Общая химия. Учебное пособие

Общая химия. Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие представляет собой курс лекций по общей химии, изданный отдельной книгой в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова и читаемый студентам нехимических специальностей. Версия, публикуемая на сайте http://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/, содержит основной материал, достаточный для усвоения дисциплины и успешной сдачи экзамена.

В гипертекстовом варианте пособие имеет множество ссылок на внешние интернет-ресурсы, тщательно отобранные авторами. На каждой странице сайта внешние ссылки отображаются на цветном фоне. Они служат для пояснения некоторых понятий и для более детального ознакомления с разделами курса. В совокупности с материалами, представленными на внешних ресурсах, пособие может служить для углубленного изучения дисциплины "Общая химия", в том числе и студентами химических специальностей. Во многих случаях внешние ссылки сопровождаются внутренними, которые ведут к соответствующим параграфам данного учебного пособия. Такие внутренние ссылки показаны в виде звездочек* или подчеркнутого текста на белом фоне. Отдельные пояснения появляются как всплывающий текст в результате наведения курсора мыши на слово или словосочетание, отображенное на цветном фонеПри наведении курсора мыши появляется всплывающий текст, содержащий дополнительные пояснения..

В гипертекстовой версии пособие не содержит разделов "Атомно-молекулярное учение" и "Химический эквивалент", с которыми читатель может ознакомиться по цитируем здесь внешним источникам. Полезным для изучения дисциплины является также дополнительный раздел "Газовые законы".

Авторы будут признательны за любые замечания и предложения, направленные на улучшение пособия и оптимизацию подборки ресурсов Интернет.

А.И. Хлебников*, И.Н. Аржанова, О.А. Напилкова

1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ

1.1 ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты, сопровождающие химические процессы, а также возможность и направление самопроизвольного протекания процессов.

Системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии с окружающей средой и мысленно обособляемых от нее.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии:

Q = ΔU + A

Это соотношение называется первым началом термодинамики и означает, что если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы A.

Под внутренней энергией системы U подразумевается общий ее запас (энергия движения молекул, электронов, внутриядерная энергия и т.д.) кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.

Работа обычно совершается при расширении системы против внешнего давления и при постоянном давлении равна A=PΔV. Поэтому первое начало термодинамики можно записать в виде:

Q_p = ΔU + PΔV = U₂ - U₁ + P(V₂ - V₁) = (U₂ + PV₂) - (U₁ + PV₁) = H₂ - H₁ = ΔH

Величина H=U+PV называется энтальпией. Таким образом, тепловой эффект процесса при постоянном давлении равен изменению энтальпии ΔH. При постоянном объеме V₁=V₂, поэтому Q_v=ΔU. Q_v≠Q_p, т.е. тепловой эффект процесса зависит от условий его протекания.

В лабораторных условиях реакции обычно проводятся при постоянном давлении (например, в колбе). Тепловые эффекты, измеренные при атмосферном давлении (101325 Па[1]) называются стандартными и обозначаются ΔH°. В обозначении может указываться абсолютная температура, при которой определен тепловой эффект, например ΔH^o₂₉₈ (при 1 атм и 25°С).

Реакции могут протекать с выделением тепла (экзотермические) и с его поглощением (эндотермические). Уравнения реакций, в которых указан тепловой эффект, называются термохимическими. В них приводятся агрегатные состояния веществ (г – газ, ж – жидкость, т – твердое вещество, к – кристаллы), а коэффициенты имеют смысл молей[2] . Например:

H₂(г) + Cl₂(г) → 2 HСl(г) + 184 кДж

Реакция экзотермическая, поэтому тепловой эффект указан со знаком “плюс”. Однако ΔH^o₂₉₈= –184 кДж, т.к. система теряет теплоту, отдавая ее в окружающую среду. То же уравнение можно записать по-другому:

1/2 H₂(г) + 1/2 Cl₂(г) → HСl(г) + 92 кДж; ΔH^o₂₉₈= –92 кДж

Закон Гесса: Тепловой эффект процесса зависит только от состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от способа его проведения. Проиллюстрируем применение закона Гесса схемой образования углекислого газа при окислении графита: