Тема: Будова атома і хімічний зв’язок.

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

Харківський коледж текстилю та дизайну

ФІЗИЧНА ТА КОЛОЇДНА ХІМІЇ

Харків

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

Харківський коледж текстилю та дизайну

Шрамко Н.М.

Навчальний посібник з дисципліни

«ФІЗИЧНА ТА КОЛОЇДНА ХІМІЯ»

для спеціальностей 5.04010602 «Прикладна екологія» і 5.05130201 «Опоряджувальне виробництво»

Розглянуто на Методичній раді ДВНЗ «Харківський коледж текстилю та дизайну»

Протокол №____ від _____________

Голова Методичної ради

__________________ Л.П.Нєнахова

Харків 2014

Автор-упорядник: Шрамко Н.М. – викладач вищої категорії ДВНЗ «ХКТД»

Розглянуто на засіданні циклової

комісії опоряджувального виробництва

та прикладної екології

Протокол № _____від_________2014

Голова комісії__________І.І.Гордієнко

.

Конспект лекцій призначений для аудиторної та самостійної роботи студентів з курсу «Фізичної та колоїдної хімії». Він складається з теоретичної частини (курсу лекцій) та контрольних питань. Курс лекцій включає найважливіші розділи фізичної та колоїдної хімії..

Призначений для студентів та викладачів вищих навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації

Передмова

Матеріал навчального посібника являє собою розширений конспект лекцій з тем та розділів курсу «Фізична та колоїдна хімії»: будова атома, агрегатний стан речовини, термодинаміка, хімічна кінетика, хімічна рівновага, фазова рівновага, розчини, електрохімія, колоїдна хімія, властивості ВМС.

Навчальний посібник складено у відповідності з вимогами програм для спеціальності «Прикладна екологія» та «Опоряджувальне виробництво», частина годин винесена на самостійне вивчення. Для цього можна рекомендувати багато підручників, але не кожний з них не може бути єдиним для студентів спеціальності «Прикладна екологія» та «Опоряджувальне виробництво» навчальних закладів

І-ІІ рівнів акредитації.

Посібник містить таблиці, схеми, графіки, що ілюструють теоретичний матеріал.

До кожної теми наведено перелік контрольних питань, які допоможуть більш глибоко засвоїти навчальний матеріал.

ЗМІСТ

1.Вступ 7

2.Будова атома 12

3.Агрегтний стан речовини 23

4.Термодінаміка 39

5.Хімічна кінетика і каталіз 56

6.Хімічна рівновага 72

7.Електрохімія 78

8.Фазова рівновага. Розчини. 90

9.Колоїдна хімія 111

10.Властивості ВМС 122

11. Термінологічний словник 128

12. Література 133

13.Додатки 134

ВСТУП

В житті нас оточує і постійно діє на наші органи почуття безмежна кількість предметів, тіл, речовин і явищ. Все, що ми бачимо, відчуваємо, весь зовнішній світ об’єднується одним великим поняттям – матерія. Матерія безпреревно змінюється, їй властивий рух. Рух матерії – це всі зміни та процеси, що проходять у світі: рух часток в тілі та просторі, розповсюдження хвиль, електромагнітні та теплові явища, хімічні та ядерні процеси, органічне життя, мислення, розвиток суспільствіа. Рух – це зміна взагалі. Рух невід’ємний від матерії і є її внутрішньою властивістю. В природі існує механічна, фізична, хімічна, біологічна та суспільна форми руху. Відрізняючись одна від одної, ці форми взаємопов’язані між собою. Різні науки досліджують конкретні форми руху матерії. Хімія широко використовує досягненення сучасної фізики, і в свою чергу успіхи в області хімії сприяють розвитку фізики (відкриття періодичного закону хімічних елементів Д. І. Меделєєва, вивчення ланцюгових реакцій, тощо). Сумісною наукою між фізикою та хімією є фізична хімія.

