Химия. Системный курс для поступающих в ВУЗ (стр. 4 )

Степень ионности связи – это безразмерная величина, равная доле электронного заряда, переместившейся от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному. Для простых связей она возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов.

Дипольный момент m – это векторная величина. Дипольный момент молекулы является векторной суммой дипольных моментов отдельных химических связей: +… Дипольный момент симметричной молекулы равен нулю, так как дипольные моменты связей при сложении взаимно уничтожают друг друга, потому что сумма любых трех векторов равна четвертому, взятому с обратным знаком :

m4 m1 m2 m3 m4

Направленность ковалентной связи – свойство, обусловливающее геометрическое строение молекул и ионов, образованных ковалентными связями.

Механизм образования ковалентной связи

обменный донорно-акцепторный

Обменный механизм – образование ковалентной связи, за счет обобществления неспаренных электронов двух атомов. Число общих электронных пар, связывающих два атома, называется кратностью связи (кс).

Донорно-акцепторный механизм – образование химической связи за счет неподеленной электронной пары одного атома и вакантной атомной орбитали другого.

Типы перекрывания атомных орбиталей

s-тип перекрывания (s-связь) образуется при перекрывании АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов:

p-тип перекрывания (p-связь) образуется при перекрывании АО по обе стороны линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов:

Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизация атомных орбиталей - явление выравнивания атомных орбиталей по форме и энергии.

Типы гибридизации атомных орбиталей

sp-гибридизация: геометрическое строение молекулы - линейное, валентный угол – 180о.

sp2-гибридизация: геометрическое строение молекулы - плоский треугольник, валентный угол – 120о.

sp3-гибридизация: геометрическое строение молекулы - тетраэдр, валентный угол – 109,28о.

Примеры строения молекул в зависимости от типа гибридизации и числа несвязывающих электронных пар:

H2O NH3 CH4

Валентный

угол: 104,5о 107о 109,28о

Тип гибридизации орбиталей центрального атома	Расположение гибридных орбиталей в пространстве	Валентный угол	Примеры молекул
sp	линейное	180о	C2H2, BeCl2
sp2	треугольное	120о	C2H4, AlCl3, C6H6
sp3	тетраэдрическое	109,28о	CH4, C2H6, C3H8
sp3d2	октаэдрическое	90о	SF6

Термохимия

Тепловой эффект химической реакции - количество тепла, выделившегося или поглотившегося при протекании химического процесса

Термохимические уравнения – уравнения, в которых указано агрегатное состояние веществ и значение теплового эффекта реакции

H2(г) + 1/2O2(г) = H2O(г) + 241,8 кДж

В термохимическом уравнении возможны дробные коэффициенты.

Экзотермические реакции - реакции, протекающие с выделением теплоты (J>0).

Эндотермические реакции - реакции, протекающие с поглощением теплоты (J<0).

Изотермичекие процессы – Т = constant

Изобарические процессы – р = constant

Изохорические процессы – V = constant

Адиабатические процессы – U = constant

Химическая кинетика

Гомогенные химические реакции - реакции, протекающие в одной фазе.

Гетерогенные химические реакции - реакции, протекающие на границе раздела фаз.

Скорость химической реакции - изменение концентраций реагирующих веществ в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) и на единице поверхности (для гетерогенных).

Скорость химических реакций зависит от:

·  концентрации реагирующих веществ

·  температуры

·  катализатора

·  природы реагирующих веществ

·  удельной поверхности (для гетерогенных реакций)

·  давления (для газофазных реакций)

Закон действующих масс - скорость простой химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Кинетическое уравнение - уравнение, описывающее зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ

aA + bB = cC + dD – уравнение реакции в общем виде

v = k[A]a[B]b - кинетическое уравнение реакции, где

[A] - концентрация вещества А; [B] - концентрация вещества В;

a, b - стехиометрические коэффициенты

В кинетическое уравнение не входят концентрации твердых веществ.

Эмпирическое правило Вант-Гоффа - при увеличении температуры на 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2 - 4 раза.

v2 = v1×g

где: v – скорость при конечной температуре,

v1 - скорость при начальной температуре,

g - температурный коэффициент.

