Химия
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая и неорганическая химия
Издательство:
Научная книга
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
В практикуме содержатся необходимые теоретические сведения, расчетные формулы. Приведены примеры типовых задач с подробными решениями. Представлены задания для самостоятельного решения. Приведен перечень литературы.
Практикум предназначен для курсантов, слушателей и преподавателей Воронежского института ФСИН России.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ Кафедра математики и естественно-научных дисциплин ХИМИЯ Практикум Воронеж 2021
УДК 542 ББК 24 Х46 Утверждено методическим советом Воронежского института ФСИН России 17 ноября 2020 г., протокол № 3 Р е ц е н з е н т ы : профессор кафедры химии и химической технологии материалов Воронежского государственного технического университета доктор технических наук, доцент В. А. Небольсин; начальник кафедры безопасности информации и защиты сведений, составляющих государственную тайну Воронежского института ФСИН России доктор химических наук, профессор А. В. Калач Химия : практикум / сост. В. В. Корчагин, Р. В. Кузьменко ; ФКОУ ВО Воронежский институт ФСИН России. – Воронеж, 2021. – 64 с. В практикуме содержатся необходимые теоретические сведения, расчет- ные формулы. Приведены примеры типовых задач с подробными решениями. Представлены задания для самостоятельного решения. Приведен перечень ли- тературы. Практикум предназначен для курсантов, слушателей и преподавателей Воронежского института ФСИН России. УДК 542 ББК 24 Издано в авторской редакции. У ч е б н о е из д ан ие ХИМИЯ Практикум Составители Корчагин Владимир Викторович Кузьменко Роман Валентинович Подготовлено к печати организационно-научным и редакционным отделом Воронежского института ФСИН России 394072 г. Воронеж, ул. Иркутская, 1а Подписано в печать 19.07.2021. Формат 60 × 84 1/16. Усл. печ. л. 3,72. Печ. л. 4. Тираж 30 экз. Заказ № 201. © Составление. Корчагин В. В., Кузьменко Р. В., 2021 © ФКОУ ВО Воронежский институт ФСИН России, 2021 Х-46 Отпечатано с готового оригинала-макета в типографии ООО ИПЦ «Научная книга». 394026, г. Воронеж, Московский пр-т, 11/5 Тел. +7 (473) 220-57-15 http://www.n-kniga.ru. E-mail: typ@n-kniga.ru
ВВЕДЕНИЕ Химия – это наука, изучающая состав, строение и свойства веществ, процессы их превращений и те явления, которыми сопровождаются эти превращения. Говоря о значении химии, можно привести слова академика Ю. А. Овчинникова: «Могущество химии распространяется сегодня на познание самых удивительных явлений природы – от процессов в живой клетке до превра- щения веществ в глубинах Земли и Океана и на других планетах» [5]. Курс химии в высших учебных заведениях тесно связан с дисциплинами физика, математика и позволяет сформировать у обучающихся представления о наиболее важ- ных задачах, стоящих перед исследователями, работающими в области получения но- вых веществ и материалов, закладывает представления о фундаментальной взаимосвязи состава, строения и свойств веществ, что является основой для направленного поиска новых объектов с заданными полезными характеристиками. Предметом химии являются химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются химические реакции (ХР). Практикум подготовлен на основе действующей рабочей программы по дис- циплине «Химия» и соответствует требованиям федерального государственного об- разовательного стандарта высшего образования по специальности 11.05.04 Инфо- коммуникационные технологии и системы специальной связи. Дисциплина «Химия» формирует у обучающихся теоретические знания, умения и практические навыки не- обходимые для реализации государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников для решения практических задач в области инфо- коммуникационных технологий и систем специальной связи. При подготовке данного практикума авторы использовали общепризнанные учебники коллективов авторов под руководством Г. П. Хомченко [11], Н. Л. Глин- ки [2; 3], В. И. Сидорова [9], Е. В. Савинкиной [8], Н. Е. Кузьменко [5] и др. Мате- риалы были переработаны с учетом специфики подготовки и требований к изуче- нию