Молекулярная масса и молярная масса

Высшая валентность элемента численно равна номеру группы, в которой расположен , данный элемент по таблице Д.И. Менделеева.

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ  

Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, если считать, что все молекулы состоят из ионов. Степень окисления рассчитывается алгебраически, учитывая, что сумма положительных и отрицательных зарядов в молекуле равна нулю.

Задача. Напишите электронную конфигурацию иона Со⁺² и иона Co⁺³.

Ответ. Кобальт (элемент с атомным номером 27) имеет электронную конфигурацию [Ar] 4s²3d⁷. Для образования иона с зарядом +2 атом кобальта должен отдать два электрона. Сначала происходит потеря 4s-электронов, а затем 3d-электронов. Следовательно, ион Со⁺² должен иметь электронную конфигурацию [Аr] 3d⁷. Для образования иона Со⁺³требуется отнять еще один электрон. Поэтому кобальт-ион Со⁺³ должен иметь электронную конфигурацию [Аr] 3d⁶.

Задача. Укажите тип химической связи и объясните формулы следующих водородных соединений: NaH, MgH₂, АlН₃, SiH₄, PH3, H₂S, HCl.

Ответ. Гидриды металлов представляют собой ионные соединения, состоящие из катионов металлов и гидрид-ионов Н^-. Стремясь приобрести электронную конфигурацию благородного газа, атом натрия отдает один электрон (Na⁰ ——> Na⁺ + 1е^-), магний отдает два электрона (Mg⁰ —-> Mg⁺² + 2e^- ), алюминий отдает три электрона (Аl⁰ —-> Аl⁺³ + Зе^-). На каждый отданный электрон приходится один гидрид-ион (Н⁰ + 1е^- —-> Н^-). Следовательно, три первых соединения отвечают составу Na⁺H^-, Mg⁺²2H^-, Al⁺³3H^-. Остальные соединения лучше рассматривать как ковалентные полярные, в которых происходит обобществление электронной пары между центральным атомом и каждым атомом водорода. Атому кремния, элементу группы 4А, требуется 4 электрона, чтобы приобрести конфигурацию благородного газа из восьми валентных электронов. Атому фосфора необходимо три электрона, сере - два, а хлору — один электрон. Формулы водородных соединений находятся в соответствии с числом электронов, необходимых для завершения октета.

РАСТВОРЫ  

Растворы - это однофазные системы переменного состава, состоящие из нескольких компонентов, один из которых является растворителем, а другие - растворенными веществами. То, что растворы однофазные системы, роднит их с химическими соединениями, а то, что они являются системами переменного состава, сближает их с механическими смесями. Поэтому и считают, что растворы имеют двойственную природу: с одной стороны, они сходны с химическими соединениями, а с другой — с механическими смесями.

Растворение - это физико-химический процесс. При физическом явлении разрушается кристаллическая решетка и происходит диффузия молекул растворенного вещества. При химическом явлении в процессе растворения молекулы растворенного вещества реагируют с молекулами растворителя.

Процесс растворения сопровождается выделением или поглощением теплоты. Эту  теплоту, отнесенную к одному молю вещества, называют тепловым эффектом растворения, Qp.

• Общий тепловой эффект растворения зависит от тепловых эффектов:
• а) разрушения кристаллической решетки (процесс всегда идет с затратой энергии — Q₁);
• б) диффузии растворенного вещества в растворителе (затрата энергии - Q₂);
• в) гидратации (выделение теплоты, +Q₃, так как гидраты образуются за счет возникновения непрочной химической связи, что всегда сопровождается выделением энергии).

Общий тепловой эффект растворения Qp будет равен сумме названных тепловых эффектов: Qp = (-Q₁) + (- Q₂) + (+Q₃); если Q₁> Q₃> то растворение идет с поглощением теплоты, то есть процесс эндотермический, если Q₁< Q₃, то растворение идет с выделением теплоты, то есть процесс экзотермический. Например, растворение NaCl, KN0₃, NH₄CNS идет с поглощением теплоты, растворение NaOH, H₂S0₄ — с выделением теплоты.

Задача. Почему при растворении в воде хлорида натрия температура раствора понижается, а при растворении серной кислоты — повышается?

Ответ. При растворении хлорида натрия идет разрушение кристаллической решетки, что сопровождается затратой энергии. На процесс диффузии затрачивается незначительное количество энергии. Гидратация ионов всегда сопровождается выделением энергии. Следовательно, если в процессе растворения понижается температура, то энергия, необходимая для разрушения кристаллической решетки, оказывается большей, чем энергия, выделяющаяся при гидратации, и в целом раствор охлаждается.

