Органические полимерные материалы

Понятие об органических полимерах. Методы синтеза органических полимеров. Особенности внутреннего строения и физико-химические свойства полимеров. Конструкционные полимерные материалы.

 

Б. ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ-ЭНЕРГЕТИКОВ

Химия конструкционных и электротехнических материалов

Металлы и сплавы; физико-химический анализ. Магний, бериллий; свойства, соединения, применение в технике. Алюминий, свойства, соединения, применение в технике. Переходные металлы, их свойства, соединения, применение в энергетике, электротехнике и радиотехнике.

Кремний, германий, олово, свинец, их свойства и применение. Химия полупроводниковых материалов. Методы получения материалов высокой чистоты.

 

Полимерные материалы в энергетике и электротехнике

Методы получения полимерных материалов. Зависимость свойств полимеров от состава и структуры. Полимерные конструкционные материалы. Полимерные диэлектрики. Органические полупроводники.

Электрохимические процессы в энергетике и электронике

Химические источники тока. Электрохимические генераторы. Электрохимические преобразователи (хемотроны). Электрохимическая анодная обработка металлов и сплавов. Получение и свойства гальванопокрытий. Гальванопластика.

Химия воды и топлива

Строение молекул и свойства воды. Природные воды. Основные методы очистки воды.

Состав и свойства органического топлива. Теплота сгорания и теплотворная спо­собность топлива. Твердое топливо и продукты его переработки. Жидкое и газообраз­ное топливо. Области применения топлива.

Химия и охрана окружающей среды

Технический прогресс и экологические проблемы. Роль химии в решении эколо­гических проблем. Продукты горения топлива и защита воздушного бассейна от загрязнений. Методы малоотходной технологии. Водородная энергетика. Получение и использование водорода.

Охрана водного бассейна. Характеристика сточных вод. Методы очистки сточных вод. Методы замкнутого водооборота.

Ядерная химия. Радиохимия

Состав атомных ядер; изотопы. Радиоактивность. Радиоактивные ряды. Использование радиоактивных изотопов. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции. Ядерная энергетика. Торий, уран, плутоний и другие радиоактивные элементы и материалы.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Лучинский Г.П. Курс химии. — М.: Высшая школа, 1985.

2. Курс общей химии/ Под ред. Н.В. Коровина. — М.: Высшая школа, 2002.

3. Зубов И.А. Неорганическая химия. – М: Высшая школа, 1989.

Дополнительная

4.. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 2001.

5. Введение в общую химию/ Под ред. Г.П. Лучинского. - М Высшая школа, 1980.

6. Фролов В.В. Химия. - М.: Высшая школа, 1979.

7. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1983.

 

8. Курс химии. Ч. 2, специальная для строительных вузов/ Под ред. В.А. Киреева - М.: Высшая школа, 1974.

9. Левант Г.Е. и Райцын Г.А. Практикум по общей химии. - М.: Высшая школа, 1978.

10. Павлов Н.Н. Теоретические основы общей химии. - М.: Высшая школа. 1978.

11. Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А. Лабораторные работы по общей и неорганической химии. - М.: Химия, 1979

12. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. - Л.: Химия,2001

13. Гольбрайх З.Е. Сборник задач и упражнений по химии- - М.: Высшая школа, 1984.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Каждый студент выполняет вариант контрольных заданий, обозначенный двумя последними цифрами номера студенческого билета (шифра). Например, номер студенческого билета 85073, две последние цифры 73, им соответствует вариант контрольного задания 73.

 

Основные понятия химии

В большинстве стран мира принята Международная система единиц измерения (СИ), состоящая из шести основных единиц: метр (м) — длина, килограмм (кг) — масса, секунда (с) — время, ампер (А) — сила тока, Кельвин (K) — термодинамичес­кая температура, кандела (кд) — сила света. XIV Генеральная конференция по мерам и весам (1971) утвердила в качестве седьмой основной единицы Международной сис­темы моль (моль) — единицу количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. Моль вещества соот­ветствует постоянной Авогадро N_A = 6,022045×10²³ структурных элементов. При применении понятия "моль" следует указывать, какие структурные элементы имеются в виду, например моль атомов Н, моль молекул Н₂, моль прото­нов, моль электронов и т.п. Так, заряд моля электронов равен 6,022-10²³ е и отвечает количеству электричества, равному 1 фараде (F). Масса моля атомов или масса моля молекул (мольная или молярная масса), выраженная в граммах (г/моль), есть грамм-атом данного элемента.

