Са(ОН)2 и рН этого же раствора после растворения в нём 0,01 моль/л хлорида кальция.

27.  Вычислите ∆rG0298 для следующих реакций:

а) 2NaF(к) + Cl2(г) = 2NaCl(к) + F2(г)

б) PbO2(к) + 2Zn(к) = Pb(к) + 2ZnO(к). Можно ли получить фтор по реакции а) и восстановить диоксид свинца цинком по реакции б)?

28.  Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) NaHCO3 и NaOH; б) K2SiO3 и HCl; в) BaCl2 и Na2SO4.

29.  При какой температуре наступит равновесие системы 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г) + 2Cl2(г); ∆rH0298 = - 114,42 кДж? Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем, и при каких температурах?

30.  Реакция идет по уравнению N2 + O2 = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были: [N2] = 0,049 моль/л; [O2] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрации этих веществ в момент, когда [NO] = 0,005 моль/л.

Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н А Я Ч А С Т Ь

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного

ОБЩАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие

Новокузнецк — 2000

УДК 546(075.8)

ББК 24.1

A-95

Рецензенты:

Кафедра общей и аналитической химии Сибирского государственного университета (зав. кафедрой доктор химических наук ),

доктор химических наук, профессор к. М. Шакиров.

А-95 Общая химия: Учеб. пособие / НФИ КемГУ. Новокузнецк, 2000. − 95 с., ил.

В предлагаемом учебном пособии содержится изложенный в краткой конспективной форме учебный материал курса общей химии, соответствующий программам для экологических специальностей, а также ряд контрольных задач и вопросов.

Предназначено для самостоятельных занятий студентов специальности «Геоэкология».

Рекомендовано к печати учебно-методическим советом Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета.

УДК 546(075.8)

ББК 24.1

©Новокузнецк, НФИ КемГУ, 2000

©

Предисловие

Среди большого числа изданных к настоящему времени массовыми тиражами учебников и учебных пособий по химии для вузов практически отсутствуют издания, ориентированные избирательно на экологические специальности. Наиболее соответствующим этой цели является новый учебник по общей химии * В этом учебнике впервые достаточно широко освещены вопросы химической экологии. Однако предназначенность учебника для всех технических специальностей обусловливает включение в него обширного материала, имеющего второстепенное значение или вообще не обязательного для студентов специальности «Геоэкология».

Настоящее учебное пособие в краткой конспективной форме излагает разделы общей химии, которые в соответствии с образовательным стандартом являются обязательными для студентов специальности «Геоэкология».

Последовательность структурных разделов пособия соответствует последовательности лекционного изложения учебного материала. Пособие включает учебный материал, традиционно относящийся к курсу общей химии в объёме программы для вышеотмеченной специальности. Пособие может быть использовано при усвоении лекционного материала и для самостоятельной работы студентов при подготовке к практическим и контрольным работам. Для самоконтроля успешности самостоятельной подготовки студентов пособие снабжено рядом контрольных вопросов и задач.

Автор надеется, что при существующем дефиците учебных изданий по общей химии для экологических специальностей настоящее пособие окажется небесполезным для усвоения теоретических основ химии студентами этих специальностей.

*Коровин химия. – М.: Высшая школа, 1998.

1. О ВЗАИМОСВЯЗИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

1.1. Место химии в системе естествознания и в решении

экологических проблем

Система наук о явлениях и закономерностях природы – естествознание – в современной форме включает в себя множество научных дисциплин, относящихся друг к другу как отдельные дополняющие области познания природы в целом. Истоки зарождения естествознания теряются в глубине прошлых веков. Известно, что еще до новой эры отдельные философы - Левкипп (500-440 лет до н. э.), Демокрит (460-370 лет до н. э.), Эпикур (341-270 лет до н. э.) и Лукреций Кар (99-55 лет до н. э.) - в своем понимании строения веществ исходили из атомарных представлений. Но только после работ Дальтона () атомная теория стала не только общепризнанной, но и научно - доказанной. Атомная теория строения веществ является фундаментальной основой всех без исключения естественных наук, составляющих единую современную систему естествознания.