Тепловой эффект растворения серной кислоты состоит, главным образом, из теплоты гидратации ионов, поэтому раствор разогревается.

Растворимость вещества — это его способность распределяться в среде растворителя. Растворимость (или коэффициент растворимости) определяется максимальным количеством граммов вещества, которое может раствориться в 100 граммах растворителя при данной температуре.

Растворимость большинства твердых  веществ увеличивается с нагреванием. Есть исключения, то есть такие вещества, , растворимость которых с увеличением температуры мало меняется (NaCl) или даже падает (Са(ОН)₂).

Растворимость газов в воде падает с нагреванием и увеличивается  с повышением давления.

Растворимость веществ связана  с природой растворенного вещества. Полярные и ионные соединения, как  правило, хорошо растворяются в полярных растворителях, а неполярные соединения - в неполярных растворителях. Так, хлороводород и аммиак хорошо растворяются в воде, тогда как водород, хлор, азот растворяются в воде значительно хуже.

ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ  

Истинные растворы прозрачные. Отдельные частицы (молекулы, ионы) нельзя обнаружить даже при помощи ультрамикроскопа. Они не осаждаются и не задерживаются фильтрами.

Грубодисперсные растворы (суспензии и эмульсии) мутные по внешнему виду. В них частицы видны невооруженным глазом. Легко осаждаются, иногда в течение нескольких минут. Задерживаются обычными фильтрами, например фильтровальной бумагой.

Коллоидные растворы занимают промежуточное  положение между истинными растворами и грубодисперсными растворами. Они  прозрачные на вид. Отдельные частицы обнаруживаются только при помощи ультрамикроскопа. Осаждаются с трудом. Задерживаются только ультрафильтрами с очень маленькими порами (пергаментная бумага, животный пузырь).

Коллоидные растворы рассеивают свет - при пропускании света через прозрачный сосуд с раствором можно наблюдать светящийся конус.

Концентрация - это содержание растворенного вещества в определенном количестве или объеме раствора. Массовая доля растворенного вещества (w) выражается в долях единицы и показывает массу растворенного вещества в определенной массе раствора. Это определение выражается формулой w = m₁/m₂, где w -- массовая доля растворенного вещества, m₁ - масса растворенного вещества, m₂ - масса раствора.

 

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ  

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации реагирующих или образующихся веществ в единицу времени, то есть:

Единицей измерения скорости химической реакции служит моль л'с^-1.

Скорость химической реакции зависит:

1. От природы реагирующих веществ.
2. Для веществ в растворенном и газообразном состоянии скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ.
3. Для веществ в твердом ч состоянии скорость реакции прямо пропорциональна поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
4. При повышении температуры скорость большинства реакций увеличивается.
5. Скорость химической реакции зависит от присутствия катализатора или ингибитора.

Реакции, которые протекают в однородной среде, например, в смеси газов или в растворе, называют гомогенными.

Гетерогенные - это такие реакции, которые идут на поверхности соприкосновения твердого вещества и газа, твердого вещества и жидкости и т. д.

КАТАЛИЗАТОРЫ  

Вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются, называются катализаторами. Например, разложение бертолетовой соли и перокси-да водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV).

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В первом случае катализатор и реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии (образуют одну фазу), во втором — в разных агрегатных состояниях (фаза).

Для объяснения каталитического действия при гомогенном катализе выдвинута  гипотеза об образовании промежуточных продуктов с участием катализатора.

А + В --> АВ — некаталитическая реакция.

А + К --> АК

АК + В --> АВ + К 

А + К + В = АВ + К- каталитическая реакция.

Ускорение реакции достигается  за счет того, что промежуточные  продукты имеют более низкую энергию активации, чем продукты некаталитической реакции.

При гетерогенном катализе согласно адсорбционной теории катализа реагирующие  вещества адсорбируются на поверхности  катализатора, в результате чего происходит их активация. Активация молекул является результатом ослабления в них химических связей, некоторой деформации, увеличения расстояния между атомами, а иногда и диссоциации молекул на атомы под действием так называемых активных центров поверхности гетерогенного катализатора.