Пример 1. Выразите в молях: а) 6,02×10²¹ молекул СО₂; б) 1,20×10²⁴ атомов кислорода; в) 2,00×10²³ молекул воды. Чему равна мольная (молярная) масса указанных веществ?

Решение. Моль - это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определенного сорта, равное постоянной Авогадро (6,02×10²³). Отсюда а) 6,02×10²¹, т.е. 0,01 моль; б) 1,20 × 10²⁴, т.е. 2 моль; в) 2,00 × 10²³, т.е. 1/3 моль.

Масса моля вещества выражается в кг/моль или г/моль. Молярная масса вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной (атом­ной) массе, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м).

Так как молекулярные массы СО₂ и Н₂О и атомная масса кислорода соответ­ственно равны 44; 18 и 16 а.е.м., то их мольные (молярные) массы равны: а) 44 г/моль; б) 18 г/моль; в) 16 г/моль.

 

Пример 2. Определите эквивалент (Э) и молярную массу эквивалента m _Э азота, серы и хлора в соединениях NH₃, Н₂S и HCI.

Решение. Масса вещества и количество вещества — понятия неидентичные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества — в молях.

Эквивалент элемента (Э) — это такое количество вещества, которое соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Масса 1 эквивалента элемента называется, его молярной массой эквивалента (m_Э). Таким образом, эквиваленты выражаются в молях, а молярные массы эквивалентов — в г/моль.

В данных соединениях с 1 моль атомов водорода соединяется 1/3 моль азота, 1/2.моль серы и 1 моль хлора. Отсюда Э(N) = 1/3 моль, Э(S) = 1/2 моль, Э(С1) = 1 моль. Исходя из мольных масс этих элементов, определяем их молярные массы эквивалентов: m_Э(N)=1/3×14= 4,67 г/моль;m_Э(S) = =1/2×32 = 16 г/моль; m_Э(Cl)=1×35,45 =35,45 г/моль.

Пример 3. На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 дм³ водорода (н.у.). Вычислите эквивалентную массу оксида и молярную массу эквивалента металла. Чему равна атомная масса металла?

Нормальные условия по Международной системе единиц (СИ): давление 1,013 × 10⁵ Па (760 мм рт. ст. = 1 атм.), температура 273 K или 0°С.

Решение. Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m₁и m₂пропорциональны их молярным массам (объемам) эквивалентов:

(1)

(2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то, как правило, его количество измеряется в объемных единицах (см³, дм³, м³, л).

Объем, занимаемый при данных условиях мольной или молярной массой эквивалента газообразного вещества, называется мольным или, соответственно, молярным объемом эквивалента этого вещества.

Мольный объем любого газа при н.у. равен 22,4 дм³. Отсюда молярный объем эквивалента водорода V_Э(H₂), молекула которого состоит из двух атомов, т.е. содержит два моля атомов водорода, равен 22,4: 2 =11,2 дм³. В формуле (2) отношение m(H₂):m_Э(H₂) заменяем равным ему отношением V(H₂):V_Э(H₂), где V(H₂)-объем водорода, V_Э(H₂)- молярный объем эквивалента водорода:

(3)

Из уравнения (3) находим молярную массу эквивалента оксида металла m_Э(MeO):

Согласно закону эквивалентов:

m_Э(MeO) = m_Э(Me) + m_Э(O₂),

m_Э(Me) = m_Э(MeO) - m_Э(O₂) = 35,45 - 8 = 27,45 г/моль. Мольная масса металла определяется из соотношения m_Э = A/B, где m_Э - молярная масса эквивалента, A - мольная масса металла, B -стехиометрическая валентность элемента; A = m_Э × B = 27,45 х 2 =54,9 г/моль.

Так как атомная масса в а.е.м. численно равна молярной) массе, выражаемой в г/моль, то искомая атомная масса металла 54,9 а.е.м.

Пример 4. Сколько металла, молярная масса эквивалента которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см³ кислорода (н.у.)?

Решение. Так как молярная масса O₂ (32 г/моль) при н.у. занимает объем 22,4 дм³, то объем молярной массы эквивалента кислорода (8 г/моль) будет 22,4: 4 = 5,6 дм³.

По закону эквивалентов:

откуда m(Me) =12,16 ×310/5600 = 0,673г.

Пример 5. Вычислите эквиваленты и молярные массы эквивалентов H₂SO₄ и Al(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

H₂SO₄ + KOH = KHSO₄ + H₂O (1)

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂ (2)

Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O (3)

Al(OH)₃ + 3HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3H₂O (4)

Решение. Эквивалент (молярная масса эквивалента) сложного вещества, как и эквивалент (молярная масса эквивалента) элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Молярная масса эквивалента кислоты (основания) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гидроксильных групп).

Следовательно, молярная масса эквивалента H₂SO₄ в реакции (1) m_Э(H₂SO₄) = M(H₂SO₄) = 98 г/моль, а в реакции (2) - m_Э(H₂SO₄) = M(H₂SO₄)/2 = 49 г/моль. Молярная масса эквивалента А1(ОН)₃ в реакции (3) m_Э(Al(OH)₃) = M(Al(OH)₃) =78г/моль, а в реакции (4) -m_Э(Al(OH)₃) = M(Al(OH)₃)/3 = 26 г/моль.

Задачу можно решить и другим способом. Так как H₂SO₄ взаимодействует с одной молярной массой эквивалента KOH и двумя молярными массами эквивалента магния, то ее молярная масса эквивалента равна в реакции (1) M(H₂SO₄)/1 г/моль, а в реакции (2) - M(H₂SO₄)/2 г/моль. А1(ОН)з взаимодействует с одной молярной массой эквивалента HCI и тремя молярными массами эквивалента HNO₃, поэтому его молярная масса эквивалента в реакции (3) равна M(Al(OH)₃)/1 г/моль, а в реакции (4) - M(Al(OH)₃)/3 г/моль. Эквиваленты H₂SO₄ в уравнениях (1) и (2) соответствен­но равны 1 моль и 1/2 моль; эквиваленты Al(OH)₃ в уравнениях (3) и (4) соответственно равны 1 моль и 1/3 моль.

Пример 6. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла (m_Э (Ме)).

Решение. При решении задачи следует иметь в виду: а) эквивалент (молярная масса эквивалента) гидроксида равен сумме эквивалентов (молярных масс эквивалентов) металла и гидроксильной группы; б) эквивалент (молярная масса эквивалента) соли равен сумме эквивалентов (молярных масс эквивалентов) металла и кислотного остатка. Вообще эквивалент (молярная масса эквивалента) химического соединения равен сумме эквивалентов (молярных масс эквивалентов) составляющих его частей. Учитывая сказанное, подставляем соответствующие данные в уравнение (1) примера 3:

 

 

Пример 7. В какой массе Са(ОН)₂ содержится столько же эквивалентов, сколько в 312г А1(ОН)₃?

Решение. Молярная масса эквивалента А1(ОН)₃ равна 1/3 его мольной массы, т.е. 78/3 = 26 г/моль. Следовательно, в 312 г А1(ОН)₃ содержится 312/26 =12 эквивалентов. Молярная масса эквивалента Са(ОН)₂ равна 1/2 его мольной массы, т.е. 37 г/моль. Отсюда 12 эквивалентов составляют 37 г/моль ×12 моль = 444г.

Пример 8. Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты в граммах.

Решение. Моль любого вещества (см. пример 1) содержит постоянную Авогадро (N_a) структурных единиц (в нашем примере молекул). Мольная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы 98/(6,02 × 10²³) = 1,63 × 10^-22 г

Контрольные вопросы

 

1. Определите эквивалент и молярную массу эквивалента фосфора, кислорода и брома в соединениях PH₃, H₂O, HBr.

2. Вычислите массу 50 дм³ кислорода при 25°С и давлении 150 КПа. Какое число молекул О₂ содержится в этой массе?

3. Из 1,35 г оксида металла получится 3,15 г его нитрата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 32,5 г/моль.

4. Из 1, 3 г гидроксида металла получается 2,85 его сульфата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 9 г/моль.

5. Вычислите массу 10 дм³ водорода при 0°С и давлении 300 КПа. Какое число молекул H₂ содержится в этой массе?

6. Чему равен при н.у. эквивалентный объём водорода? Вычислите молярную массу эквивалента металла, если на восстановление 1,017 г его оксида израсходовалось 0,28 дм³ водорода (н.у). Ответ: 32,68 г/моль.

7. Выразите в молях: а) 6,02 × 10²² молекул C₂ H₂; б) 1,80 × 10²⁴ атомов азота; в) 3,01 × 10²³ молекул NH₃. Какова мольная масса указанных веществ?

8. Газ массой 30 г занимает объём 15 дм³ при давлении 122 KПа и температуре 18°С. Определите молярную массу газа.

