Закон сохранения массы и энергии и его значения в химии

1. Закон сохранения массы и энергии и его значения в химии.

Ломоносов создал при академии наук химическую лабораторию. В ней он изучал протекание химических реакций, взвешивая исходные вещества и продукты реакции. При  этом он установил закон сохранения массы (веса):

    Масса (вес) веществ, вступающих в реакцию, равна массе (весу) вещества, образующихся в результате реакции.

    Ломоносов впервые сформулировал этот закон  в 1748 г., а экспериментально подтвердил его на примере обжигания металлов в запаянных сосудах в 1756 г.

    Несколько позже (1789 г.) закон сохранения массы  был независимо от Ломоносова установлен французским химиком Лавуазье, которой показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ.

    В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что между  массой тела (m) и его энергией (Е) существует связь, выражаемая соотношением

    Е = mc

    где с – скорость света в вакууме, 2,997925  10  м  с  (или приближенно 300 000 км / с). Это уравнение Эйнштейна справедливо как для макроскопических тел, так и для частиц микромира. При химических реакциях всегда выделяется или поглощается энергия. Поэтому при учете массы веществ необходимо принимать во внимание прирост или убыль ее, отвечающие поглощению или выделению энергии при данной реакции. Однако из-за громадного значения величины с тем энергиям, которые выделяются или поглощаются при химических реакциях, отвечают очень малые массы, лежащие вне пределов возможности измерения. Поэтому при химических реакциях можно не принимать во внимание ту массу, которая приносится или уносится с энергией.

    В любом процессе соблюдаются закон  сохранения энергии. Это закон выражается равенством

    Q =   U + A,

    которое означает, что если к системе (веществу или совокупности веществ) подводится теплота  Q, то в общем случае она расходуется на изменение внутренней энергии   U и на совершение работы А. Под внутренней энергией системы U подразумевается общий ее запас (включая энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов в атомах, внутриядерную энергию и т. д. д., т. е. все виды энергии, кроме кинетической энергии системы как целого и ее потенциальной энергии).

    Под работай А имеют в виду работу против всех сил, действующих на систему. Работу А, совершаемую системой при переходе из состояния 1, характеризуемого объемом V , в состояние 2 (объем V  ), удобно представить в виде суммы 
 

где А – работа против всех сил, действующих на систему, кроме внешнего давления р; V – объем системы. 

    Если  изучаемая система находится  только под действием давления, то равенство примет вид 
 

    В частности, работа, производимая в избранном  процессе (р = const), равна 

где   V – изменение объема системы в процессе.

    Для системы, в которой осуществляется химическая реакция, величина    V равна разности между суммарными объемами продуктов реакции исходных веществ. Так, в результате химического процесса, записанного в общем виде (заглавные буквы – вещества, строчные – коэффициенты)

    аА + bB + … - dD + eE + …

изменение объема системы составит 
 
 

где V  , V  , …, V  , V  - мольные объемы веществ A, B, …, D, E …; индексы «кон» и «исх» относятся соответственно к продуктам реакции и исходным веществам.   

    Применительно к изобарному процессу закон сохранения энергии запишется так: 

    Сумму внутренней энергии и произведения объема вещества на внешнее давление называют энтальпией (эту величину обозначают буквой H):  
 

    Энтальпия, подобно объему, давлению, температуре и внутренней энергии, является характеристикой состояния системы. Научное и практическое значение имеет изменение энтальпии в ходе процесса, т. е. разность   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Вода в природе.  Состав и строение  молекул воды. Полярность  молекул. Характеристика водородной связи.

    Вода  – весьма распространенное на Земле  вещество. Почти /  поверхности земного  шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится  в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

    Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и  она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

    Количество  примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1 % (масс). Морская вода содержит 3,5 % (масс.) растворенных веществ, главную массу которых  составляет хлорид натрия (поваренная соль).

    Вода, содержащая значительное количество солей  кальция и магния, называется жесткой  в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образуется накипь.

    Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, её фильтруют сквозь слой пористого вещества, например угля, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.

    Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые  примеси. Растворенные вещества удаляют  из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

    Вода  имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям само происхождение жизни связывается  с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой  протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

      Анализируя состав молекулы воды  можно сказать, что в ней два атома водорода и один атом кислорода «нашли друг друга». Таким образом, в составе воды, химическая формула которой записывается, как Н₂0 теоретически могут присутствовать девять различных стабильных видов воды (число перестановок из 5 по 3) Однако 99,97% всей води - в гидросфере представлено обычной водой вида Н₂0. доля тяжелой воды Н₂0 составляет менее 0,02%.

    Современной науке известно несколько моделей, с помощью которых можно разрешить  многие аномальные свойства воды. Считается, что некоторые свойства определяются количеством ассоциаций молекул  мономеров (Н₂О)₁, димеров (Н₂О)₂ и тримеров (Н₂О)₃, которые преимущественно присутствуют в воде при различных температурах.

