Для того чтобы определить строение молекулы методом Гиллеспи предлагается следующий порядок действий.
1. На основании формулы молекулы определяется число лигандов n, с которыми центральный атом образует связь и записывается формула AХnEm с указанием значения n.
2. Находится общее число связывающих и неподелённых электронных пар (n + m) по формуле:
(n + m) = 1/2 (Nц + Nл – z) –
,
где Nц – число электронов центрального атома на его внешнем электронном слое, Nл – число электронов лигандов, участвующих в образовании связей с центральным атомом,
– число
-связей в молекуле, z – заряд иона (в случае определения строения молекулярного аниона).
3. Определяется пространственное расположение всех электронных пар (связывающих и неподелённых).
4. Находится число неподелённых электронных пар m и уточняется формула молекулы AХnEm (указывается значение m).
5. Устанавливается геометрия молекулы.
Вопрос 18) Эффективные заряды атомов в молекулах. Дипольный момент связи, дипольный момент молекул. Дипольный момент молекулы и её строение на примерах ….
ЭФФЕКТИВНЫЙ ЗАРЯД АТОМА, характеризует разность между числом электронов, принадлежащих данному атому в хим. соед., и числом электронов своб. атома. Для оценок эффективного заряда атома используют модели, в к-рых экспериментально определяемые величины представляют как ф-ции точечных неполяризуемых зарядов, локализованных на атомах; напр., дипольный момент двухатомной молекулы рассматривают как произведение эффективного заряда атома на межатомное расстояние. В рамках подобных моделей эффективные заряды атомов можно рассчитать, используя данные оптич. или рентгеновской спектроскопии, ЯМР и др. Однако, поскольку электронная плотность в хим. соед. делокализована и границ между атомами не существует, нельзя описать разл. характеристики соед. одним набором эффективных зарядов атомов; значения этого показателя, определенные разными эксперим. методами, могут не совпадать. Эффективные заряды атомов можно определить также на основе квантовохим. расчетов.
Мера полярности связи – её дипольный момент ( ) – определяется произведением
= q l,
где q – эффективный заряд, l – длина диполя (расстояние между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +q и –q).
Дипольный момент – это векторная величина. Понятия “дипольный момент связи” и “дипольный момент молекулы” совпадают только для двухатомных молекул. Дипольный момент сложной молекулы равен векторной сумме дипольных моментов всех связей. Дипольный момент многоатомной молекулы зависит не только от полярности отдельных связей в молекуле, но и от геометрической формы молекулы.
Например, в линейной молекуле СО2 каждая из связей С–О полярна, а молекула в целом неполярна
( (СО2)=0), так как дипольные моменты связей компенсируют друг друга (рис. 8.1). В угловой молекуле Н2О связи расположены под углом 104,5o и векторная сумма дипольных моментов
двух связей выражается диагональю параллелограмма (рис. 8.1). Если
¹ 0, то молекула полярна.
Что важно – чем симметричнее молекула, тем меньше ее μ, например симметричные молекулы (CO2; BCl3; CCl4; PCl5; SF6) неполярны и имеют μ=0.
Вопрос 19) Основные положения метода молекулярных орбиталей (МО ЛКАО). Объясните парамагнитные св-ва … и найдите кратность связи в … и …
Основные положения метода МО:
1) е заселяются вместе в соответствии с принципом Паули: на 1 орбитали не более не более 2-х е)
и правилом Хунда: при наличии орбитали с одинаковой энергией эти орбитали заселяются сначала по 1 е
2) Каждый разрыхляющий е сводит на нет действие связующего электрона. Если разрых е больше или столько же, сколько связующих,то молекула не образуюется. Кр св = (число е(связ)- число е (разрых))/ 2
3) ММО позволяет определить магнитные свойства молекулы: если молекула имеет неспаренный электрон,то она является парамагнетиком, такая частица выталкивается из магнитного поля, частица, имеющая неспаренный электрон называется радикалом, они химически активны и ядовиты. Молекулы, у которых все е спарены, явл диамагнетиками, они не реагируют на магнитное поле.
Энергетический ряд МО
Вопрос 20) Основные положения метода валентных связей при описании химической связи в комплексных соединениях. Рассмотрите на примерах … и …
Согласно МВС при образовании КС возникает д/а связь за счет неподеленной электронной пары лигандов и свободных квантовых ячеек комплексообразователя. При этом орбитали комплексообразователя подвергаются гибридизации. В случае sp гибр – правильный треугольник, sp3 - тетраэдр, dsp2 – квадратная молекула, dsp3 – тригональная бипирамида, d2sp3 - октаэдр. Свободные пары е, которыми обладают лиганды, заполняют пустые орбитали центрального иона. Эти орбитали объединяют в гибридные комбинации в зависимости от координационного числа (к.ч).
Вопрос 21) Основные положения теории кристаллического поля при описании химической связи в комплексных соединениях. Рассмотрите на примерах … и …
Основные положения:
1. связь между к/о и лигандами рассматривается как электростатическая.
2. Лиганды считаются точечными ионами или точечными диполями, их электронное строение игнорируется.
3. Лиганды и к/о считаются жестко закрепленными.
4. Подробно рассматривается электронное строение к/о.
Вопрос 22) Эквиваленты в-в в реакциях обмена (или в окислительно – восстановительных реакциях). Фактор эквивалентности, молярная масса эквивалента, молярный объём эквивалента. Приведите три примера. Закон эквивалентов.
Эквивалент – реальная или условная частица вещества Х, которая в данной кислотно-основной реакции или реакции обмена эквивалентна одному иону водорода Н+ (одному иону ОН- или единичному заряду), а в данной окислительно-восстановительной реакции эквивалентна одному электрону. Иными словами, эквивалент – это часть молекулы, приходящаяся на один электрон в данной ОВР или на один протон (один гидроксил, единичный заряд) в данной обменной реакции.
Фактор эквивалентности fэкв(X) – число, показывающее, какая доля реальной или условной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода или одному электрону в данной реакции, т.е. доля, которую составляет эквивалент от молекулы, иона, атома или формульной единицы вещества. Эта величина меняется от нуля до единицы.
1 моль экв. содержит 6,02.1023 эквивалентов, а его масса в граммах и будет молярной массой эквивалента: Мэкв = fэкв.M.
Молярный объём эквивалента – это объём, который занимает 1 моль экв. в-ва при нормальных условиях.
Закон эквивалентов: вещества реагируют в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Если взято n(экв1) моль эквивалентов одного вещества, то столько же моль эквивалентов другого вещества n(экв2) потребуется в данной реакции, т.е. (Числа эквивалентов веществ, вступивших в реакцию, и образовавшихся в результате реакции, равны)
nэкв(А)= nэкв(В)= nэкв(С)= nэкв(D)
Пример: O2(0)----+4e----2O(-2)
Fэкв =1/4; Mэкв = M* fэкв = 34*1/4 = 8г/моль; Vэкв = Vm*fэкв = 22,4*1/4=5,6 л/моль*экв
Вопрос 23) Закон эквивалентов. Различные формы записи закона (реакции в-в в растворах, реакции в-в в газообразном состоянии). Что такое нормальная концентрация и как она связана с молярной концентрацией?
Вопрос 22
1 моль экв. содержит 6,02.1023 эквивалентов, а его масса в граммах и будет молярной массой эквивалента: Мэкв = fэкв.M. Число молей эквивалентов каждого из участников процесса может быть найдено следующим образом: ;
, где mA и mB – массы в-в А и B. И поэтому другая запись закона эквивалентов имеет: “число молей эквивалентов участников данного процесса есть постоянная величина”: nэкв.A = nэкв.B = nэкв.C = … = const.
Если участники процесса находятся в растворе, то число молей эквивалентов каждого из них может быть найдено умножением нормальной концентрации в-ва на объём его раствора. В результате для этого частного случая закон эквивалентов принимает форму:
Для химических расчетов с участием газов наряду с молярными массами активно использует величина 22,4 л (объём 1 моль газа при нормальных условиях). Аналогично вводится: .
Нормальная концентрация (нормальность) н раствора показывает сколько моль эквивалентов растворенного в-ва содержится в 1 л раствора.
n р.в моль экв = Сн * V рас-ра
Связь между Сн и См: при fэкв < 1 Сн > См
Вопрос 24) Классификация окислительно – восстановительных реакций. Преведите по 2 примера реакций каждого типа (не используйте уравнения из задания №5).
Классификация ОВР:
I группа – реакции межатомного и межмолекулярного окисления, восстановления – это реакции, в которых обмен е происходит между различными атомами, молекулами или ионами.
2Ca+ O2 à 2CaO
2KBr+ Cl2 àBr2+ 2KCl
2) II группа – реакции диспропорционирования. В реакциях диспропорционирования молекулы или ионы одного и того же вещества реагируют друг с другом, как восстановитель и окислитель.
например: (N-3H4)2Cr+62O7 N02 + Cr+32O3 + 4H20.
Сl2 + 2NaOH àt NaCl + NaClO+H2O
3Cl2+ 6NaOH à 5 NaCl + NaClO3 + 3H2O
3)III группа - реакции внутримолекулярного окисления, восстановления, в которых окислитель и восстановитель находятся в одной молекуле: 2KClO3 à 3O2 + 2KCl
4) IV группа – реакции контрдиспропорционирования. Реакции, которые протекают между одним и тем же элементом, в положительном и отрицательном степени окисления, образуется промежуточн. ст. окисления
2H2S + SO2 à 3S + 2H2O
(N3-H4)2N3+O2 = N20 + H2O
Вопрос 25) Типичные восстановители в ОВР. Каковы продукты их окисления? Приведите примеры. Классификация ОВР.
Восстановитель – вещество, молекулы или ионы которого отдают электроны. Типичные восстановители:
Атомы Ме, ионы неМе, положительно заряж. ионы неМе, Ме, котоые отдают электроны. 1 группа: Fr Cs K Na Li Ba Sr Ca Mg
2 группа: Br (-) S (2-) Cl(-) I (-) Se(2-)
3 группа: SO3 NO2 SnO2
4 группа: Sn Fe Cr Mn катионы металлов в низких степенях окисления
5 группа: H2 C N2H2 CO SO2
Аммиак и соединения аммония.
HCl(только конц) KBr NaI CuS(2-)
Продукты их окисления: если элемент является восстановителем – его степень окисления повышается.
Al(0)àAl(+3)
Zn(0)à Zn(+2)
Fe(+2) à Fe(+3)
Нитрит в нитрат
Сульфит в сульфат
NH3àв N2 или HNO3(или соли)
S(2-) à S(0) SO4 (кис-та или соли)
HHal à Br2 I2 Cl2
(HBr HI HCl(к)
HNO2 à обычно в NO
Классификация 25 вопрос
Примеры:
2KMnO4+ 10KBr (восстановитель) + 8H2SO4 à 2MnSO4 + 5Br2+ 6K2SO4 +8H2O
KMnO4 + 16HCl à 5Cl2+2 MnCl2 + 2KCl +8H2O
Вопрос 26) Типичные окислители в ОВР. Каковы продукты их восстановления? Классификация ОВР. Приведите примеры.
Окислитель – вещество, молекулы или ионы которого принимают электроны. Типичные окислители:
1) в-ва, молекулы которых содержат атомы элементов в высших положительных степенях окисления, например: KMn+7O4, KBi+5O3, K2Cr2+6O7, Pb+4O2; хроматы, дихроматы,манганаты
2) катионы металлов более высокого заряда (более высокой степени окисления), например: Fe+3; Au+3; Sn+4;
3) галогены и кислород (при повышенных температурах).