дисциплины «Химия» в Воронежском институте ФСИН России. Данный практикум является продолжением ранее изданных пособий, подготовленных на кафедре математики и естественно-научных дисциплин в разные годы [7; 10]. Построение практикума имеет так называемую «блочную» структуру. В начале каждого пункта приводятся краткие теоретические сведения, которые потребуются для решения практических задач. Далее рассматриваются примеры расчета типовых задач с подробным алгоритмом решения. В конце каждого пункта предлагаются задачи для самостоятельного решения обучающимися, что позволя- ет проверить степень усвоения изученного материала. Целью всех приведенных в практикуме практических заданий является развитие интереса к химии как науке, развитие умения применять теоретические положения дисциплины «Химия» в конкретных практических задачах. Без систематического решения задач изучить предмет химии нельзя, поэтому основной упор в практикуме делается на организацию самостоятельной работы обучающихся, на развитие умений применять знания на практике, то есть на формирование компетенций. Структура практикума состоит из семи взаимосвязанных частей. В первой части рассмотрены понятия «химический элемент», «химическая формула», «относительная молекулярная масса», «моль», «массовая доля». Рассмотрены алгоритмы вычисления количества вещества, содержащегося в образце,
определения структурных единиц и количества молекул вещества, массовой доли вещества, вывода эмпирической формулы соединения. Во второй дается определение понятий «атом», «химический элемент», «атомная орбиталь», «энергетический подуровень», «спин», «электронная конфигурация атомов», «электроотрицательность», «валентность». Рассматриваются кван- товые числа, описывающие состояние каждого электрона в атоме и порядок запол- нения энергетических подуровней в атоме, который определяется принципом Пау- ли, правилом Гунда, принципом наименьшей энергии и правилами В. М. Клечковского. Рассмотрены основные типы химической связи, участвующие в связывании отдельных атомов в молекулы, ионы, радикалы и др. В третьей части рассматриваются понятия «период», «группа», «подгруп- па». Приводится формулировка периодического закона Д. И. Менделеева, объяс- нено периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от структуры их ядра. В четвертой рассматриваются понятия «энергия активации», «катализ», «хи- мическая кинетика», «химическое равновесие», «гомогенные и гетерогенные реак- ции», «скорость химической реакции». Пояснена суть закона действующих масс и принципа подвижного равновесия. Проанализировано влияние таких параметров протекания химимческих реакций, как концентрация вещества, давление, температу- ра, а также катализаторов на кинетику и химическое равновесие. В пятой рассмотрены понятия «растворы», «концентрация», «массовая доля». Приведены формулы для расчета мольной доли, молярной, моляльной и массовой концентраций раствора. В шестой части рассмотрены понятия «фаза», «диаграмма плавкости», «линия солидуса», «линия ликвидуса». Рассмотрена диаграмма плавкости двухкомпонентной системы с полной нерастворимостью компонентов друг в друге в кристаллическом состоянии. Приведена формулировка закона фазового равновесия. В седьмой приведена классификация окислительно-восстановительных реак- ций, даны определения понятий «окислитель», «восстановитель», «окисление», «вос- становление», «электролиз». Рассмотрены алгоритмы составления уравнений окис- лительно-восстановительных реакций. Описаны процессы, протекающие на электро- дах при электролизе расплавов и водных растворов электролитов. В конце практикума расположен библиографический список, который ис- пользовался авторами при подготовке данного практикума и может быть рекомен- дован обучающимся для углубления знаний в области химии. Практикум предназначен для обучающихся по специальности 11.05.04 Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи. Следует отме- тить, что данный практикум предполагает его использование совместно с класси- ческими учебниками или учебными пособиями, в которых дается полное и глубо- кое изложение изучаемых вопросов. Практикум может быть использован как для изучения материала под руко- водством преподавателя, так и при самостоятельном освоении дисциплины «Хи- мия». Авторы будут признательны за все замечания и предложения, направленные на улучшение данного практикума.