Отдельные научные дисциплины, входящие в систему естествознания, отличаются друг от друга, главным образом, объектами познания, то есть тем, какую отдельную локальную часть природы изучают в рамках данной дисциплины (биология, например, изучает процессы в живых организмах, геология – в неорганической природе Земли, астрономия – в космосе и т. д.). Но есть в естествознании две науки, изучающие процессы, явления и закономерности всех природных объектов. Это химия и физика. Исторически сформировавшееся различие между ними заключается в том, что в рамках химии традиционно изучались только процессы, сопровождающиеся взаимопревращениями веществ, в то время как в физике изучались все остальные естественные природные процессы. Вследствие всеобъемлющего характера исследований физики и химии эти две научные дисциплины составляют фундаментальную основу естествознания.

В историческом развитии от этих двух фундаментальных наук отделились научные дисциплины с более узкими, локальными областями исследования. Часть наук – астрономия, география, геология – имеет объектами исследования отдельные области неорганического мира. Биология и медицина – живую природу, куда в качестве составной части входит и человек. Между этими основными структурообразующими научными дисциплинами возникло и продолжает возникать множество междисциплинарных областей исследования, порождающих новые научные дисциплины – физическая химия, молекулярная биология, космохимия, астрофизика и тому подобное Дифференциация единой системы естествознания на множество научных дисциплин – процесс, обусловленный практическими задачами производственной деятельности человечества. Например, появившаяся в 20 веке новая научная дисциплина – экология – возникла из необходимости сосредоточения научных сил на решении проблем защиты окружающей среды от губительно влияния отходов производственной деятельности людей. Люди в своей жизни постоянно находятся в состоянии вещественного и энергетического обмена с окружающей средой, а ухудшение ее качества естественно отражается негативно на условиях жизни и на состоянии здоровья людей. Ухудшение окружающей среды происходит главным образом, из-за загрязнения его отходами производства (твердыми, жидкими, газообразными), содержащими в больших концентрациях вещества ядовитые и вредные для живых организмов. Следовательно, для защиты окружающей среды от загрязнений необходим постоянный точный учет качественного и количественного состава вредных отходов и система мероприятий защиты, среди которых главными являются утилизация и сокращение отходов. Все эти задачи связаны с химическими методами анализа, и с химическими процессами. Химия, таким образом, является наукой, необходимой для решения экологических проблем. Следует отметить, что экология, имеющая областью исследования природные процессы, также как и всем естественные науки основывается на знании и понимании как химических, так и физических процессов. Глубина и точность понимания естественных природных процессов определяется уровнем описания их математическими методами. Поэтому три науки – физика, химия и математика являются теми фундаментальными научными дисциплинами, овладение которыми является необходимым для специалиста - эколога.

  Контрольные вопросы и задачи

1.  Приведите примеры химических процессов, используемых при приготовлении пищи.

2.  Какие из перечисленных процессов являются химическими: а) разделение нефти на фракции простой перегонкой, б) коксование угля, в) получение железа из руд, г) получение золота из золотоносных песков?

1.2.Значение атомно-молекулярного учения для познания строения

природы

С древних времен и до конца ХIX века нашей эры понятие – атом – использовалось для обозначения мельчайшей частицы вещества, далее уже неделимой. Открытие электрона (Дж. Дж. Томсон 1897 г.) [1] свидетельствовало о сложном составе атомов и, следовательно, о его делимости. Э. Резерфорд в 1911 году предложил основанную на экспериментальных данных ядерную модель атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра. Заряд ядра в атоме нейтрализуется соответствующим числом электронов, вращающихся вокруг ядра. Основная масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть пространства, занимаемого атомом в целом (атомы имеют размеры порядка 10-8 см, а ядра – порядка 10см, то есть объем атома в целом примерно в 1013 раз больше объема его ядра). Характер движения электронов вокруг ядра описывается в современном естествознании квантовомеханическими методами.

Атомная теория раскрыла причину существования различных элементов. Выяснилось, что принадлежность атома к тому или иному элементу определяется зарядом ядра атома. Атом, являющийся мельчайшей частицей химического элемента, сохраняющий его химические свойства, может соединяться с атомами этого же или другого элемента, образуя то или иное вещество. В 1811 году Авогадро ввел в науку понятие о молекуле. Это понятие было первоначально предложено для описания строения газов, но впоследствии выяснилось, что молекулярное строение характерно для большинства химических соединений. Молекулой называют наименьшую частицу вещества, сохраняющую его химические (но не физические) свойства. Понятие «молекула» - не столь широкое, как понятие «атом». Безусловно, что все вещества природы состоят при низких температурах из атомов. Но для некоторых веществ – ионных кристаллов, полимеров с сетчатой структурой ковалентных связей и др. – использование понятия «молекула» лишено научного смысла. С другой стороны, для благородных газов молекула и атом являются одной и той же частицей.