H2O2, H2SO4(к), HNO3
Кислородосодержащие соли галогенов или соли кислоты (NaClO4 KClO3 HClO)
Классификация ОВР: вопрос 24
Продукты их восстановления: Если элемент является окислителем – его степень окисления понижается; Среди простых веществ окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F2, Cl2, Br2, I2, O2, O3). Галогены, выступая в качестве окислителей, приобретают степень окисления –1, причем от фтора к иоду окислительные свойства ослабевают. Кислород, восстанавливаясь, приобретает степень окисления –2 (H2O или OH–).
Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства за счет серы в высшей степени окисления +6. Концентрированная H2SO4 в реакциях с металлами может восстанавливаться до SO2, S или H2S. Состав продуктов восстановления определяется активностью металла, концентрацией кислоты и температурой. При обычной температуре концентрированная серная кислота не реагирует с такими металлами, как железо, хром и алюминий (явление пассивации), а при нагревании H2SO4 не реагирует с золотом и платиной. Малоактивные металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов правее водорода, восстанавливают концентрированную серную кислоту до SO2. Активные металлы (Ca, Mg, Zn и др.) восстанавливают концентрированную серную кислоту до свободной серы или сероводорода.
Продукты восстановления KMnO4 зависят от рН среды, в которой протекают реакции:
В кислой à соли Mn(+2) и соль К+
В щелочной à K2MnO4
В нейтральной à MnO2 + KOH
Дихромат, хромат калия K2Cr2O7 в кислой среде (H2SO4) восстанавливается до Cr2(SO4)3. В щелочной среде в Cr(OH)3 или комплексы.
HNO3 (р) в основном в NO,а концентрированная в NO2.
KClO4 NaBrO3 KClO2 в бескислородные соли KCl NaBr
Галогены в Cl- Br- I- (кислоты или соли)
Примеры:
2KMnO4 (окислитель) + 5Na2SO3 + 3H2SO4 = 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O;
K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 +3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O.
4Ca + 5H2SO4(конц) = 4CaSO4 + H2S + 4H2O.
S + 2H2SO4(конц) = 3SO2 + 2H2O
FeO + 4HNO3(конц) = Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 (конц) = CO2 + 4NO2+ 2H2O;
Вопрос 27) Общие сведения о комплексных соединениях: комплексообразователь, лиганды, координационное число, внутренняя и внешняя сферы. Классификация комплексных соединений. Приведите примеры.
Соединения высшего порядка, образованные из более простых устойчивых химических форм (молекулах, ионов, атомов), называют комплексными соединениями.
Центральный ион (атом) в компл. соединении наз. комплексообразователем. (ион d– или f–элемента, реже p– или s–элемента).
Непосредственно окружающие к/о ионы или молекулы, называемые лигандами, образуют вместе с к/о внутреннюю (координационную) сферу (выделяется [ ]).
Ионы (молекулы) за пределами внутренней сферы образуют внешнюю сферу компл. соединения.
Общее число лигандов во внутр. сфере называется координационным числом.
Классификация комплексных соединений. Приведите примеры: см. вопрос 28.
Вопрос 28) Классификация комплексных соединений: по виду координируемых лигандов, по заряду комплексного иона, по классам соединений. Номенклатура комплексных соединений. Приведите примеры.
Классификация комплексных соединений:
1) по виду координируемых лигандов: +) аквакомплексы, в которых лигандом явл. молекула воды. Например: [Cr(H2O)6]Cl3,
+) аминокомплексы (аммиакаты): лиганды NH3. Например: [Ag(NH3)2]Cl, [Cu(NH3)4](OH)2.
+) ацидокомплексы, в которых лиганды – анионы кислотных остатков. Например: K[Au(CN)2], K2[HgI4].
+)гидроксокомплексы (OH). Пример: Na3[Cr(OH)6]
+) смешанного типа [ Cr(H2O)5Cl]Cl2* H2O
2) по заряду комплексного иона: +) катионные – комплексы имеют катионные к/о. Например: Cl2
+) анионные – комплексы имеют анионные к/о. Например:
+) нейтральные – к/о не имеют заряда. Например: [Fe(CO)5]
3) по классам соединений:
+) кислотные комплексы. Например: H2[SiF6] H[ AuCl4].
+) комплексы основания. Например: [Ag(NH3)2]OH [Ni(NH3)6](OH)2.
+) комплексы соли. Например: K3[Fe(CN)6] [Cu(NH3)2]Cl.
Номенклатура к.с:
Сначала называем анион, затем катион, но с указанием числа и вида лиганд, название читается справа налево, название катионов и анионов пишут раздельно, указывается валентность комплексообразователя.
В случае аниона берется корень латинского названия элемента, к нему добавляется “ат” (станнат, аурат, плюмбат). Например: К3[Al(OH)6] - гексагидроксоалюминат (III) калия; [Cr(NH3)4Cl2]Cl – хлорид дихлоротетрамминхрома (III).
Вопрос 29) Закон Гесса, условия его выполнения. Энтальпии образовании, сгорания, атомизации (определение).
Закон Гесса: Изменение энтальпии (внут. Энергии) химической реакции не зависит от пути процесса, а зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции.
- Единственным видом работы является работа расширения (отсутствует полезная работа).
- Давление и температура не меняются (р,Т= const) – изобарно-изотермический процесс.
- Объем и температура не меняются (V,T= const) – изохорно-изотермический процесс.
- Химическая реакция должна протекать до конца и необратимо.
- Теплота рассчитывается на 1 моль вещества, т.е. необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.
- Тепловые эффекты определяют при нормальных условиях, Т= 25ºС и р = 1 атм, а также используют наиболее устойчивую модификацию.
энтальпия образования Ноf,298 (или
Нообр,298) – это изменение энтальпии в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии, причем простые вещества присутствуют в наиболее термодинамически устойчивых состояниях при данной температуре.
Энтальпия сгорания – Стандартной энтальпией сгорания Нoсгор,298 называют энтальпию сгорания вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии с образованием СО2(г), Н2О(ж) и других веществ, состав которых должен быть специально указан. Все продукты сгорания также должны находиться в стандартном состоянии.