Химическое равновесие

Закон действующих масс: при данной температуре и давлении отношение произведения концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, к произведению концентраций продуктов реакции в соответствующих степенях, является постоянной величиной, называемой константой равновесия.

aA + bB Û cC + dD

K=, где

[A], [B], [C], [D] - концентрация веществ,

a, b, c, d - стехиометрические коэффициенты

Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, подействовать извне, то равновесие сместится в сторону уменьшения оказываемого воздействия.

Увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции.

Увеличение давления (для газофазных реакций) смещает равновесие в сторону меньшего объема.

Увеличение концентрации одного из исходных веществ (продукта реакции) смещает равновесие в сторону образования продуктов (исходных веществ).

Электрохимические процессы

Свойства ряда напряжений металлов:

Li K Ca Na Mg Al Ti Mo Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H2 Bi Cu Ag Hg PtAu

·  Восстановительная активность металлов в ряду напряжений уменьшается слева направо.

·  Окислительная способность катионов металлов в ряду напряжений увеличивается слева направо.

·  Все металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода (кроме свинца), вытесняют водород из кислот-неокислителей (HClразб.,H2SO4разб.).

·  Каждый предшествующий металл в ряду напряжений вытесняет любой последующий из раствора его соли.

Электролиз

Электролиз – это явление прохождения постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

Различают: электролиз расплавов и растворов веществ.

При электролизе расплавов на катоде (отрицательно заряженном электроде) наблюдается восстановление катионов металлов (принятие электронов), на аноде - окисление анионов.

Электролиз расплава KCl:

KCl = K+ + Cl-

 

Катод Aнод

K+ + e = K 2Cl - - 2e = Cl2

2KCl K + Cl2

Электролиз растворов осложняется тем, что присутствующие молекулы воды, также как катионы и анионы, могут принимать участие в процессах окисления и восстановления.

Восстановление молекул воды на катоде: 2H2O + 2e = H2 + 2OH-

Окисление молекул воды на аноде: 2H2O - 4e = O2 + 4H+

Процессы разрядки зависят от положения металла в ряду напряжений и вида аниона.

Катодные процессы

Положение катиона в ряду напряжений: до алюминия включительно K+ Na+ Mg2+ Al3+	Положение катиона в ряду напряжений: между Al и Cd Mn2+ Zn2+ Cr3+ Fe2+ Cd2+	Положение катиона в ряду напряжений: после Cd Ni2+ Cu2+ Ag+
На катоде восстанавливаются только молекулы воды	Катионы разряжаются одновременно с молекулами воды	На катоде разряжаются только катионы
2H2O + 2e = H2 + 2OH -	Cd2+ + 2e = Cd 2H2O + 2e = H2 + 2OH- Cd2+ + 2OH - = Cd(OH)2	Cu2+ + 2e = Cu

Анодные процессы

Анионы бескислородных кислот легко окисляются на аноде Cl - Br - I - OH-	Анионы кислородсодержащих кислот относятся к трудно разряжаемым анионам SO42- NO3- ClO4- и т. п., а также F-
На аноде разряжается анион	На аноде окисляются молекулы воды
2Cl - - 2e = Cl2	2H2O - 4e = O2 + 4H+

Процессы окисления или восстановления относятся к первичным процессам, кислотно-основного взаимодействия - к вторичным.

Электролиз раствора KCl:

KCl = K+ + Cl-

Катод Aнод

2H2O + 2e = H2 + 2OH - 2Cl - - 2e = Cl2

K+ + OH - = KOH

2KCl + 2H2O H2 + 2KOH + Cl2

Коррозия металлов

Коррозия - это процесс самопроизвольного разрушения металла под действием окружающей среды. При коррозии всегда разрушается более активный металл. Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия протекает в отсутствии электролитов, либо при высокой температуре, либо в неводных органических средах. Чаще встречается электрохимическая коррозия, которая идет в электролитной среде, как правило, под действием внутренних гальванопар.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Номенклатура органических соединений

Правила составления названий:

1.  Основа названия – это наименование предельного углеводорода с тем же числом атомов углерода, что и в самой длинной цепи молекулы называемого вещества.

Состав алкана	Название алкана	Алкильный радикал	Название радикала
СН4	Метан	СН3	Метил
C2Н6	Этан	C2Н5	Этил
C3Н8	Пропан	C3Н7	Пропил
C4Н10	Бутан	C4Н9	Бутил
C5Н12	Пентан	C5Н11	Амил

2.  Положение заместителей, функциональных групп и кратных связей в главной цепи обозначается с помощью цифр.

