Лекция 1 ( 1 час) РАВИТИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ Цель: ознакомиться с предметом химии и задачами, стоящими перед современной химией, изучение основных понятий и законов химии Желаемый результат: Студенты должны знать: - определение химии как науки; - основные задачи химии: - значение химии в развитии современной промышленности - проблемы защиты окружающей среды - теоретические законы химии; уметь: - проводить химические расчеты, используя основные понятия и законы химии. иметь представление: - об основных классах неорганических веществ Учебные вопросы: 1. Предмет химии; 2. Развитие современной химии 3. Значение химии в развитии современной промышленности 4. Проблемы защиты окружающей среды 5. Основные понятия химии; 6. Основные законы химии; 7. Классификация неорганических веществ. Учебная информация Химия - наука, которая изучает физические и химические свойства вещества, их состав и строение, превращения друг в друга. Химия является одной из фундаментальных наук естествознания. Современная химия представляет собой совокупность отдельных дисциплин: общая и неорганическая химия, аналитическая химия, органическая химия и т.д. Зная состав вещества, его строение, свойства и механизмы и условия протекания химических реакций можно управлять синтезом новых материалов и источников энергии. В наше время химия занимает важное место среди базовых отраслей промышленности. Знание химии используется в производстве материалов, используемых в различных отраслях промышленности. Химические процессы лежат в основе производств : химических материалов, черных и цветных металлов, удобрений, стекла, цементов, нефтепродуктов, бумаги, резины, волокон, пластических масс и т.д. Возросла роль химии в машиностроении, радиотехнике, космической технике, автоматики, вычислительной техники микроэлектроники, электроники, строительстве. Химические реакции лежат в основе всех жизненных процессов, протекающих в организме растений и животных. Основными задачами химии является решение важнейших проблем человечества, к которым относятся: - продовольственные ресурсы (производство пищевых продуктов из минерального сырья); - ресурсы минерального сырья (комплексное использование сырья для создания различных химических продуктов); - энергетические ресурсы (создание новых химических источников тока и систем преобразования энергии); - предотвращение загрязнения биосферы (повышение эффективности охраны окружающей среды). К важнейшим направлениям исследований относятся: - создание новых конструкционных материалов (полимерные, керамические, композиционные, металлические, эластомеры, волокна, различные наноматериалы); - синтез новых веществ (органических, неорганических, элементоорганических); - химическая энергетика ( разработка эффективных способов аккумулирования энергии в энергоносителях); - вторичные материальные ресурсы; - безотходные химические производства. Знание законов химии позволяет разрабатывать современные методы защиты окружающей среды. Решение этой проблемы может осуществляться по следующим направлениям: - обезвреживание промышленных выбросов; - разработка новых безотходных технологических процессов; - усовершенствование процессов сжигания топлива. Большое значение имеет создание безотходных технологий, т.е. производства продукции, при котором наиболее комплексно используется сырье и энергия в цикле, что позволяет свести к минимуму вредное воздействии на окружающую среду. В настоящее время разработаны технологии, позволяющие использовать 2/3 образующихся отходов. Таким образом, современная химия играет огромную роль в народном хозяйстве. От уровня развития химии и химической промышленности в значительной мере зависит развитие всего народного хозяйства страны. Современная химия базируется на атомно-молекулярном учении: все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул); атомы и молекулы обладают определенной массой и размерами и находятся в непрерывном движении. Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Составными частями атомов являются элементарные частицы - электроны, протоны, нейтроны ит.п. Химический элемент – совокупность атомов одного вида, обладающих одинаковым зарядом ядра, равным порядковому номеру в периодической таблице Д.И. Менделеева. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами, состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Вещество – совокупность одинаковых молекул или кристаллов. Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, например: металлы Na, Са; инертные газы Ne, Не; неметаллы S, Н2, N2, O2. Сложное вещество состоит из атомов двух или нескольких элементов, например, Н2О, CO2, CuSO4, FeCl2, NaNO3. Атомы и молекулы – материальные частицы, имеющие абсолютную массу, например, абсолютная масса атома углерода ma(С) = 1,99· 10-26 кг. Использовать величины такого порядка неудобно, поэтому при вычислении атомных масс за единицу массы принимают 1/12 массы атома изотопа углерода с массовым числом 12( 126 C ), называемую относительной атомной массой (а.е.м.). Относительной молекулярной массой называют массу молекулы, выраженную в а.е.м. Относительная молекулярная масса сложного вещества равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы: Mr(Na2SO4) = 2Ar(Na) + Ar(S) + 4Ar(O) = 2· 23+ 32 + 4· 16 = 142 а.е.м. Моль – количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 0,012кг изотопа 12С. Моль вещества содержит 6,02 ∗ 1023структурных единиц (постоянная Авогадро NA). Молярная масса вещества представляет собой отношение его массы к количеству вещества: m М= , n где М – молярная масса в г/моль (кг/моль); m – масса в граммах (кг), n – количество вещества в молях. Основные законы химии Закон сохранения массы: Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (М.В. Ломоносов (1748-1760 г.г.) А. Эйнштейн (1905 г.) показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, качественно выражаемая уравнением: E = m· c2 , где E - энергия, кДж; m - масса, кг; c - скорость света в вакууме, равная 3 ∗ 108 м/с; Закон постоянства состава: Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, всегда имеет постоянный качественный и количественный состав (франц.Ж.Л. Пруст, 1808 г.). Например, оксид углерода можно получит следующими способами: 1) С + О2 = СО2 2) 2СО + О2 = 2СО2 3) СаСО3 t → СаО + СО2 В химически чистом оксиде углерода всегда содержится 27,29% углерода и 72,7 1 %кислорода. Закон кратных отношений: Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, приходящиеся на одно и то же массовое количество другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа (англ.,Д. Дальтон, 1808 г.) Например: CO и CO2 ( количество массовых частей углерода, приходящихся на 1 массовую часть кислорода 2 : 1) Закон Авогадро: В равных объемах разных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержится равное количество молекул (итал., 1811 Г.): Следствие из закона Авогадро: Одинаковое число молекул при одинаковых условиях занимают одинаковый объем. 1 моль ( 6,02 • 1023 молекул) любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем. При нормальных условиях (н.у.) такой объем называется молярным Vm= 22,4 л. Нормальные условия (н.у.): температура to –00С или 273К и давление ро – 101325 Па (101,3 кПа) или 760 мм. рт. ст. (1 атм Закон эквивалентов: химические элементы, соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам (Рихтер, 1794г.) Эквивалент элемента (Э) – это такое количество вещества, которое соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Эквивалент выражается в молях. Эквивалентная масса (mЭ) – масса 1 эквивалента элемента, выражается в г/моль. Эквивалентный объем (VmЭ) – объем, занимаемый эквивалентной массой газообразного вещества. Например, эквивалентный объем водорода при н.у. равен 11,2 л, т.к. молекула водорода содержит два моля атомов водорода. Закон эквивалентов можно сформулировать следующим образом: массы (объемы) реагирующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам). m1 m2 V1 V2 m1 V2 = = = ; или mЭ (1) mЭ ( 2) VЭ (1) VЭ ( 2) mЭ (1) VЭ ( 2) . Основные классы неорганических соединений Оксиды это соединения элемента с кислородом. Общая формула оксидов - ЭmOn, где m –число атомов элемента, n- число атомов кислорода. Все оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Несолеобразующие (индифферентные) оксиды ( N2O, NO, CO, SiO) не взаимодействующие ни с кислотами, ни с основаниями. Солеобразующие оксиды образуют соли при взаимодействии с кислотами (кислотными оксидами) или основаниями. Большинство солеобразующих оксидов, взаимодействуя с водой образуют гидроксиды. Гидроксиды – это общее название оснований (NaOH, Cu(OH)2) и кислородосодержащих кислот (H2SO4, Н3РO4). Некоторые гидроксиды являются ↔ H2ZnO2). амфотерными (Zn(OH)2 Солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные. Основные оксиды ( Na2O, CaO) образуют соли при взаимодействии с кислотами или кислотными оксидами. Кислотные (CO2, SO3) образуют соли при взаимодействии с основаниями или основными оксидами. Амфотерные ( Al2O3, ZnO) образуют соли как при взаимодействии с кислотами, так и с основаниями. Резюме по теме: Химия является одной из фундаментальных наук естествознания. Современная химия представляет собой совокупность отдельных дисциплин: общая и неорганическая химия, аналитическая химия, органическая химия и т.д. В наше время химия занимает важное место среди базовых отраслей промышленности. Знание химии используется в производстве материалов, используемых в различных отраслях промышленности. Важнейшими частицами вещества являются атомы и молекулы. Современная химия базируется на атомно-молекулярном учении. Решающий вклад в становлении и развитии химии внесли Пруст, Дальтон, Авогадро, Рихтер, М.В.Ломоносов,Д.И.Менделеев, А.М.Бутлеров и др. Вопросы для самопроверки 1. 2. 3. Сформулируйте определение химии как науки. Сформулируйте основные задачи современной химии. Сформулируйте основные законы химии СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Коровин Н.В.. Общая химия: Учебн. Для техн. Направл. и спец.вузов–М.: Высш. 2004 -560 2. Глинка. Н.А. «Химия» -Л.:2006– 702 с. 3. Фролов В.В.Химия: Уч. пособ.для втузов. М.: Высш. Шк..2002 -527 с.