Энтальпия атомизации или энергия ионизации – это наименьшая энергия, необходимая для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическом (основном) состоянии на бесконечность.
Вопрос 30) Закон Гесса. Следствия из закона Гесса. При каких условиях выполняется этот закон?
Закон Гесса: вопрос 29
Следствия из закона Гесса:
Следствие 1. , где ni и nj – числа молей (коэффициенты в уравнении).
Следствие 2. , где ni и nj – числа молей (коэффициенты в уравнении).
1. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).
2. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов реакции (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).
Условие выполнения вопрос 29
Вопрос 31) Стандартные термодинамические характеристики. Понятие о стандартном состоянии индивидуальных жидких и кристаллических в-в, газов и растворов. Закон Гесса.
Раздел химии, занимающийся изучением тепловых эффектов процессов – термохимия.
Закон Гесса: вопрос 29
За стандартное состояние раствора принимают идеальный раствор, активность растворенного которого = 1, а энтальпия = энтальпии в реально бесконечно разбавленном растворе.
Фугитивностью (летучестью) называют такую величину, которая связана с другими термодинамическими характеристиками реального газа так же, как с ним связано давление в случае идеального газа.
За стандартное состояние газообр. в-ва принимают состояние гипотетически идеального газа, летучесть которого равна единице, а энтальпии реального газа при той же температуре и давлении, стремящейся к нулю. Т.е. за станд. сост. принимается бесконечно разряженный газ.
Осталась одна проблема – аллотропные модификации. Какую из них брать за стандарт? Берут наиболее устойчивую форму, искл.: фосфор берут белый, а не более устойчивый красный, т.к. он более реактивный; S (к.ромб.), а не S (к. моноклин.); С (к. графит), а не С (к. алмаз). Если все участники процесса наход. в стандарт. состоянии, тогда реакция – стандартная и обозначается верхним правым “ноликом”.
Для жидких и кристаллических индивидуальных веществ в качестве стандартного состояния при каждой температуре принимается их состояние под нормальным давлением.
Вопрос 32) Энтальпия и энергия Гиббса, их физический смысл, связь между ними.
Энтальпия (теплосодержание, тепловая функция Гиббса), потенциал термодинамический, характеризующий состояние термодинамической системы при выборе в качестве основных независимых переменных энтропии S и давления р. Обозначается H
Энергия Гиббса − это термодинамический функция состояния системы. Физический смысл: Энергия Гиббса показывает самопроизвольность в течение химической реакции.
ΔG = Нт –TΔS
Физический смысл энтальпии: физический смысл энтальпии: ее изменение — это тепло, подведенное к системе в изобарическом процессе (при постоянном давлении).
Проанализируем уравнение GоТ =
НоТ - Т
SоТ. При низких температурах Т
SоТ мало. Поэтому знак
GоТ определяется в основном значением
НоТ (энтальпийный фактор). При высоких температурах Т
SоТ – большая величина, знак D GоТ определяется и энтропийным фактором. В зависимости от соотношения энтальпийного (
НоТ) и энтропийного (Т
SоТ) факторов существует четыре варианта процессов.
1. Если НоТ < 0,
SоТ > 0, то
GоТ < 0 всегда (процесс может протекать самопроизвольно при любой температуре).
2. Если НоТ > 0,
SоТ < 0, то
GоТ > 0 всегда (процесс не протекает ни при какой температуре).
3. Если НоТ < 0,
SоТ < 0, то
GоТ < 0 при Т <
Но/
Sо (процесс идет при низкой температуре за счет энтальпийного фактора).
4. Если НоТ > 0,
SоТ > 0, то
GоТ < 0 при Т >
Но/
Sо (процесс идет при высокой температуре за счет энтропийного фактора).
Вопрос 33) Энергия Гиббса как термодинамическая функция состояния. Определение и свойства. Вычисление стандартной энергии Гиббса процесса по справочным данным. Критерий самопроизвольного протекания реакций.
G – функция состояния системы, называемая энергией Гиббса. Она равна разности энтальпии и произведения энтропии на температуру: G=H – T∙S Абсолютное значение G определить невозможно. ∆G=∆Н – Т∙∆S Рассчитывают ∆G также, как и ∆Н, используя стандартные энергии Гиббса образования веществ. ΔGхим.реакции = ∑niGi(продуктов) − ∑njGj(исх. в-в)
Св-ва ф-ции:
1) однозначная, конечная, непрерывная ф-ция состояния системы;
2) обладает св-вом независимости ΔG от пути перехода от начальных в-в к продуктам.
3) −Aпол ≥ G2 − G1 = ΔG.
Физический смысл энергии Гиббса вытекает из со отношения: -Aпол=U2+pV2-TS2-(U1-pV1-TS1) – энергия Гиббса в равновесном процессе с точностью до знака равна полезной работе, которую может совершить система. В случае протекания неравновесных процессов энергия Гиббса будет (с обратным знаком) равна максимально возможной полезной работе, которую может совершить система..
Критерий самопроизвольного протекания процесса: в системах, находящихся при Р, Т = const, самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса
( G < 0). При достижении равновесия в системе
G = 0.
Вопрос 34) Критерий самопроизвольного протекания реакций, энтальпийный и энтропийный факторы процесса. Какие реакции протекают самопроизвольно в водных растворах?
Критерий самопроизвольного протекания процесса: вопрос 34
ΔG = ΔН – ТΔS. самопроизвольное течение процесса (ΔG< 0) возможно при:
· Если ΔH < 0 и ΔS > 0, то всегда ΔG < 0 и реакция возможна при любой температуре.
· Если ΔH > 0 и ΔS < 0, то всегда ΔG > 0, и реакция с поглощением теплоты и уменьшением энтропии невозможна ни при каких условиях.
· В остальных случаях (ΔH < 0, ΔS < 0 и ΔH > 0, ΔS > 0) знак ΔG зависит от соотношения ΔH и TΔS. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением изобарного потенциала; при комнатной температуре, когда значение T невелико, значение TΔS также невелико, и обычно изменение энтальпии больше TΔS. Поэтому большинство реакций, протекающих при комнатной температуре, экзотермичны. Чем выше температура, тем больше TΔS, и даже эндотермические реакции становятся осуществляемыми.
Чем отрицательней ΔG, тем проще, в более мягких условиях идет процесс.
Энтальпийный и энтропийный факторы процесса:
Если ΔН<0 отражает стремление к объединению частиц в более крупные агрегаты, то ΔS>0 отражает стремление к беспорядочному расположению частиц, к их дезагрегации. Переход системы в состояние с минимальной энергией когда ΔS=0, если же ΔН=0, то система самопроизвольно переходит в наиболее неупорядоченное состояние. Каждая их этих противоположных тенденций, количественно выражаемых ΔН и ΔS зависит от природы в-ва и условий протекания процесса (т-ра, давление, соотношение между реагентами и т.д).
Произведение ТΔS (кДж/моль) явл. энтропийным фактором процесса, ΔН – энтальпийным фактором. В состоянии равновесия: ΔН = ТΔS. Это уравнение явл. условием равновесия, характеризует такое состояние данной системы, когда скорости протекающих в ней противоположных процессов становятся равными. Из этого уравнения
: расчет изменения энтропии в равновесном процессе возможен из непосредственно измеряемых величин. ΔН фазового перехода можно определить экспериментально с помощью калориметра.
Реакции, протекающие самопроизвольно в водных растворах: У которых изменение энергии Гиббса меньше нуля.
Вопрос 35) Химическое равновесие. Истинное (устойчивое) и кажущееся (кинетическое) равновесие, их признаки. Приведите примеры.
Равновесным называют ионное состояние системы, которое не изменяется во времени, и эта неизменность не обусловлена протеканием какого-либо внешнего процесса. Равновесие остается неизменным, пока не изменяются внешние условия. Различают истинное (устойчивое) и кажущееся (кинетическое) равновесие.
Истинное равновесие сохраняется неизменным не вследствие отсутствия процессов, а в силу протекания их одновременно в двух противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Истинное равновесие имеет следующие признаки:
1. Если нет внешнего воздействия, то система неизменна во времени.
2. Любое малое внешнее воздействие вызывает изменение в равновесии системы. Если внешнее воздействие снимается, то система возвращается в исходное состояние.
3. Состояние системы будет одинаковым независимо от того, с какой стороны она подходит к равновесию.
Кажущееся равновесие также неизменно во времени при отсутствии внешнего воздействия, однако второй и третий признаки для него не характерны. Примером системы в кажущемся равновесии является пересыщенный раствор: достаточно попадания соринки в такой р-р или встряхивания и начинается выделение из р-ра избыточного растворенного в-ва.
При изменении внешних условий равновесие изменяется сообразно новым условиям, или, как говорят, «смещается».
Вопрос 36) Химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье – Брауна и смещение равновесия. Рассмотрите на примере реакции ……
Химическое равновесие вопрос 35
Смещение равновесия подчиняется закономерности, называемой принципом Ле-Шателье: “если на систему, находящуюся в истинном равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих состояние равновесия, то в системе усилится то направление процесса, который ослабевает эффект воздействия и положение системы сместится в том же напралении”.
Смещение равновесия:
1) Повышение температуры равновесной системы усиливает течение эндотермического процесса, охлаждение – наоборот.
2) изменение давления существенно сказывается лишь на равновесиях газовых систем. Увеличение давления для них ведет к смещению равновесия в сторону меньшего объёма, падение давления – в сторону большего объёма.
3) увеличение концентрации исх. в-в ведет к смещению равновесия вправо (в сторону продуктов).
Вопрос 37) Константа химического равновесия. Соотношение величин Кр и Кс для газовых равновесий. Связь и константы равновесия.
Количественной характеристикой химического равновесия является константа химического равновесия
2 SO2(г) + O2(г) 2 SO3(г)
В момент равновесия концентрация не меняется, также не меняется парциальное давление газов
Кс =
Кр =
Парциальное давление газа – давление, которое бы этот газ производил, занимая весь объем
Связь между Кс и Кр для гомогенных процессов:
P1*V1 = n1RT
P1 = n1*R*T/V = C1*RT
Кр = Кс(RT)^ Δn
Δn – разность коэффициентов при формулах веществ в правой и левой частях в химическом уравнении
Константа химического равновесия связана с изменением энергии Гиббса уравнением:
GTо = – RTlnK.
Чем меньше энергия гиббса тем выше константа равновесия
K= 1 ΔG=0 химическое равновесие
K<1 ΔG>0 (равновесие сместится влево) K>1 ΔG<0 (равновесие сместится вправо)
Вопрос 38) Равновесие диссоциации ассоциированных (слабых) электролитов на примере.... Степень диссоциации, константа диссоциации. Закон разбавления Оствалда.
Степень диссоциации a - это отношение числа молекул, распавшихся на ионы N¢ к общему числу растворенных молекул N:
Степень диссоциации выражают в процентах или в долях единицы. Если a =0, то диссоциация отсутствует и вещество не является электролитом. В случае если a =1, то электролит полностью распадается на ионы.
К слабым электролитам в водных растворах относят кислоты: угольную, сернистую, сероводородную, серную (по второй ступени), ортофосфорную, все карбоновые к-ты; основания: гидроксиды магния, бериллия, алюминия, аммония, все гидроксиды d-элементов.
Константа диссоциации – константа равновесия в процессе диссоциации одно и то же.
АmBn(k) = mAn+ + nAm-
Кдисс =
Константа диссоциации характеризует способность электролита диссоциировать на ионы. Чем больше константа диссоциации, тем больше ионов в растворе слабого электролита. Например, в растворе азотистой кислоты HNO2 ионов Н+ больше, чем в растворе синильной кислоты HCN, поскольку К(HNO2) = 4,6·10- 4, а К(HCN) = 4,9·10- 10.