9. В 2,48 г оксида одновалентного металла содержится 1,84 г металла. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида. Чему равна молярная и атомная масса этого металла?

 

10. Чему равен при н.у. эквивалентный объём кислорода? На сжигание 1,5 г двухвалентного металла требуется 0,69 дм³ кислорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента, молярную массу и атомную массу этого металла.

11. Из 3,31 г нитрата металла получается 2,78 г его хлорида. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 103,6 г/моль.

12. Напишите уравнение реакций Fe(OH)₃ с хлороводородной (соляной) кислотой, при которых образуются следующие соединения железа: а) хлорид дигидроксожелеза; б) дихлорид гидроксожелеза; в) трихлорид железа. Вычислите эквивалент и молярную массу эквивалента Fe (OH)₃ в каждой из этих реакций.

13. Какой объём при н.у. занимают 5,38×10²² молекул газа? Определите молярную массу этого газа, зная, что вычисленный объём газа имеет массу 2,5 г.

14. Плотность газов по воздуху равна: а) 0,9; б) 2,45. Определите молярную массу и массу одного дм³ каждого газа.

15. Избытком хлороводородной (соляной) кислоты подействовали на растворы: а) гидрокарбоната кальция; б) дихлорида гидроксоалюминия. Напишите уравнения реакции этих веществ с HCl и определите эквиваленты и молярные массы их эквивалентов.

16. При некоторой температуре плотность паров серы по азоту равна 9,14. Из скольких атомов состоит молекула серы при этой температуре? Вычислите массу одной молекулы серы в граммах.

17. При взаимодействии 3,24 г трехвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 дм³ водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента, молярную и атомную массы металла.

18. Исходя из молярной массы углерода и воды, определите абсолютную массу атома углерода и молекулы воды в граммах.

19. На нейтрализацию 9,797 г ортофосфорной кислоты израсходовано 7,998 г NaOH. Вычислите эквивалент и молярную массу эквивалента H₃PO₄ в этой реакции. На основании расчета напишите уравнение реакции. Ответ: 0,5 моль, 49 г/моль.

20. Сколько молей заключает в себе 3 м³ любого газа при н.у.? Какое число молекул содержится в этом объёме?

Строение атома

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение. Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9—0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО).

Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу.

Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m_l) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями.

Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами(n, l, m_l и m_s). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона, число l (орбитальное) - момент количества движения (энергетический подуровень), число m_l (магнитное) - магнитный момент, m_s - спин.

Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_s = ± 1 /2).

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символовnl^x где n- главное квантовое число, l - орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение— s, p, d, f), x - число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией - меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s → 2s → 2р → 3s → Зр → 4s→3d →4р →5s → 4d → 5р → 6s→ (5d¹) →4f→ 5d →6p→7s→(6d^1-2)→5f→6d→7p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядко­вому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид:

₁₆ S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂ Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника, кружкаили линейки, а электроны в этих ячейках обозначают стрелками. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами (различие в спинах обозначают различным направлением стрелок).

Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спи нами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

 

Контрольные вопросы.

 

21. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

22. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

23. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d- и f- орбитали данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 31.

24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

25. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

26. Напишите электронные формулы ионов Zn²⁺, Cl^¯ и Al ³⁺. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

27. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

28. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

29. Чему равно количество подуровней в уровне? По какой формуле можно определить максимальное число электронов в подуровне? Вычислите максимальное число электронов в 3d- и 4p- подуровнях.

30. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных d-орбиталей у атомов последнего элемента?

31. В чём сущность правила Хунда? Разместите шесть электронов по атомным орбиталям 3d – подуровня. Чему равно их суммарное спиновое число?

32. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин p-электронов у атомов первого и d-электронов у атомов второго элемента?

33. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов?

34. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m_l при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют s-, p-, d- и f – элементами? Приведите примеры.

35. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m и s, характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

36. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента неверны: а) 1s² 2s² 2p⁵ 3s¹; б) 1s² 2s² 2p⁶; в) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴; г) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²; д) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

37. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного из 4s-электрона на 3d–подуровень. Чему равен максимальный спин d–электронов у атомов первого и p–электронов у атомов второго элементов?

38. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторого элемента имеют следующие значения: n = 4; l = 0; m = 0; s = ±1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите, сколько свободных 3d-орбиталей он содержит.

39. В чём заключается принцип Паули? Может ли быть на каком–нибудь подуровне атома p ⁷ – или d¹² –электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

40. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного из 5s-электронов на 4d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?