Фізична хімія вивчає будову молекул хімічних сполук, їх хімічні властивості і процеси хімічного перетворення у нерозривному зв’язку і взаємній обумовленості з фізичними властивостями речовин, фізичними умовами протікання хімічних перетворень, фізичними явищами, що проходять при цих перетвореннях. Отже, фізичну хімію можна визначити як науку, що вивчає зв’язки і взаємні переходи між хімічною формою руху матерії і формами руху, що є предметом дослідження фізики (теплота, електрика, випромінювання, тощо).

Характерною рисою сучасної фізичної хімії є гармонійне поєднання хімічних і фізичних методів дослідження, широке використання нею даних математики і квантової механіки.

Фізична хімія є теоретичним фундаментом усіх хімічних і багатьох сумісних з хімією наук. Невипадково раніше фізична хімія називалась теоретичною хімією. Висновками і методами цієї науки користуються вчені, що працюють у різних галузях хімії, медицини, біології, геології, металургії, інших наук. Тобто, фізична хімія має загальнонаукове значення.

Особливо велике прикладне значення даної науки. Вивчення фізико-хімічних закономірностей, що лежать в основі тих чи інших виробничих процесів, спочатку в лабораторних умовах, а потім на півзаводських установках, дозволяє розробляти наукові основи майбутніх виробництв, знаходити оптимальні умови ведення процесів, обізнано управляти цими процесами у виробничих умовах.

Розвиток техніки і інтенсифікація виробничих процесів потребує втілення в практику прискорених і точних методів контролю. На сьогодні в заводських та науково-дослідницьких лабораторіях поряд з хімічними методами все частіше починають використовуватись в роботі різні фізико-хімічні методи аналізу (полярографічний, колориметричний, потенціометричний, хроматографічний, тощо). Теоретичною основою цих методів є фізична хімія. Колоїдна хімія, виникнувши як один із розділів фізичної хімії, сьогодні відокремлена в самостійну науку.

Основними розділами, що характеризують напрямки фізичної хімії та визначають її предмет, є:

1. Будова речовини та учення про найважливіши властивості речовин, що знаходяться в газоподібному, рідкому та кристалічному стані.

2. Хімічна термодинаміка (вивчає зв’язок між хімічною та іншими видами енеергії).

3. Хімічна кінетика (розглядає швидкість і механізм хімічних реакцій, а також явища каталізу).

4. Вчення про хімічну рівновагу реакцій і фактори, що впливають на зсув рівноваги.

5. Розчини (в даному розділі розглядаються природа розчинів та їх важливі властивості).

6. Електрохімія (вивчає деякі властивості розчинів електролітів, електроліз, електропровідність розчинів, роботу гальванічних елементів, сутність електрохімічної корозії).

Засновником фізичної хімії як науки є М. В. Ломоносов. Він у 1752 – 1754 роках першим із вчених прочитав студентам курс фізичної хімії. Читання курсу супроводжувалось демонстрацією дослідів та проведенням лабораторних робіт. Ломоносов першим запропонував термін «фізична хімія» та дав цій науці наступне визначення: «Фізична хімія є наука, що пояснює на підставі положень та дослідів фізики те, що відбувається в змішаних тілах при хімічних операціях». Таким чином, Ломоносов розглядав фізичну хімію як науку, покликану дати фізичне пояснення сутності хімічних процесів.

У 1752 – 1753 роках Ломоносовим був написаний перший в світі підручник фізичної хімії «Введение в истинную физическую химию». В своїх працях вчений неодноразово вказував на необхідність для хіміков знання фізики та широкого використання математики. Він писав: «Хімік без знання фізики подібний до людини, яка всього повинна шукати ощупом, і ці дві науки так поєднані одна з одною, що одна без іншої у досконалості бути не можуть». Лише у 1864 році при Харківському університеті М. М. Бекетовим було організовано фізико-хімічне відділення, на якому у 1865 р. вчений почав викладати курс фізичної хімії. Бекетов знов обґрунтував положення про те, що фізична хімія – самостійна наука, основною задачею якої є вивчення зв’язку хімічних та фізичних властивостей речовин, хімічних та фізичних явищ та процесів.