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ 1.1. Атомные и молекулярные массы. Моль. Закон Авогадро Под химическим элементом понимают атомом, который имеет строго опре- деленный положительный заряд ядра и такое же число электронов, образующих уникальное строение электронных оболочек. Относительная атомная масса элемента Х – это безразмерная величина, ко- торая показывает во сколько раз масса атома рассматриваемого элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) больше 12 1 части массы изотопа углерода С 12 6 a r m X m X A ) ( ) ( , (1.1) где ) (X Ar – относительная атомная масса элемента X ; ) (X m – масса атома эле- мента X ; a m – атомная единица массы. Атомная единица массы (а.е.м.) соответствует 12 1 массы С 12 6 – основного изотопа углерода. 24 12 6 10 66057 ,1 ) ( 12 1 С атома m ma г. (1.2) Благодаря понятию относительной атомной массы легко определить относи- тельную молекулярную масса вещества X . Под ней понимают безразмерную ве- личину ) (X Mr , представляющую собой отношение массы молекулы вещества r m к атомной единице массы a m a r r m m X М ) ( , (1.3) Относительная молекулярная масса вещества ) (X Mr численно равна сумме всех ) (X Ari ( n i ,1 ) входящих в состав молекулы n-элементов с учетом индексов (k – индекс i-го элемента) ) ( ) ( 1 Х A k X М n i ri r , (1.4) Моль – количество вещества системы, содержащее столько молекул (ато- мов, электронов, ионов или других структурных единиц), сколько их содержится в 0,012 кг изотопа углерода С 12 6 . Молярная масса вещества ) (X M показывает массу 1 моля вещества X и рассчитывается ) ( ) ( ) ( X n X m X M , (1.5) где ) (X m – масса вещества X ; ) (X n – количество вещества X . В 1 моль любого вещества содержит одинаковое количество структурных единиц. ) (X M пропорциональна массе соответствующей структурной единицы, т. е. ) (X Ar или ) (X Мr .
Количество вещества ) (X n – рассчитывается как отношение числа струк- турных единиц (молекул, атомов, ионов и др.) вещества ) (X N к постоянной Аво- гадро A N ( 23 10 022 ,6 A N моль‒1) A N X N X n ) ( ) ( , (1.6) Число Авогадро ( A N ) определяет число структурных единиц, которые со- держатся в 1 моле вещества и осуществляет переход от молекулярных соотноше- ний к молярным. Мольная масса (масса 1 моля вещества, выраженная в граммах) ‒ это отно- сительная молекулярная масса вещества, представленная в атомных единицах мас- сы (а.е.м.), например: – 1 моль калия K имеет молярную (атомную) массу 0983 , 39 ) ( K M г/моль и содержит примерно 6,022·1023 атомов K ; – 1 моль фторида магния 2 MgF имеет молярную массу, равную 301 , 62 998 , 18 2 305 , 24 ) ( 2 MgF M г/моль и содержит 6,022·1023 ионов Mg и 12,044·1023 ионов F ; – 1 моль тетрахлорида кремния 4 SiCl имеет молярную массу, равную 898 , 169 453 , 35 4 086 , 28 ) ( 4 SiCl M г/моль и содержит 6,022·1023 молекул 4 SiCl . Для газов, если известен их объем, число молей можно рассчитать, исполь- зуя мольный объем газа: оказывается, что один моль любого газа будет занимать при нормальных условиях (за нормальные условия (н.у.) принимается температура К Т 273 и давление кПа Р 3, 101 ), объем 22,4 л 4, 22 ну V n , (1.7) где n – число молей вещества X ; ну V – объем газа в литрах при н.у. Если условия отличаются от нормальных, то число молей выражается из уравнения Клайперона–Менделеева T R V P n , (1.8) где V – объем газа; P – давление; R – универсальная газовая постоянная в едини- цах СИ, равная ) /( 314 ,8 К моль Дж ; Т – абсолютная температура в К ( 273 C t К t o ). Химическое вещество – это комплекс различных химических частиц (атом, молекула, катион, анион, радикал). Примеры решения задач Пример № 1.1 Для одной молекулы СО2 определите массу в граммах. Решение: Определим молекулярную массу СО2 . С учетом данных периодической си- стемы химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ) молекулярная масса равна ) ( 2 ) ( ) ( 2 О М С М СО М r r r ; 44 16 2 12 ) ( 2 СО Мr а. е. м.
Тогда мольная масса СО2 равна 44 г/моль. В ) ( 2 СО М содержится 23 10 02 ,6 молекул. Определяем массу одной молекулы 23 23 10 31 ,7 10 02 ,6 44 m г. Пример № 1.2 Рассчитайте количество вещества Mg массой 7, 12 г? Решение: Молярная масса Mg составляет 3, 24 ) ( X M г/моль. С учетом формулы (1.1) количество Mg в образце рассчитывается 52 ,0 3, 24 7, 12 ) ( Mg n моль. Пример № 1.3 Имеется образец SO3 VI массой 12 г. Рассчитайте количество вещества, ко- торое содержится в данном образце. Решение: Молярная масса SO3 ) ( 3 ) ( ) ( 3 O M S M SO M . 32 ) ( S M г/моль, 16 ) ( О M г/моль. Отсюда: 80 16 3 32 ) ( 3 SO M г/моль. Используя (1.1), находим количество SO3 в образце 15 ,0 80 12 ) ( 3 SO n моль. Пример № 1.4 Необходимо рассчитать массу карбоната натрия, обладающего количеством вещества 25 ,0 моль. Решение: Вначале рассчитаем его молярную массу ) ( 3 ) ( ) ( 2 ) ( 3 2 O M C M Na M СO Nа M . 23 ) ( Na M г/моль, 12 ) ( C M г/моль, 16 ) ( O M г/моль. Получаем 0, 106 16 3 12 23 2 ) ( 3 2 СO Nа M г/моль. Из формулы (1.5) выразим ) (X m ) ( ) ( ) ( 3 2 3 2 3 2 СO Nа M СO Nа n СO Nа m и определяем массу карбоната натрия ) ( 3 2СO Nа m в образце 5, 26 0, 106 25 ,0 ) ( 3 2 СO Nа m г. Пример № 1.5 Имеется образец сульфида железа (II) FeS массой 33 г. Рассчитайте количе- ство вещества атомной серы, которое содержится в этом образце.
Решение: ) (FeS M ( II ) рассчитывается ) ( ) ( ) ( Fe M S M FeS M ; Получаем 88 56 32 ) ( FeS M г/моль. Из (1.5) определим количество молей ) (FeS n ) ( ) ( ) ( FeS M FeS m FeS n ; 375 ,0 88 33 ) ( FeS n моль. Из анализа молекулярной формулы FeS (II ) видно, что величина ) (S n рав- на величине ) (FeS n , т. е. ) ( ) ( FeS n S n . Тогда 375 ,0 ) ( S n моль. Пример № 1.6 Сколько структурных единиц содержится в молекулярном йоде массой 8, 50 г? Решение: Молярная масса молекулярного йода 2 I вычисляется по формуле (1.4) ) ( ) ( 2 I M n I M . Зная, что молярная масса атомарного йода соответственно равна 127 ) ( I M г/моль, получим 254 127 2 ) ( 2 I M г/моль. Из формулы (1.6) выразим ) (X n ) ( ) ( ) ( 2 2 2 I M I m I n и определяем количество вещества молекулярного йода ) ( 2 I n в образце 2,0 0, 254 8, 50 ) ( 2 I n моль. Для определения числа структурных единиц (в данном примере – молекул) йода воспользуемся постоянной Авогадро NA . С учетом формулы (1.6) получим A N I n I N ) ( ) ( 2 , 23 23 2 10 2,1 10 6 2,0 ) ( I N молекул. Пример № 1.7 Сколько молекул содержится в 4,6 г серы? Решение: Молекулярная масса S равна 32 ) ( S M г/моль. Для определения количество вещества в 4,6 г серы используем формулу (1.5). Получаем
2,0 0, 32 4,6 ) ( S n моль. Для определения числа структурных единиц S (молекул) воспользуемся формулой (1.6). Получаем 23 23 10 2,1 10 022 ,6 2,0 ) ( S N молекул. Пример № 1.8 Определите массу фосфора, которую можно получить из 620 кг ортофосфа- та кальция 2 4 3 ) (PO Ca . Решение: По условию имеем массу ортофосфата кальция 620 ) ) ( ( 2 4 3 PO Ca m кг. Молярная масса ортофосфата кальция, с учетом формулы (1.4), равна )) ( 4 ) ( ( 2 ) ( 3 ) ) ( ( 2 4 3 O M P M Ca M PO Ca M . По таблице периодической системы элементов Д. И. Менделеева запишем молярные массы атомных кальция, фосфора и кислорода, равные 40 ) ( Ca M г/моль, 31 ) ( P M г/моль, 16 ) ( O М г/моль. Получаем 310 ) 16 4 31 ( 2 40 3 ) ) ( ( 2 4 3 PO Ca M г/моль. Из формулы (1.5) выразим количество вещества ортофосфата кальция ) ) ( ( ) ) ( ( ) ) ( ( 2 4 3 2 4 3 2 4 3 PO Ca M PO Ca m PO Ca n . Подставим значения 3 3 2 4 3 10 2 310 10 620 ) ) ( ( PO Ca n моль. На основании формулы 2 4 3 ) (PO Ca получаем, что количество вещества атомарного фосфора в два раза больше количества вещества 2 4 3 ) (PO Ca , т. е. ) ) ( ( 2 ) ( 2 4 3 PO Ca n P n , 3 3 10 4 10 2 2 ) ( P n моль. Тогда, с учетом формулы (1.5), масса фосфора равняется ) ( ) ( ) ( P М Р п P т , 3 3 10 124 31 10 4 ) ( P т г = 124 кг. Пример № 1.9 Сколько молекул 4 2SO H содержится в 9,4 г серной кислоты? Сколько ато- мов водорода, серы и кислорода содержится в таком количестве 4 2SO H ? Решение: По условию имеем массу серной кислоты 9,4 ) ( 4 2 SO H m г. По формуле (1.4) рассчитаем ) ( 4 2SO H Mr ) ( 4 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 4 2 O М S М H М SO H M r r r r . По ПСХЭ определим ) (H M , ) (S M и ) (O М с точностью до целой части 1 ) ( H M г/моль, 32 ) ( S M г/моль, 16 ) ( O М г/моль.
Получаем 98 16 4 32 1 1 2 ) ( 4 2 SO H M г/моль. Из формулы (1.5) выразим количество вещества ) ( 4 2SO H n ) ( ) ( ) ( 4 2 4 2 4 2 SO H M SO H m SO H n . Получаем 05 ,0 98 9,4 ) ( 4 2 SO H n моль. Для нахождения числа молекул 4 2SO H воспользуемся формулой (1.6), умножив число Авогадро на число молей 22 23 4 2 10 0,3 05 ,0 10 022 ,6 ) ( SO H N молекул. Задачи для самостоятельного решения 1.1. Руководствуясь данными ПСХЭ, рассчитайте молярную массу следую- щих химических веществ: а) 7 4 2 O B Na , б) 4 FeSO , в) 2 2) (CrO Fe , г) 3 2O Cr , д) 3 HNO , е) 4 3PO Na , ж) 3 2SiO K , з) 3 2CO K , и) 4 2SO K , к) 7 2 2 O Cr K . 1.2. Определите, в каком количестве вещества оксида серы ( IV ) будет содержаться такое же число атомов серы, какое содержится в пирите 2 FeS массой 24 г? 1.3. Определите ) ( 2 Br п , которое содержится в молекулярном Br массой 0, 15 г. 1.4. Определите ) (NaI т , которая содержится в 9,0 ) ( NaI п моль. 1.5. Имеется образец тетрабората натрия 7 4 2 O B Na массой 4, 40 г. Оцените количество вещества атомного бора, которое содержится в этом образце. 1.6. Для молекулярного йода массой 70 г определите количество структурных единиц. 1.7. Используя данные периодической системы химических элементов определите количество атомов фосфора, содержащихся в образце тетрафосфора 4 Р массой 155 г. 1.8. Для образца сульфата железа ( III ) массой 22 г рассчитайте количество вещества атомной серы, которое содержится в нем. 1.9. Имеется заготовка из алюминия массой 8, 10 г. Оцените количество вещества алюминия, которое содержится в этой заготовке. 1.2. Массовая доля. Вывод эмпирических формул Химическая формула отражает состав вещества с помощью условных обозначений химических знаков элементов и индексов или цифр, стоящих справа вни- зу от символа элемента, и обозначает число атомов соответсвующего элемента в молекуле. Она содержит информацию об атомах элементов, входящих в состав вещества и образующих молекулу. Это дает возможность рассчитать массы каж- дого элемента в соединении и его массовую долю. Вывод простейшей формулы вещества основывается на знании его состава и атомной массы элементов, образующих данное соединение.