В рамках атомно-молекулярного учения в химию и физику было введено важнейшее количественное понятие – моль как единица количества вещества. Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько же структурных элементарных единиц, сколько содержится атомов углерода в 12 граммах изотопа 12C.

Экспериментальными методами было определено, что в 1 моле вещества содержится 6,02*1023 структурных элементарных единиц. Это число называется числом Авогадро и используется для вычисления числа частиц в различных массах веществ.

Одним из важнейших следствий из закона Авогадро является вывод о том, что 1 моль любого газа занимает при нормальных условиях (101,3 кПа, 0o C) объем 22,4.

Расчеты газовых соотношений при различных условиях проводят с использованием уравнения, объединяющего законы Бойля Мариотта и Гей-Люссака,

PV / T = P0V0 / T0 ,

где P0, V0 – давление и объем газов при нормальной температуре Т0;

P, V – давление и объем газов при данной температуре Т;

а также уравнения Менделеева – Клапейрона:

PV = mRT / M,

где P, V, Т – соответственно давление, объем и температура газа (Па, м3, К),

m – масса газа (кг),

М – молярная масса газа (кг/моль),

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль * К

Развитие атомно-молекулярного учения выявило сущность важнейшего в природе процесса химической реакции. Химической реакцией называется процесс взаимопревращения веществ. Выяснилось, что любая химическая реакция представляет собой процесс перераспределения электронов между ядрами атомов, сталкивающихся друг с другом в тепловом движении или в результате других энергетических воздействий.

Введение в науку атомно-молекулярной теории привело к бурному лавинообразному развитию химии и физики. Одним из величайших результатов этого развития стал Периодический закон химических элементов, установленный великим русским химиком в 1869 году, формулируемый следующим образом: свойства элементов и образуемых ими простых и сложных[2] веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра элементов.

Важнейшей характеристикой элемента является его порядковый номер в Периодической системе. Он равен заряду ядра (то есть числу протонов, входящих в ядро), а также – числу электронов в составе атома. Химические свойства элементов и образуемых ими веществ определяются структурой электронных орбиталей внешних (заполняющихся электронами) энергетических уровней.

Элементы, входящие в одну группу Периодической таблицы, имеют одинаковую структуру внешних занятых электронных орбиталей, а, следовательно, и сходные химические свойства. У элементов, составляющих один период, происходит увеличение числа электронов на внешнем уровне, что приводит к соответствующему изменению химических свойств – переход от металлов к неметаллам с увеличением порядкового номера элемента. Типичные металлы расположены слева и внизу в Периодической таблице, а типичные неметаллы справа и сверху. У большинства элементов преобладают металлические свойства.

В конце 19-го столетия американский ученый [3] провел работу по определению распространения химических элементов по отдельным крупным природным системам. В частности, измерялось среднее содержание элементов в гидросфере, атмосфере и литосфере[4]. Обнаружилась резкая контрастность распределения химических элементов во всех изученных геосферах. Ниже приведены кларки основных элементов в различных геосферах.

Кларки элементов в атмосфере (% масс.)

Азот 75,51	C (в составе СО2) 0,012
Кислород 23,15	Н (в составе Н2О) <0,03

 99,98%

Кларки элементов в океане (% масс.)

Кислород 85,7	Водород 10,8	Хлор 1,93	Натрий 1,03
Магний 0,13	Сера 0,09	Калий 0,04	Кальций 0,04

99,76%

Кларки элементов в литосфере (% масс.)

Кислород 47,0	Алюминий 8,05	Кальций 2,96	Калий 2,50
Кремний 29,5	Железо 4,65	Натрий 2,50	Магний 1,87

99,03%

Во всех приведенных геосферах содержатся и многие другие элементы (всего земная кора содержит 89 химических элементов), но характерно, что более 99% массы всех доступных исследованию геосфер составляют 12 элементов. В океане и литосфере 81 элемент составляет массу менее 1%. В атмосфере контрастность проявляется еще резче. Элементный состав биосферы (живых существ) близок к составу гидросферы, что является косвенным подтверждением возникновения жизни в океане.