3.  Заместители, функциональные группы и кратные связи указывают в названиях с помощью префиксов и суффиксов.

Группа	Префикс	Суффикс
-СООН -СОН -СО- -ОН -NH2(>NH, >N) -NO2 -OR -F, - Cl, - Br, - I	Карбокси- Формил- Оксо- Гидрокси- Амино- Нитро- Алкокси- Фтор-, хлор - и т. д.	-овая кислота -аль -он -ол -амин - - -

В таблице группы расположены по старшинству, которое уменьшается сверху вниз.

АЛКАНЫ

(предельные углеводороды)

Общая формула - СnH2n +2

Химические свойства

№	Тип реакции	Уравнения реакций
1	Замещение	CH4 + Cl2CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2CH2Cl2+ HCl и т. д.
2	Окисление	CnH2n+2 + (1,5n + 0,5)O2 ® nCO2 + (n + 1)H2O CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O CH4 + O2 CH3OH (CH2O, HCOOH) + H2O
3	Дегидрирование	C2H6C2H4 + H2
4	Пиролиз	CH4 С + 2H2 (без доступа воздуха) 2CH4C2H2 + 3H2 (при резком охлаждении)
5	Нитрование	СН3-CН2-СН3 + HNO3 СН3-CНNO2-СН3 + H2O

Получение алканов

В промышленности	Крекинг алканов C18H38 С9Н20 + С9H18 Гидрирование непредельных углеводородов.
В лаборатории	1) Пиролиз солей карбоновых кислот со щелочами CH3COONa + NaOHCH4­ + Na2CO3 2) Реакция Вюрца CH3-Cl + 2Na +Cl-CH3 ® 2NaCl + C2H6 3) Метан получают гидролизом карбида алюминия Al4C3 + 12H2O ® 3CH4 + 4Al(OH)3

АЛКЕНЫ

(непредельные углеводороды)

Общая формула - СnH2n

Химические свойства

№	Тип реакции	Уравнения реакций
1	Присоединение	1) Присоединение галогенов CH2=CH2 + Br2 ® CH2Br-CH2Br 2) Гидрирование CH2=CH2 + H2 C2H4 3) Гидратация CH2=CH-СH2 + H2O CH3-CH2OH-CH3 4) Присоединение галогеноводородов CH3-CH=CH2 + НBr ® CH3-CH2Br-CH3
2	Окисление	CnH2n + 1,5nO2 ® nCO2 + nH2O C2H4 + 3O2 ® 2CO2 + 2H2O Реакция Вагнера: CH2=CH2 + KMnO4(р-р) + NaOH ® CH2OH-CH2OH + MnO2 + KOH Каталитическое окисление CH2=CH2 + O2 СH3COH
3	Полимеризация	nCH2=CH2[-CH-CH-]n

Получение алкенов

В промышленности	Крекинг алканов Дегидрирование предельных углеводородов
В лаборатории	1) C2H5OH CH2=CH2 + H2O 2) CH2Br-CHBr-CH3 + Zn ® CH2=CH-CH3 + ZnBr2 3) CH2Cl-CH2-CH3 + KOH CH2=CH-CH3 + 4) KCl + H2O

Правило Марковникова: В реакциях присоединения полярных молекул (воды, галогеноводородов и т. д.) к нессиметричным алкенам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода двойной связи.

Правило Зайцева: атом водорода отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода, то есть образует алкен с большим числом алкильных заместителей при двойной связи.

АКИНЫ

Общая формула - СnH2n - 2

Химические свойства

№	Тип реакции	Уравнения реакций
1	Присоединение	1) Присоединение галогенов CHºCH + 2Br2 ® CHBr2-CHBr2 2) Гидрирование CHºCH + 2H2 CH3-CH3 3) Гидратация (Реакция Кучерова) CHºCH + H2O CH3-COH 4) Присоединение галогеноводородов CHºCH + НСl CH2=CHCl
2	Окисление	2C2H2 + 5O2 ® 4CO2 + 2H2O CHºCH + KMnO4 + H2SO4 ® HOOC-COOH + MnSO4 + H2O
3	Качественная реакция на концевую тройную связь	CHºCH + 2[Ag(NH3)2]OH ® Ag-CºC-Ag↓ + 4NH3 + 2H2O
4	Тримеризация	Реакция Зелинского 3CHºCHC6H6

Получение ацетилена