Для слабых I-I электролитов (HCN, HNO2, CH3COOH) величина константы диссоциации Кд связана со степенью диссоциации и концентрацией электролита c уравнением Оствальда:
.
Для практических расчетов при условии, что <<1 используется приближенное уравнение
Кд .
Вопрос 39) Принципы построения шкалы стандартных термодинамических функций образования ионов в водных растворах. Как определить стандартную энтальпию образования …. в водном растворе.
Бесконечно разбавленный раствор – это такой раствор, в котором на каждую молекулу р-ного в-ва приходится на бесконечно большое число молей р-ля. Его характеристики:
1) все электролиты в нём полностью диссоциированы.
2) взаимодействие между ионами полностью отсутствуют.
Любое св-во индивидуального иона, например термодинамическое, не может быть объективно определено. В таких ситуациях прибегают к построению шкалы относительных величин, в которой значение рассматриваемого св-ва для одной из систем постулируется, а значение св-ва других систем отсчитываются от принятого значения. В частности для водных растворов электролитов шкала термодинамических функ. обр. ионов строится на основе следующих допущений:
ΔH0(H+∞ р-р) = 0
S0(H+∞ р-р) = 0
ΔG0 (H+∞ р-р) = 0
На основе этого получаем: ΔНобр0НCl(р-р, ст.с)=ΔНобр0Н+(р-р, ст.с)+ΔНобр0Cl-(р-р, ст.с)= ΔНобр0Cl- (р-р, ст.с)
Нашли ΔНобр0Cl- (р-р, ст.с), затем находим ΔНобр0NaCl (р-р, ст.с), а по ней - ΔНобр0Na+ (р-р, ст.с) и т.д.
Получаем шкалу энтальпий образования ионов.
А как нашли ΔНобр0НCl(р-р, ст.с)? ½ Н2(г) + ½ Cl2(г) + ∞Н2О(ж)=НCl (½ Н2(г) + ½ Cl2(г))= ΔНобр0НCl(г) ----->HCl(г)----(+ ∞Н2О(ж)= ΔНраств0НCl(г))---->HCl Получили: ΔНобр0НCl(р-р, ст.с)= ΔНобр0НCl(г)+ ΔНраств0НCl(г)
А как нашли последнюю величину? ΔНобр0НCl(р-р, HCl*nH2O)= ΔНобр0НCl(г)+ ΔНраств0НCl(г) с образованием р-ра состава HCl*nH2O.
Аналогичным путем были найдены стандартные энергии Гиббса образования ионов и стандартные энтропии ионов. Хотя энтропий в-в могут быть только положительными, энтропии ионов могут быть и отрицательными, поскольку они – относительные величины.
Вопрос 40) Шкалы величин рН и рОН. Вычисление рН растворов неассоциированных электролитов на примерах ….
Равновесие процесса диссоциации воды
Н2О Н+ + ОН-
описывается константой Кw, которая носит название “ионное произведение воды”. Ионное произведение воды равно:
Кw = [Н+] [ОН- ].
Для практических целей удобно пользоваться не концентрацией ионов водорода, а её водородным показателем – отрицательным десятичным логарифмом – рН. Величина рН равна:
pH - показатель кислотности или щелочности среды
рН = - lg[H+].
Н+ – активность ионов водорода
1) В нейтральной среде pH = - lg10-7 = 7
2) В кислой среде рН < 7
3) В щелочной среде рН > 7
Однако для практических целей при расчете рН разбавленных растворов обычно используется уравнение
рН + рОН = 14,
где рОН = - lg[ОH-].
4)Тем не менее, в сильнощелочной среде рН может быть немного больше 14, а в очень кислой среде может принимать отрицательные значения.
Вопрос 41) Равновесие диссоциации воды. Ионное произведение воды. Шкалы величин рН и рОН.
Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде:
H2O ↔ H+ + OH-
Диссоциация обратима, то есть ионы H+ и OH- могут снова образовать молекулу воды. В итоге наступает динамическое равновесие, при котором количество распавшихся молекул равно количеству образовавшихся из H+ и OH- ионов.
1) Кд =
2) Кд H2O может быть найдена из термодинамич. ф-и:
ΔG0дисс = -RT*lnKдисс (используют табличные значения)
3)α<<1 [H2O] в растворе const
Vh2o = 1л mh2o = 1000г
[H2O]равн=1000(г/л)/18(г/моль)=55,6 моль/л. = const
Кд =
Кдисс*[H2O] = const = [H+]*[OH-] = Kw
[H+]*[OH-] = Kw – ионное произведение воды
Kw = Кдисс*[H2O] = 1.8*10-16 * 55.56 = 10-14
[H+]*[OH-] = Kw = 10-14
Шкала величин рН и рОН вопрос 40
Вопрос 42) Равновесие диссоциации комплексных соединений. Константа устойчивости и константа нестойкости. Реакции образования комплексных соединений. Приведите примеры получения гидроксокомплекса, амминокомплекса и ацидокомплекса.
Реакции образования комплексных соединений: комплексные соединения образуются и существуют в растворах при сравнительно большом избытке лиганд. Обычно его берут в несколько раз больше того количества, которое необходимо в соответствии со стехиометрическим соотношением. В результате подавляется диссоциация комплексного соединения, и оно стабилизируется.
Разная прочность связи во внутренней и внешней сферах комплексного соединения ведет к различию в характере диссоциации этих частей молекулы. По внешней сфере в водных растворах все комплексные соединения являются сильными электролитами, тогда как диссоциация по внутренней сфере происходит в незначительно степени.
K2[Zn(CN)4] 2K+ + [ Zn(CN)4]2-; [Zn(CN)4]2-
Zn2+ + 4CN-.
Константа равновесия для последнего процесса (диссоциация комплексного иона) называется константой нестойкости: Кравн = Кнест = .
Константа равновесия обратного процесса: Zn2+ + 4CN- = [Zn(CN)4]2- наз. константой устойчивости: Кравн. = Куст. = .
Чем больше Куст. (меньше Кнест.), тем прочнее комплексное соединение, тем слабее оно диссоциирует. Ясно, что произведение Куст. и Кнест. равно единице.
Примеры:
1)Гидроксокомплексы – комплексные соединения, содержащие в качестве лигандов гидроксид-ионы OH-. Гидроксокомплексы образуются в реакциях протолиза из аквакомплексов:
[Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+
либо при растворении амфотерных гидроксидов в водных растворах гидроксидов щелочных металлов:
Zn(OH)2 + 2 OH- = [Zn(OH)4]2-
2) Эту группу комплексных соединений можно подразделить на две части: комплексы с кислородсодержащими лигандами и комплексы с бескислородными (преимущественно галогенидными или псевдогалогенидными) лигандами. Например, к ацидокомплексам с кислородсодержащими лигандами относятся дитиосульфатоаргентат(I)-ион, который получается по обменной реакции:
Ag+ + 2 SO3S2- = [Ag(SO3S)2]3-
и гексанитрокобальтат(III)-ион, который осаждается в виде мелких желтых кристаллов калиевой соли при смешивании растворов, содержащих хлорид кобальта(II), нитрит калия и уксусную кислоту:
CoCl2 + 7 KNO2 + 2 CH3COOH =
= K3[Co(NO2)6]¯ + NO + 2 KCl + 2 CH3COOK + H2O
3) Аммиачные комплексы обычно получают при взаимодействии солей или гидроксидов металлов с аммиаком в водных или неводных растворах, либо обработкой тех же солей в кристаллическом состоянии газообразным аммиаком:
AgCl(т) + 2 NH3 . H2O = [Ag(NH3)2]Cl + 2 H2O
Cu(OH)2(т) + 4 NH3 . H2O = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4 H2O
NiSO4 + 6 NH3 . H2O = [Ni(NH3)6]SO4 + 6 H2O
CoCl2 + 6 NH3(г) = [Co(NH3)6]Cl2
В тех случаях, когда аммиачный комплекс неустойчив в водном растворе, его можно получить в среде жидкого аммиака:
AlCl3(s) + 6 NH3(ж) = [Al(NH3)6]Cl3(s)
Вопрос 43) Буферные растворы и их св-ва. Расчет рН буферного раствора состава ….
Буферными растворами называют растворы, имеющие постоянное значение рН, не зависящие от разбавления и небольших добавок сильных кислот и щелочей.
1) Они могут быть: смеси слабой кислоты и ее соль
HCN+ KCN
HCOOH + HCOOK
CH3COOH + CH3COONa pH <7
2) Слабое основание и его соль
NH4OH+NH4Cl pH<7
Пример: HCN + KCN
HCN = H+ + CN-
KCN = K+ + CN-
Kдисс HCN = [H+]* [CN-] /[HCN]
[H+] = Кдисс * [HCN]/[CN-]
В присутствии сильного электролита KCN диссоц. HCN подавляется по принципу Ле- Шателье Брауни. Тогд концентрацию HCN можно приравнять к концентрации кислоты исход.
[HCN]равн ̴̴ СHCN исх = Скислоты
[CN-]равн ̴ СKCN исх = Cсоли
[H+] =Кдисс * (Скислоты/С соли)
[OH-] = Кдисс * (С основание/С соли)
Скислоты/С соли = const при разбавлении раствора
H+ + CN- à HCN в кислой среде
OH- + H+ à H2O в щелочной среде
Практически не влияет на рН
Как видно:
1) при разбавлении р-ра водной ведет к одинаковому уменьшению Ск-ты и Ссоли, а отношение Ск-ты/Ссоли не изменится и рН станет прежним.
2) добавим в буферный р-р несколько капель НСl, при этом часть соли превратится в к-ту; в результате Ск-ты немного возрастает, а Ссоли – уменьшится, а отношение Ск-ты/Ссоли и соответственно рН буферного р-ра изменится мало.
3) Подобное произойдет при вливании в буферную смесь нескольких капель р-ра NаОН: Ссоли возрастает, Ск-ты мало уменшится, а отношение Ск-ты/Ссоли и соответственно рН буферного р-ра изменится мало.
Вопрос 44) Равновесие растворения и диссоциации малорастворимого электролита. Произведение растворимости. Связь ПР и растворимости (на примере …..).
АmBn(k)↔ AmBn↔ mA(n+) + nB(m-)- насыщ.р-р
промежуточный раствор
АmBn(k) ↔ mA(n+) + nB(m-)
Kравн = [An+]m * [Bm-]n / [AmBn]
ПР= произведение растворимости (ПР).
Так как [AmBn] = const,то
Kравн *[AmBn] = [An+]m * [Bm-]n = ПР
ПР = [An+]m * [Bm-]n
Таким образом, произведение растворимости (ПР) есть константа равновесия растворения и диссоциации малорастворимого электролита. Оно численно равно произведению концентраций (активностей) ионов в степенях стехиометрических коэффициентов в насыщенном водном растворе данного малорастворимого электролита. Пусть растворимость(кнцентрация насыщенного раствора при данной температуре) электролита равна Р моль/л. Тогда:
ПР= (mp)m (np)n = mm * nn * p m+n
Отсюда находим связь ПР с растворимостью: .
Если ПК > ПР – выпадет осадок, ПК < ПР − осадок растворится, ПК = ПР − установится равновесие. (ПК = [Ktm+]n.[An-]m. ПК – произведение концентраций).
Вопрос 45) Условия выпадения осадка и растворения малорастворимых электролитов. Связь ПР с растворимостью на примере ….
Если ПК > ПР – выпадет осадок, ПК < ПР − осадок растворится, ПК = ПР − установится равновесие. (ПК = [Ktm+]n.[An-]m. ПК – произведение концентраций).
Вопрос 46) Произведение растворимости как константа равновесия растворения и диссоциации малорастворимого соединения. Связь ПР с растворимостью на примере ….
Вопрос 44-45
Вопрос 47) Польный (необратимый) гидролиз. Взаимное усиление гидролиза (совместный гидролиз). Приведите примеры.
Гидролиз – обменная реакция взаимодействия растворенного вещества (например, соли) с водой. Гидролиз происходит в тех случаях, когда ионы соли способны образовывать с Н+ и ОН- ионами воды малодиссоциированные электролиты.
Гидролиз некоторых солей, образованных слабыми основаниями и слабыми кислотами, протекает необратимо.
Необратимо гидролизуется, например, сульфид алюминия:
Al2S3 + 6H2O 2Al(OH)3
+ 3H2S
.
Необратимо протекает гидролиз, если одновременно ввести в раствор соль, образованную тяжелым металлом, и соль, образованную слабой летучей кислотой, например,
2 AI CI3 +3Na2 S + H2O = Al2S3 +6NaCI
CH3COONH4 = CH3COO + NH4
SbCl3 + H2O SbOCl
+ 2HCl.
Взаимное усиление гидролиза. Допустим, что в разных сосудах установились равновесия:
CO32– + H2O HCO3– + OH–
Al3+ + H2O AlOH2+ + H+
Обе соли гидролизованы незначительно, но если растворы смешать, то происходит связывание ионов H+ и OH–. В соответствии с принципом Ле – Шателье оба равновесия смещаются вправо, и гидролиз протекает полностью:
2 AlCl3 + 3 Na2CO3 + 3 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 CO2 + 6 NaCl
Это называется взаимным усилением гидролиза.
2FeCl3+3Na2CO3+3H2O=2Fe(OH)3+6NaCl+3CO2
2Fe3++3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3+3CO2
Al2(SO4)3+3Na2CO3+3H2O=2Al(OH)3+3Na2SO4+3CO2
2Al3++3CO32-+3H2O=2Al(OH)3+3CO2
Cr2(SO4)3+3Na2S+6H2O=2Cr(OH)3+3Na2SO4+3H2S
2Cr3++3S2-+6H2O=2Cr(OH)3+3H2S
2CuCl2 + 2Na2CO3 + H2O → (CuOH)2CO3 + CO2
+ 4NaCl
Вопрос 48) Польный (необратимый) гидролиз. Приведите два примера. Совместный гидролиз двух солей с образованием а) гидроксида металла (+3), б) основного карбоната металла (+2).
а) 2NaCl3 (кр)+3Na2CO3 (кр)+3H2O (ж)=2Al(OH)3 (тв) + 3СO2 (г) + 6NaCl(р-р)
б) 2CuCl2 + 2Na2CO3 + H2O = (CuOH)2CO3↓ + CO2↑ + 4NaCl
Вопрос 49) Гидролиз солей одновременно по катиону и аниону (обратимый гидролиз). Расчет константы гидролиза, степени гидролиза и рН растворов таких солей на примере …
Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой, например, CH3COONa, Na2CO3, Na2S, KCN гидролизуются по аниону:
СН3СООNa + НОН СН3СООН + NaОН (рН > 7).
AB + H2O = AOH + HB
Кравн = [АОН]* [HB]/ [AB] * [H2O]
[H2O] = const
Kравн[ H2O] = К гидр = const
Kгидр = [AOH] * [HB]/[AB]
Kt+ + A- + H2O = KtOH + HA
Константа гидролиза имеет вид:
.
Пусть общая концентрация соли, гидролизованной одновременно по катиону и аниону, равна с моль/л, степень гидролиза составляет h. Тогда:
Отсюда:
. Значение константы гидролиза не зависит от концентраций солей гидролизованной, или по другому степень гидролиза соли, подвергающейся гидролизу по катиону и аниону одновременно, будет одной и той же при любых концентрациях соли в растворе.
рН растворов:
Степень гидролиза называют отношение числа гидрализованных молекул к общему числу растворенных молекул.
Вопрос 50) Гидролиз солей по катиону. Способы подавления гидролиза. Расчет константы гидролиза, степени гидролиза и рН растворов солей, гидролизованных по катиону на примере ….
Соль образована сильной кислотой и слабым основанием (NH4Cl Cu(NO3)2)
NH4Cl= NH4+ + Cl-
NH4+HOH = NH4OH + H+
Кгидр по катиону
A+ + HOH = AOH+ H+ pH<7
Kгидр = [AOH] * [H+] / [A+]
Т.к [AOH] = [H+] * [A+] = Cисх соли
Т.к αг<1 мала
Kг = [H+]2/C исх соли
[H+] =
3) Кг =
Способы подавления гидролиза:
1) охлаждение раствора;
2) добавление кислоты в раствор для подавления гидролиза по катиону, добавление щелочи в раствор для подавления гидролиза по аниону.
Вопрос 51) Гидролиз солей по аниону. Способы подавления гидролиза. Расчет константы гидролиза, степени гидролиза и рН растворов солей, гидролизованных по аниону на примере ….
Соль образована сильным основанием и слабой кислотой (NaCN K2SO3 Na3PO4)
NaCN = Na+ + CN-
CN- + HOH = HCN + OH-
Способы подавления гидролиза:
1) охлаждение раствора;
2) добавление кислоты в раствор для подавления гидролиза по катиону, добавление щелочи в раствор для подавления гидролиза по аниону.
Общий вид гидролиза по аниону:
Тогда константа гидролиза:
Произведение дает нам константу ионного произведения воды – КW, а дробь
- это константа диссоциации кислоты
. Таким образом мы получаем:
1) Кг =
Т.к [HB] = [OH-] и [B-] = Ссоли
Т.к αгидр <1 мала
Кг = [OH+] =
Находим [H+] и рН раствора
Степень гидролиза () равна отношению числа гидролизованных молекул к общему числу растворенных молекул. При гидролизе по аниону
не велика. Чем слабее кислота (или основание), тем больше степень гидролиза.