ПРИНЦИП ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ  

Если на систему, которая находится  в состоянии динамического равновесия, оказывать внешнее воздействие, то в системе будут протекать  процессы, направленные на уменьшение этого внешнего воздействия. Так, например, если:

• а) повышать температуру, то равновесие сместится в сторону эндотермической реакции;
• б) понижать температуру, то равновесие сместится в сторону экзотермической реакции;
• в) повышать давление - равновесие сместится в сторону образования меньшего числа молекул;
• г) понижать давление — равновесие сместится в сторону образования большего числа молекул;
• д) увеличивать концентрацию исходных веществ — равновесие сместится в сторону образования продуктов реакции;
• е) увеличивать концентрацию продуктов реакции — равновесие сместится в сторону образования исходных веществ.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ  

Электролитической диссоциации подвергаются полярные молекулы. Как правило, это  молекулы с ионной или ковалентной  полярной связью.

Основные положения теории электролитической  диссоциации следующие:

• а) диссоциация электролитов происходит под действием полярных молекул растворителя;
• б) диссоциация - обратимый процесс;
• в) диссоциирующие молекулы распадаются на катионы — положительно заряженные частицы и анионы - отрицательно заряженные частицы;
• г) суммарный заряд всех катионов равен суммарному заряду всех анионов;
• д) под действием электрического тока в растворах электролитов начинается направленное движение ионов, катионы двигаются к катоду, а анионы — к аноду;
• е) диссоциация многоосновных кислот и многокислотных оснований происходит ступенчато.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ  

Гидролиз солей — взаимодействие ионов соли с водой, в результате которого образуются малодиссоциируемые соединения (ионы или молекулы) и изменяется реакция среды.

Гидролизу подвергаются три типа солей:

• а) соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой (CuCl₂, NH₂Cl, Fe₂(S0₄)₃ — гидролиз по катиону);
• б) соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой (К₂С0₃, Na₂S — гидролиз по аниону);
• в) соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой (NH₄)₂C0₃, Fe₂(C0₃)₃ - гидролиз ng катиону и по аниону).

Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой, гидролизу  не подвергаются (NaCl, К₂SО₄, Ba(N0₃)₂).

В растворе NaCl индикаторы не изменяют свою окраску, т. к. растворенный в воде хлорид натрия находится в виде ионов:

NaCl «=* Na+ + СГ. Вода, хоть и незначительно,  но диссоциирует на ионы, и  устанавливается равновесие:

Таким образом, в растворе поваренной соли есть смесь катионов Na⁺ и анионов ОН^-, Сl^-. Ионы в растворе перемещаются беспорядочно и постоянно сталкиваются друг с другом. Но эти столкновения ионов Na⁺ и ОН^- , ионов Н⁺ и Сl^- к образованию соединений не приводят, так как NaOH - сильное основание, а НСl - сильная кислота. Так как слабые электролиты при растворении хлорида натрия в воде не образуются, хлорид натрия гидролизу не подвергается. Концентрация ионов Н⁺ равна концентрации ионов ОН^-, поэтому окраска индикаторов не изменяется.

Фенолфталеин становится малиновым  в растворе соды Na₂C0₃, т. к. Na₂CO₃ хорошо растворяется в воде и диссоциирует:

Столкновение ионов Na⁺ и ' C0₃^2- образуется малодиссоциирующий гидрокарбонатион. Вследствие связывания ионов Н⁺ в малодиссоциируюущий продукт, равновесие диссоциации воды смещается в сторону накопления ионов ОН^-. Раствор приобретает щелочную реакцию:

Под действием анионов ОН^- фенолфталеин становится малиновым.

Раствор хлорида алюминия имеет  кислую среду, т. к. в растворе АlСl₃ диссоциирует на ионы:

Столкновение ионов Н⁺ и Сl^- к образованию соединения не приводит. Из имеющихся в растворе ионов малодиссоциирующий продукт образуют ионы Аl³⁺ и ОН^-. Связывание ионов ОН^- в малодиссоциирующий ион АlOН²⁺ вызывает смещение равновесия диссоциации воды в сторону накопления ионов Н⁺.

 

ПОДЧИНЕНИЕ ГИДРОЛИЗА СОЛЕЙ  ПРИНЦИПУ ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ  

Гидролиз солей — обратимый  процесс. Для него, как и для  любой другой обратимой реакции, характерно состояние равновесия, которое  может смещаться по принципу Ле-Шателье. Например, если подкислять раствор  соли NH₄Cl, то равновесие сместится в левую сторону, то есть гидролиз замедлится: