Вопросы с ответами по химии онлайн

1. Химия как раздел естествознания

Химия относится к числу естественных наук, изучающих окружающий нас мир со всеми богатствами его форм и многообразием происходящих в нем явлений. Химия – наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ. Зависимость свойств веществ от их строения и состава, условия и пути превращения одних веществ в другие. Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими и химическими свойствами в химии называется веществом. Для химической переработке природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ. Стехиометрия – раздел химии в котором рассматриваются базовые и объемные отношения между реагирующими веществами.



2. Важнейшие классы и номенклатура неорганических веществ

Все вещества делятся на простые и сложные. Простые состоят из одного элемента, а сложные из 2х и более. Простые делятся на металлы и неметаллы. Сложные делятся на органические и неорганические. Органические вещества это соединения углерода. Все остальные – неорганические. Неорганические вещества делятся на классы либо по составу, либо по функциональным признакам. По составу выделяют: 1) оксиды – соединения с кислородом; 2) галогениды – соединения с галогенами; 3) нитриды – с азотом; 4) карбиды – с углеродом; 5) гидриды – с водородом. По функциональным признакам выделяют подразделяют на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие подразделяются на основные, кислотные и амфотерные. Основными называют оксиды, взаимодействующие с кислотами с образованием солей. (CaO+H2O= Ca(OH)2). Кислотными называют оксиды, взаимодействующие с основаниями, с образованием солей. Присоединяя воду, получается кислота. (SO3+H2O=H2SO4). Амфотерными называются оксиды, образующие соли при взаимодействии как с кислотами, так и с основаниями. Несолеобразующие не способны взаимодействовать с кислотами или с основаниями с образованием солей.

3. Законы стехиометрии:

1) Закон сохранения масс – масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

2) Закон постоянства состава – соотношение между массами элементов, входящих в состав данного соединения постоянно и не зависит от способа получения данного соединения.

3) Закон эквивалентов – вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

4) Закон кратных отношений – если два элемента образуют несколько соединений, то массовое количество одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого элемента соотносятся как небольшие целые числа

5) Закон простых объёмных отношений – объёмы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к образовавшимся газообразным продуктам как небольшие целые числа.

6) Закон Авогадро – в равных объёмах любых газов, взятых при одинаковых температурах и давлениях, содержится одинаковое число молекул.

Следствие из закона Авогадро – при определенных температуре и давлении один моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объём.

4. Атом. Молекула. Ион

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. Ион – заряженная частица.

5. Атомы и молекулярные массы. Моль эквивалент

Относительной молекулярной массой простого или сложного элемента называют отношение массы его молекулы к 1/12 части массы атома 12С.

Моль – количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода 12С. (в настоящее время число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества (постоянная Авогадро) определено с большой точностью – 6,02*1023 моль-1). Эквивалент элемента – такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

6. Ядерная модель строения атома. Квантово - механические представления о строении атома.

Согласно модели, предложенной Резерфордом в 1911 году, атом состоит из положительного заряженного ядра, в котором сосредоточена большая часть массы атома, и вращающихся вокруг него электронов. Положительный заряд ядра нейтрализуется суммарным отрицательным зарядом электронов, так что в целом атом электронейтрален. Возникающая вследствие вращения электронов центробежная сила уравновешивается силой электростатического притяжения. Размеры ядра очень малы. Из опытов Резерфорда следовало, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице. Создание квантовой механики произошла на пути обобщения представления квантово – волновой двойственности фотона на все объекты микромира, в первую очередь на электрон. . Где h – постоянная планка, m – масса электрона, v – скорость электрона, p – импульс электрона.

9. Принцип Паули. Правило Хунда.  Правило Кличковского

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых все 4 квантовых числа были бы одинаковыми. Два электрона, спины которых имеют противоположные знаки, находящиеся на одной орбитали называются спаренными, в противном случае – неспаренными. Правило Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Правило Кличковского: при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l) к орбиталям с большим значениям этой суммы.

10. Строение атомных ядер. Изотопы

Согласно современным представлениям, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон – элементарная частица, обладающая массой и положительным зарядом, равной по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон – элементарная частица, обладающая массой но не обладающая зарядом. Сумма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома (ядра). Между образующими ядро частицами действуют 2 вида сил: электростатические силы взаимного отталкивания положительно заряженный протонов, и силы притяжения между всеми частицами, входящих в состав атома, называемые ядерными силами. Масса ядра всегда меньше суммы масс всех составляющих ядро частиц. Это явление называется дефектом масс. Величина энергии, выделяющаяся при образовании ядра атома гелия из протонов и нейтронов называется энергией связи ядра и характеризует его устойчивость: чем больше энергии выделилось, тем устойчивее ядро. Изотопы – атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов.

11. Периодический закон. Периодическая таблица Д.И. Менделеева. Порядковый номер элемента

Между всеми химическими элементами существует связь, объединяющая их в одно единое целое. Если расположить все элементы в порядке возрастания их атомных масс, то можно заметить, что сходные в химическом отношении элементы встречаются через правильные интервалы, и что в ряду элементов многи их свойства периодически повторяются. Эту закономерность выражена в периодическом законе, сформулированном Д.И. Менделеевом:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Если проследить изменение свойств элементов, стоящих в периодической таблице, то можно заметить, что изменение свойств химических элементов не совершается непрерывно в одном и том же направлении, а имеет периодический характер. Через определенное число элементов происходит как бы возврат назад к исходным свойствам, после чего они вновь повторяют свойства предыдущих элементов в той же последовательности, но с некоторыми качественными и количественными различиями. Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно Менделеев назвал периодами. Разделив все элементы по периодам, и расположив периоды один под другим, Менделеев составил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам.  Она состоит из восьми вертикальных столбцов и десяти горизонтальных рядов.

13. Теория химического строения

Основу теории, разработанную Бутлеровым, составляют следующие положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.

3. Свойства вещества зависят не только от их состава, но и от их химического строения, т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют атомы непосредственно связанные между собой.

Таким образом согласно теории Бутлерова свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, как считали раньше, но и внутренней структурой молекул, определенным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу. Эту внутреннюю структуру Бутлеров назвал химическим строением. Из теории Бутлерова вытекает возможность изображать строение молекул в виде структурных формул, в которых указана последовательность соединения атомов друг с другом, а каждая черточка, соединяющая атомы, обозначает единицу валентности. Изомерия – явление, которое заключается в существовании соединений, обладающих одним и тем же количественным и качественным составом, но разными свойствами. Такие соединения были названы изомерами.

14. Типы химической связи

В настоящее время различают следующие типы химической связи: 1) Ионная (гетерополярная) связь образуется в результате передачи электронов атомами одного элемента атомам другого. 2) Ковалентная (атомная) связь бывает неполярной и полярной. Эта связь возникает как результат образования общих электронных пар. 3) Металлическая обусловлена наличием в кристаллических структурах металлов трехмерного каркаса из катионов, погруженных в электронный газ. 4) Водородная связь возникает в результате том случае, когда атом водорода связан с очень электроотрицательным атомом. 5) Межмолекулярные связи (силы Ван-дер-Вальса). Силами Ван-дер-Вальса называют силы взаимного притяжения молекул. Силы Ван-дер-валься проявляются в результате действия 3х факторов: 1) Ориентационных – дикольдикольное взаимодействие 2) индукционных сил – наведенный диколь

3) Дисперсионные силы

15. Метод валентной связи

Метод валентной связи ( МВС) дает теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентной связи, позволяет понять строение большого числа молекул. В основе МВС лежат следующие положения: 1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам. Комбинации таких двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем. 2. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака. Для наглядного изображения валентных схем обычно пользуются следующим способом. Электроны, находящиеся во внешнем электронном слое, обозначаются точками, располагаемыми вокруг химического символа атома. Общие для двух атомов электроны показывают точками, помещаемыми между их химическими символами; двойная или тройная связь обозначается соответственно двумя или тремя парами общих точек.

17. Направленность ковалентной связи

Способность молекулы вступать в химическое  взаимодействие с другими молекулами (реакционная способность) зависит не только от прочности химической связи в молекуле, но в значительной мере и от ее пространственного строения. Раздел химии, изучающий геометрическую структуру молекул, их пространственное строение называется стехиометрией. Ковалентная связь обладает направленностью. Так в молекуле водорода перекрывание s-электронных облаков происходит вблизи прямой, соединяющей ядра взаимодействующих атомов. Такая связь называется сигма-связь. При взаимодействии p-электронных облаков, ориентированных перпендикулярно оси связи, образуется не одна, а две области перекрывания, расположенные по обе стороны от этой оси. Такая ковалентная связь называется пи-связью. Устойчивому состоянию молекулы отвечает такая ее геометрическая структура и такое пространственное расположение электронных облаков внешних оболочек атомов, которым отвечает наименьшая потенциальная энергия молекулы. Это приводит к тому, что достигается более полное перекрывание валентных электронных облаков, и следовательно образование более прочных ковалентных связей.

18. Гибридизация атомных электронных орбиталей

Метод гибридизации атомных орбиталей исходит из предположения, что при образовании молекулы вместо исходных атомов s-, p-, и d-электронных облаков образуются такие равноценные гибридные электронные облака, которые вытянуты по направлению к соседним атомам, благодаря чему достигается их более полное перекрывание с электронными облаками этих атомов. 22. Превращения энергии при химических реакциях

Химические реакции протекают с поглощение или выделением энергии. Обычно эта энергия выделяется или поглощается в виде теплоты. Все вещества еще до реакции в скрытой форме обладают определенной энергией. Такая внутренняя энергия называется внутренней энергией вещества. При химических превращениях освобождается часть содержащейся в веществах энергии. Тепловой эффект реакции – количество теплоты, выделяющееся при реакции. Реакции, протекающие с поглощением энергии называются эндотермическими, а с выделением – экзотермическими.

23. Основные понятия термохимии

В конце 18 века было установлено, что если при образовании какого либо соединения выделяется (поглощается) некоторое количество теплоты, то при разложении этого соединения в тех же условиях такое же количество теплоты поглощается (выделяется). Это положение установлено из закона сохранения энергии, из него следует, что чем больше теплоты выделяется при образовании того или иного соединения, тем больше энергии необходимо затратить на его разложение. Поэтому вещества, при образовании которых выделяется большое количество теплоты, весьма прочны и трудно разлагаются. Теплота образования соединения – количество теплоты, которое выделяется при образовании одного моля соединения из простых веществ. Тепловые эффекты можно включать в уравнение реакций.  Химические уравнения, в которых указано количество выделяющейся или поглощаемой теплоты, называются термохимическими уравнениями.

24. Законы термохимии

1й закон термохимии  (Закон Лавуазье-Лпласса): если при образовании какого либо соединения выделяется (поглощается) некоторое количество теплоты,то при разложении этого соединения в тех же условиях  такое же количество теплоты поглощается (выделяется). Закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Следствие закона Гесса: Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования получающихся веществ за вычетом суммы теплот образования исходных веществ.

25. Термодинамические функции: внутренняя энергия, энтальпия

Внутренняя энергия вещества – это полная энергия частиц, составляющих данное вещество. Оно слагается из кинетической и потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия – энергия поступательного, колебательного и вращательного движения частиц; потенциальная энергия обусловлена силами притяжения и отталкивания, действующими между частицами. В случае химической реакции, протекающей без изменения объема системы, изменение внутренней энергии равно взятому с обратным знаком тепловому эффекту этой реакции. Энтальпия, как и внутренняя энергия, характеризует энергетическое состояние вещества, но включает энергию, затрачиваемого на преодоление внешнего давления, т.е. на работу расширения. В случае химической реакции изменение энтальпии равно взятому с обратным знаком тепловому эффекту реакции, проведенной при постоянной температуре и постоянном давлении.

26. Термодинамические расчеты: энтропия, энергия Гиббса

Энтропия – величина, пропорциональная ее логарифму. Энтропия связана с числом равновероятных микроскопических состояний. С повышением температуры энтропия всегда возрастает, т.к. возрастает  интенсивность движения частиц, а следовательно растет число способов их расположения. Подобно внутренней энергии и энтальпии, энтропия зависит только от состояния системы. Но в отличие от этих 2х функций, связь изменения энтропии с теплотой зависит от способа проведения процесса – от его скорости. В ходе того или иного процесса соотношение между теплотой и производимой работой может быть различным. Только разность этих величин не зависит от способа осуществления процесса. При быстром его проведении работа бывает малой, а при медленно она возрастает. При бесконечно медленном осуществлении процесса работа принимает максимально возможное значение. Такое проведение процесса называется обратимым.

27. Скорость химических реакций

Различают гетерогенные реакции и гомогенные. Гомогенные – реакции протекающие в гомогенной системе, а гетерогенные в гетерогенной. Система – вещество или совокупность веществ. Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенная – система, состоящая из одной фазы, а гетерогенная из нескольких фаз. Фаза – часть системы, отделенная от других ее частей границей раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единицу объема. Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы. Скоростью реакции в гомогенной системе называется изменение концентрации какого-либо вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции, происходящее за единицу времени.

28. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемые атомами другой. Только при этом станут возможны переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ – продуктов реакции. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Закон действия масс: при постоянной температуре  скорость химической реакции прямо пропорционально концентрации реагирующих веществ в стехеометрических степенях.

29. Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ

Энергия активации различных реакций различна, для некоторых она мала, а для других наоборот велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Если энергия активации очень велика, то это означает, что лишь очень маленькая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции.  Скорость этой реакции очень мала. Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое состояние, называемое активированным комплексом. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время, он распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется.

30. Зависимость скорости реакции от температуры

Не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию нового продукта реакции. Что бы образовались новые молекулы необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным и не приведет к образованию новой молекулы. Избыточная энергия, которой должна обладать молекула для того, что бы их столкновение могло привести к образованию молекулы нового вещества, называется энергией активации, а молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. С ростом температуры число таких молекул возрастает. Отсюда следует, что с ростом температуры скорость реакции увеличивается. Возрастание скорости реакции с ростом температуры называют температурным коэффициентом скорости реакции. Оно показывает, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10 градусов.