Через 22 роки після Бекетові курс фізичної хімії почали викладати за кордоном (В. Освальд, Лейпцігський університет).

В цей період завершується становлення фізичної хімії, як самостійної наукової та учбової дисципліни, вона отримує загальне визнання. Однак батьківщиною фізичної хімії слід визнати Росію, а засновником її – великого російського вченого Михайла Васильовича Ломоносова.

Чималий внесок в розвиток фізичної хімії внесли й інші вчені. Так, наприкінці ХУІІІ-у першій половині ХІХ сторіччя В. В. Петровим, Г. Деві, Т. Гротгусом, М. Фарадеєм були проведені видатні роботи в галузі вивчення електролізу та явищ в гальванічних елементах. Російський академік Б. С. Якобі у 1836 році здійснив практичне застосування електролізу, розробив метод гальванопластики. Роботи з подальшого вивчення електродних процесів було продовжено німецьким фізико-хіміком В. Нерстом, а пізніше – радянським вченим О. М. Фрумкіним. Разом зі своїми учениками Фрумкін займався вивченням електрокапілярних та електрокінетичних явищ. Його роботи сприяли розвитку теоретичної та прикладної електрохімії. Виявленню причин електрохімічної корозії, її механізму та розробці способів захисту металів від руйнування присвячені роботи радянських вчених В. О. Кистяковського, Г. І. Акімова, Н. Д.Томашова, Н. О. Ізгаришева.

Кількісне вивчення теплових ефектів, пов’язаних з хімічними перетвореннями, яке почато у Франції А. Лавуаз’є та П. Лапласом, завершується у 1840 році відкриттям основного закону термохімії російським вченим Г. І. Гессом (закон Гесса), значними роботами в галузі термохімії закордонних вчених Г. Кірхгоффа, М. Бартло, Ю. Томсена та російських вчених І. А. Каблукова, В. Ф. Лугініна та М. М. Бекетова.

Виключно велика роль в розвитку хімії взагалі та фізичної хімії зокрема належить Д. І. Менделеєву. Його дослідження відносяться майже до усіх розділів фізичної хімії. Менделєєв відкрил найвеличніший закон природи, який пов’язує фізичні та хімічні властивості елементів – періодичний закон, який є фундаментальним законом хімії. Ним запропоновано рівняння стану ідеального газу, розвинуто учення про критичну температуру, сформульована сольватна теорія розчинів, розроблялась теорія гетерогенного каталізу.

Під впливом ідей Д. І. Менделеєва та М. М. Бекетова Д. П. Коновалов виконав класичну роботу з дослідження пружності парів над розчинами. Відкриті ним закони лежать в основі розділення рідких сумішей методом перегонки.

Засновник нового напрямку в хімії – фізико – хімічного аналізу – російський вчений М. С. Курнаков. Важливими в теоретичному та практичному відношенні стали роботи в галузі хімічної термодинаміки та учення про рівновагу хімічних реакцій Дж. Гіббса, К. Гульдберга, П. Вааге, М. М. Бекетова, з хімічної кінетики М. О. Меншуткіна, Я. Г. Вант – Гоффа, С. Арреніуса, М. О. Шилова, А. М. Баха, О. О.О. Баландіна, та інших.

Теорія цікавих для практики ланцюгових реакцій розроблена в працях М. М. Семенова, С. Хінзельвуда, інших. Початок адсорбційному аналізу – хроматографії – був покладений російським вченим М. С. Цветом у 1905 році.

Значні дослідження в галузі електрохімії, гетерогенного каталізу та з вивчення газової адсорбції деревинним вугіллям виконав М. Д. Зелинський.