    Молекула  воды имеет симметричную нелинейную структуру. Два ядра водорода и одно ядро кислорода образуют равнобедренный треугольник. Электронная плотность валентных электронов в молекуле воды распределена неравномерно: связывающие электронные пары смещены к атому кислорода вследствие того, что он более электроотрицателен, чем атомы водорода. Кроме тог кислород имеет еще две неподеленные электронные пары. В результате атом кислорода имеет отрицательный заряд -0,66 элементарного заряда, атомы водорода – положительный заряд +0,33 каждый, а молекула воды в целом представляет собой диполь. Ее электрический момент равен 5, 52  10  Кл  м. Это один из самых больших электрических дипольных моментов молекул с небольшим числом атомов. Эти особенности строения молекулы H O имеет очень важные следствия:

1) большой  электрический дипольный момент  молекулы воды является причиной  возникновения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных растворах;

2) молекула воды образует водородные связи с электроотрицательными атомами других молекул воды;

3) неподеленные  электронные пары позволяют молекуле  H O образовывать комплексные соединения по донорно-акцепторному механизму с катионами металлов.

    Два первых следствия являются причиной того, что вода имеет высокие температуры  кипения и плавания. Отсюда же широкий  температурный интервал существования  жидкого состояния воды (0…100 С) и большие числовые значения   H испарения (40,7 кДж / моль) и   H плавления (6,0 кДж / моль). В результате вода является растворителем, способным растворять огромное число неорганических и биоактивных веществ. В результате соединения двух атомов по разным типам связи образуется соответствующие двух атомные молекулы. Так как ионный и неполярный типы по сути дела являются крайними случаями полярного. Полярная молекула, например HF, характеризуется неравномерностью распределения в ней электрических зарядов. В результате оттягивания связующей электронной пары фтором та часть молекулы, в которой он находится, оказывается с избытком отрицательного заряда, а часть, где находится водород, - положительного.

    Всякая  молекула содержит в себе частицы, заряженные положительно (атомные ядра) и заряженные отрицательно (электроны). Для всех частиц каждого типа можно найти такую точку, которая будет являться как бы их электрическим «центром тяжести». Положение его зависит, очевидно, и от размещения самих частиц и от величины их зарядов. Если электрический центр тяжести всех положительных частиц совпадает с таковым же всех отрицательных, то молекула в целом характеризуется равномерностью распределения электричества, т. е. неполярной. Если электрические центры тяжести не совпадают, то получается полярная молекула. В случае очень резкого расхождения центров тяжести молекула окажется построенной по ионному типу.

    Степень неравномерности распределения  электричества в молекуле определяет ее полярность. Последнюю можно количественно  характеризовать, введя представление о так называемом диполе, под которым понимается система из двух одинаковых по величине разноименных электрических зарядов, расположенных на известном расстоянии друг от друга. Если величину каждого заряда принять во всех случаях равной элементарному количеству электричества (заряду электрона), то расстояние между ними, т.е. длина диполя, и будет характеризовать полярность молекулы. Так или иная полярность двухатомной молекулы непосредственно указывает на характер валентной связи между образующими ее атомами. Сама по себе полярность молекулы может быть в данном случае грубо оценена, исходя из температуры плавления или кипения.

    Водородная  связь – особый вид связи, свойственный только водороду. Эта связь является дополнительной, второй связью, который водород способен образовывать с наиболее электроотрицательными элементами, прежде всего – фтором, кислородом, азотам.

    Природа водородной связи преимущественно  электростатическая. Из-за того, что  в связях F – H, O – H, N – H, водород соединен с наиболее электроотрицательными атомами, электронное облако единственного валентного электрона атома H смещено в сторону атомов F, O, N. В результате с противоположной от связи стороне электростатическое поле, которое притягивает несвязывающие электронные пары атомов F, O, N соседних молекул. Это и является причиной образования водородной связи.

    Энергия водородной связи составляет обычно 10..40 кДж / моль, ее длина в два-три  раза превышает длины   - связей O – H и N – H. Водородная связь обозначается тремя точками    . За счет этой связи образуются одно-, двух- и трехмерные структуры. Примером одномерной структуры являются цепи HF. Примером двухмерных, плоских структур служит борная кислота, трехмерных структур – лед.   
 
 
 

    3. Что такое электролиты?  Сильные и слабые  электролиты. Степень диссоциации.

    Электролиты- вещества, подвергающиеся в растворах или в расплавах электролитической диссоциации и проводящие электрический ток за счет движения ионов. В зависимости от степени диссоциации все электролиты подразделяют на слабые и сильные. Такое деление условно, поскольку степени диссоциации зависит от концентрации электролита и температуры раствора и вследствие этого может меняться в широких пределах.

    Слабые  электролиты – это вещества, которые лишь частично диссоциируют на ионы. Из неорганических соединений к ним относятся: вода, пероксид водорода H O , некоторые неорганические кислоты, такие как угольная некоторые неорганические кислоты, такие как угольная H CO , сероводородная H S, кремниевая H SiO , сернистая H SO , азотистая HNO , циановодородная HCN, хлорноватистая HCIO, фосфорная H PO , борная H BO .

    Силу  электролита удобна характеризовать  с помощью константы диссоциации. Это более общая количественная характеристика силы электролитов, чем  степень диссоциации, так как  она не зависит от концентрации. 

    Диссоциацию слабого электролита АВ

АВ     А  +  B