На сьогодні в світі існує низка науково - дослідницьких інститутів фізичної хімії. Найбільш відомі з них – Науково-дослідницький фізико-хімічний інститут імені Л. Я. Карпова (заснований у 1922 році в Москві), Інститут фізичної хімії НАН Росії, Інститут фізичної хімії НАН України в м. Києві. В Дніпропетровську працює Iнститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України, який був створений у 1927 р. на базі кафедри електронної хімії Дніпропетровського гірничого інституту і став першим науково-дослідним інститутом хімічного профілю в Україні. Його засновником та першим директором був академік Лев Володимирович Писаржевський (1874-1938) - один з найвидатніших учених-хіміків ХХ століття. Впродовж 30 років (з 1939 по 1969 рр.) Інститут очолював академік О. І. Бродський (1895-1969), з 1969 по 1982 рр. — академік НАН України К. Б. Яцимирський, з 1982 р. — академік НАН України В. Д. Походенко.

Основні наукові напрями Інституту: теорія хімічної будови, кінетика і реакційна здатність; каталіз; адсорбція і адсорбенти; хімія високих енергій; фізико-неорганічна хімія. Останніми роками широкого розвитку набули дослідження в галузі фотокаталізу, каталітичної хімії одновуглецевих молекул, електрохімічної активації «малих молекул», молекулярного матеріалознавства, нанотехнологій, мезопористих систем, хімічних сенсорів тощо.

В Донецьку працює Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії НАН України ім. Л. М. Літвиненка.

Разом з тим, розвивається й хімія як наука взагалі. Широке застосування в усьому світі штучних та синтетичних матеріалів викликало утворення та розвиток нового розділу науки – фізичної хімії високомолекулярних сполук.

Тема: Будова атома і хімічний зв’язок.

Мета: Вивчити будову атома, розвивати уявлення про хімічний зв’язок.

План заняття:

1.Сучасні уяви про будову атома.

2.Розподілення електронів в атомі

3.Типи хімічного зв’язку.

Відповідно до сучасних уявлень атом являє собою складну систему з позитивно зарядженого ядра і електронів, що рухаються навколо нього, зв'язаних силами електричної взаємодії. У ядрі сили ядерної взаємодії утримують разом протони, кожний з яких несе один позитивний елементарний заряд, і електро- нейтральні нейтрони.

Величина заряду ядра дорівнює (в одиницях елементарного заряду) числу протонів і, відповідно, числу електронів у нейтральному атомі. Ця величина визначає порядковий номер у періодичній системі і тим самим – хімічну індивідуальність кожного елемента.

Кожен дозволений стан електрона в атомі характеризується конкретним набором усіх чотирьох квантових чисел. Квантованість станів электрона в атомі відображають квантові числа, які можна розглядати як набір номерів рішень рівняння Шредингера. Особливу увагу варто приділити фізичному змісту і можливим значенням квантових чисел (див. табл.1). Зверніть увагу на прийняті буквені позначення підрівнів.

Таблиця 1

Основні властивості квантових чисел електрона в атомі

Квантове число	Можливе значення	Число можливих значень	Физичний зміст (що визначає квантове число)
Головне n	1, 2, 3, 4… K,L,M,N...	∞	Енергію електрона на даному рівні. Середню відстань електрона від атомного ядра (розмір електронної хмари). Порядковий номер енерге-тичного рівня (електронної оболонки, шару).
Орбіталь-не (побі-чне) l	0,1,2,...(n -1) s,р,d, f...	N	Орбітальний момент імпуль-су і магнітний момент електрона. Енергію електро-на на підрівні даного рівня багатоелектронного атома. Форму орбіталі. Енергетич-ний підрівень.
Магнітне m­l	- l … 0 … + l	(2 l +1)	Проекцію орбітального моменту на виділений напрямок. Просторову орієнтацію орбіталі (електронної хмари).
Спінове m­s	+½ і -½		Власний момент імпульсу і магнітний момент електрона (один із двох можливих способів “обертання” електрона).

Кожен дозволений стан електрона в атомі характеризується конкретним набором усіх чотирьох квантових чисел.

Звідси можна послідовно визначити електронну ємність (максимально можливе число електронів) рівнів і підрівнів (табл.2).

Таблиця 2.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: