Подписано в печать . Формат 60х90 1/16.
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Самарский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Общая и инженерная химия»
ХИМИЯ
Методические указания к выполнению самостоятельных работ
для студентов всех специальностей
Составители: Васильченко Л.М.
Сеницкая Г.Б.
Халикова А.В.
Сотова Н.В.
Самара 2011
УДК 546
Методические указания к выполнению самостоятельных работ для студентов всех специальностей. - Самара: СамГУПС, 2011. - 52 с.
Утверждено на заседании кафедры «Общая и инженерная химия ОИХ», протокол № 3 от 25.10.2011 г.
Печатается по решению редакционно-издательского совета университета
Методуказания содержат задания двух контрольных по 20-ти разделам курса общей химии.
Составители: Васильченко Лидия Михайловна
Сеницкая Галина Борисовна
Халикова Алла Викторовна
Сотова Наталья Васильевна
Рецензенты: к.х.н., доцент кафедры «Физическая химия и хроматография» Самарского государственного университета
Колосова Е.А.
к.т.н., доцент кафедры «Физика и экологическая теплофизика»
Самарского государственного университета путей сообщения
Вилякина Е.В.
Редактор:
Комп. верстка:
Подписано в печать . Формат 60х90 1/16.
Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л. .
Тираж экз. Заказ № .
ã Самарский государственный университет путей сообщения, 2011
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания содержат теоретически-справочную часть и образцы решения задач 2-х контрольных работ по 20-ти разделам курса общей химии.
Методуказания составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом РФ и программой курса химии для студентов железнодорожных специальностей дневного и заочного отделений.
Материал предназначен для помощи студентам при самостоятельной подготовке к выполнению контрольных и лабораторных работ. Работа является также кратким справочным материалом для подготовки к сдаче зачетов и экзаменов.
Содержание теории и задач составляет:
Гидролиз солей. Водородный показатель. Материал используется в технологиях вагонного и локомотивного депо; при приготовлении воды с целью охлаждения ДВС, нанесении гальванопокрытий и др.
Окислительно-восстановительные процессы. Данные процессы необходимы в основном для устройств и работы электрохимических преобразователей энергии (ГЭ, ТЭ, аккумуляторов, хемотронов) и количественных анализов.
Строение атомов. Химическая связь. Знания материала необходимо для подбора веществ на любых предприятиях железной дороги, особенно для создания нанотехнологических материалов.
И др.
В методических указаниях выделены основные вопросы и подобраны задачи по темам, требующие от студентов глубокой проработки; указана необходимая литература, рассмотрено решение типовых задач.
Важным достижением прошлого столетия явилось использование порошков металлов и их соединений при производстве изделий различного назначения. В последние годы открылись впечатляющие перспективы создания новых типов материалов с особо ценными свойствами. Обнаружено, что уменьшение размера кристаллов («зерен» в структуре твердых тел) ниже некоторой пороговой величины приводит к значительному изменению их свойств. Такие эффекты начинают проявляться когда размер кристаллов, то есть мелких монокристаллов, становится меньше 100-150 нм и резко усиливаются при вхождении кристаллов в наноинтервал размеров 1-10 нм. Особенно перспективными оказались нанокристаллические материалы.
Внедрение нанотехнологий на железнодорожном транспорте возможно практически во всех структурных подразделениях отрасли.
В транспортном строительстве использование бетонов, модифицированных углеродными нанотрубками, позволит улучшить прочностные и теплоизоляционные характеристики зданий и сооружений на 15-30 %.
Использование при производстве подвижного состава новых конструкционных материалов даст ощутимый технико-экономический эффект. Изготовление качественно новых рельсов и колесных пар на основе нанодисперсного перлита с повышенной прочностью и с одновременным сохранением требуемой вязкости продлит срок службы верхнего строения пути.
Введение в пластичные железнодорожные смазки противоизносного вещества-фосфоромолибдата натрия приводит к уменьшению коэффициента трения. Высокодисперсный нанопорошок надежно защищает от износа машины, оборудование и двигатели. Его применение увеличивает мощность двигателя внутреннего сгорания на несколько киловатт, а токсичность выхлопных газов снижает на 85 % . Износ деталей двигателей сокращается практически в 2 раза, экономия топлива увеличивается на треть.
Частичное фосфатирование стальной поверхности с добавлением противоизносной присадки увеличивает ее прочность и коррозионную стойкость.
Для очистки железнодорожных цистерн от остатков битума, нефти и мазута изобретен новый щелочной состав «Эффект», действующий на молекулярном уровне. При добавлении в системы отопления или охлаждения 0,2 % раствора эффекта в трубах не образуется накипь и ржавчина. Ученые рекомендуют применять его для обмывки колесных пар, буксовых узлов, подшипников, тяговых электродвигателей и других узлов подвижного состава, поскольку оно эффективно удаляет все виды смазок, в том числе и водонерастворимых.
Применение нанотехнологий позволит увеличить скорость движения поездов, повысить безопасность движения, увеличить межремонтный ресурс подвижного состава.
Одними из распространенных наноматериалов являются углеродные нанотрубки (УНТ), поверхность которых обладает большим количеством двойных углеродных связей, что открывает возможность присоединения различных молекулярных комплексов, которые могут характеризоваться повышенными сорбционными свойствами. Поэтому их можно использовать как сорбенты для очистки сточных вод от вредных примесей, таких как тяжелые металлы, например, свинец и кадмий.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная учебная литература
1. Коровин Н.В. Учебник для технич. направл. и спец. вузов – 6-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2005. – 557 с.
2. Глинка Н. Л. Общая химия. – 30-е изд. - М.: Интеграл-пресс, 2006. - 728 с.
3. Зубрев Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. – М.: УМК МПС РФ, 2002. – 292 с.
4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов
/ Под. ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной – М.: Интеграл – Пресс, 2007. – 240 с.
5. Гольбрайх З.Е. Сборник задач и упражнений по общей химии: учебное пособие для вузов / Под. ред В.А. Рабиновича. - М.: Интеграл – Пресс, 2007. – 240 с.
Учебно-методическая литература
1. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Справочный материал по дисциплинам «Химия» и «Коррозия металлов» для студентов 1-го курса всех специальностей и форм обучения. Часть I. – Самара: СамГУПС, 2005. – 98 с.
2. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М. Контрольные задания для студентов-заочников всех специальностей. Самара: СамГУПС, 2008. – 44 с.
3. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методические указания для выполнения учебно-исследовательской работы по химии. – Самара: СамГУПС, 2009. – 30 с.
4. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методические указания для выполнения лабораторных работ по количественному анализу химических соединений для студентов всех специальностей очной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 31 с.
5. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Лабораторные работы и методические указания к выполнению для студентов всех специальностей очной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 35 с.
6. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Лабораторные работы и методические указания к выполнению для студентов всех специальностей заочной формы обучения. – Самара: СамГУПС, 2009. – 35 с.
7. Васильченко Л.М., Сотова Н.В. Окислительно-восстановительные процессы. Методические указания к выполнению лабораторной работы по химии для студентов всех специальностей и форм обучения. – Самара: СамГУПС, 2008. – 15 с.
8. Васильченко Л.М, Сотова Н.В., Яковлев В.М. Основные классы неорганических соединений. Методические указания к выполнению лабораторной работы по химии для студентов всех специальностей и форм обучения. – Самара: СамГУПС, 2007. – 20 с.
9. Васильченко Л.М., Сотова Н.В. Тестовые задания по дисциплине «Химия» для студентов транспортных вузов всех специальностей. – Самара: СамГУПС, 2009. – 62 с.
10. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Методическое пособие на тему «Инструментальные методы анализа» по дисциплинам «Химия» и «Коррозия металлов и средства защиты от нее». - Самара: СамГУПС, 2010. – 10 с.
11. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения. Часть I. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 29 с.
12. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения. Часть II. - Самара:СамГУПС, ноябрь 2010. – 33 с.
13. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Яковлев В.М., Сотова Н.В. Химия. Тестовые задания для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения. Часть II. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 30 с.
14. Васильченко Л.М., Сеницкая Г.Б., Халикова А.В., Сотова Н.В. Коррозия металлов и средства защиты от нее. Контрольные задания для студентов транспортных специальностей. - Самара: СамГУПС, ноябрь 2010. – 25 с.
15. Васильченко Л.М., Кажанова Т.В., Сотова Н.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ по химии для студентов 1 курса всех специальностей и форм обучения. – Самара-Оренбург, СамГУПС, январь 2011 – 77 с.
16. Васильченко Л.М., Кажанова Т.В. Методические указания к выполнению лабораторной и учебно-исследовательской работы по химии для студентов 1 курса всех специальностей и форм обучения. – Самара-Оренбург: СамГУПС, апрель 2011 – 16 с.
Дополнительная литература
1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., издат. центр «Академия», 2001. – 743 с.
2. Горбунов А.И., Гуров А.А., Филиппов Г.Г., Шаповал В.Н. Теоретические основы общей химии: Учебник для студентов технических университетов и вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 720 с.
3. Степин Б. Д. Демонстрационные опыты по общей и неорганической химии. – М.: Владос, 2004. – 335 с.
4. Колпакова Н. А. Сборник задач по электрохимии. – М.: Высш. шк., 2003.- 142 с.
1. ЭКВИВАЛЕНТ. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ
Эквивалент(Э) – реальная или условная частица вещества, которая может присоединить, заместить в кислотно-основных реакциях один ион водорода (или другого одновалентного элемента), а в окислительно-восстановительных реакциях – присоединить или высвободить один электрон.
Под условной частицей вещества подразумевается реально существующие частицы (молекулы, ионы, электроны и т.д.), доли этих частиц (например, 1/2 иона) или их группы.
Фактор эквивалентностиfэ (х) – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества X эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в реакции окисления-восстановления.
Фактор эквивалентности – величина безразмерная. Принимает значения 1 или меньше единицы.
Для простых веществ и элементов в соединении fэ(х) = 1/В, где В – валентность элемента.
Например, для водорода или натрия fэ= 1/1 = 1. Для магния или кислорода fэ = 1/2.
Молярная масса эквивалента вещества Мэ(х) – масса одного моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности fэ(х) на молярную массу вещества Мх.
Мэ(х) = fэ (х) · Мх (кг/моль, г/моль).
Например, молярные массы эквивалентов простых веществ:
Мэ(Н) = 1 · 1 г/моль;
Мэ(Na) = 1· 23 = 23 г/моль;
Мэ(Mg) = ½ · 24 = 12 г/моль;
Mэ(О) = ½ · 16 = 8 г/моль.
Если одно из реагирующих веществ – газ, то для него вводится понятие объема эквивалента вещества – Vэ(х), который рассчитывается на основании следствия из закона Авогадро:
1 моль газа массой М занимает объем 22,4 л, при нормальных условиях (н.у.):
Рo = 1 атм.; То = 273 К
1 эквивалент газа массой Мэ занимает объем Vэ при н.у.
отсюда Vэ = 22,4 · Мэ / М (л/моль);
Например, при нормальных условиях 1 моль эквивалентов водорода занимает объем, равный:
Vэ (Н2) = 22,4 · 1 / 2 = 11,2 л/моль.
Для кислорода эта величина составляет
Vэ (О2) = 22,4 · 8 / 32 = 5,6 л/моль.
Закон эквивалентов: массы (или объемы) реагирующих веществ пропорциональны молярным массам эквивалентов (или эквивалентным объемам) этих веществ.
m1 /m2 = Mэ (1) /Мэ (2).
Если одно из этих веществ представляет собой газ, то закон эквивалентов записывается в виде
m1 /Мэ(1) = V2 /Vэ (2).
Примеры решения задач
Пример 1. Рассчитайте эквивалентную массу трёхвалентного металла, навеска которого массой 1,44 г при его полном окислении превращается в 2,72 г соответствующего оксида. Какой металл используется в качестве исходного реагента?
Решение. На основании закона эквивалентов составим пропорцию
,
где m – масса реагента, 
- его молярная эквивалентная масса.
Таким образом, 
Из условия задачи находим m(O)=m(окс.)-m(M)=2,72 – 1,44 =1,28 (г).
(O) = 8 
, получим:
.
По определению грамм-атомная масса (A) простого вещества равна произведению его молярной эквивалентной массы на валентность (В)
.
В итоге, сравнив найденный результат с значениями средних масс в таблице Д.И. Менделеева, приходим к выводу, что в качестве металла был использован алюминий.
Пример 2. Сколько граммов цинка растворилось в соляной кислоте, если известно, что в ходе этой реакции выделилось 1,2 л водорода.
Решение.С учётом объёмных отношений газообразных реагентов из закона эквивалентов следует, что
,
где m - масса металла, - его молярная эквивалентная масса, V – объём газообразного продукта реакции, 
- его молярный грамм-эквивалентный объём.
Из данных таблицы Менделеева определим, что
( 
)=11,2 л · моль-1, получим:
.
Пример 3.Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы 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.Факторэквивалентности или эквивалентная масса сложного вещества, как и фактор эквивалентности или эквивалентная масса элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основания) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл или на число вступающих в реакцию гидроксильных групп.Следовательно, молярная эквивалентная масса H2SO4 в
реакции (1) MH2SO4 = 98 г/моль, а в реакции (2) MH2SO4 / 2 = 49 г/моль. Эквивалентная
масса Al (OH)3 (3) MAl(OH)3 = 78 г/моль, а в реакции (4) MAl(OH)3 / 3 = 26 г/моль.
Пример 4.Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты.
Решение.Моль любого вещества содержит постоянную Авогадро (NА) 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.
СТРОЕНИЕ АТОМОВ
Современная теория строения атомов и молекул базируется на законах движения микрочастиц, обладающих очень малой массой, порядка 10-27 – 10-31 кг. Эти законы были сформулированы в 1923-27 годах и привели к созданию новой науки – квантовой механики. Установлено, что поведение микрочастиц принципиально отличается от поведения микрообъектов, изучаемых классической механикой.
Применение законов квантовой механики к химическим явлениям привело к созданию квантовой химии, которая является основой современной теории химической связи и строения вещества.
Движение электрона в атоме имеет 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, m1). 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 (m1) 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 числами (n, l, ml, и ms). 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 m1(магнитное) – магнитный момент, ms – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны и атомы должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому на АО могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами ms = ± 1/2. Заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме – в порядке возрастания числа n. Соответственно по этому правилу последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:
1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2 < 3p6 < 4s2 < 3d10 < 4p6 < 5s2 < 4d10 < 5p6 < 6s2
< 5d1 < 4f14 < 5d9 < 6p6 < 7s2 < 6d1 < 5f14 < 6d9 < 7p6 < 8s2……
Примеры решения задач
Пример 1.Напишите электронную формулу атома серы. К какому электронному семейству относится сера? Укажите валентные электроны, распределите их по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденных состояниях.
Решение. У атома серы порядковый номер 16 в таблице Д.И. Менделеева, поэтому – 16 электронов и последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней совпадает с электронной формулой (что характерно для элементов с порядковыми номерами от 1 до 20):
16S – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
Последним заполняется p-подуровень, поэтому сера принадлежит к p-электронному семейству; содержит 6 валентных электронов – 3s2 3p4. Представим схему размещения валентных электронов в квантовых (энергетических) ячейках:
3s 3p 3d
16S - ...
Валентность серы в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях H2S, Na2S, CaS.
У атома серы на 3d-подуровне имеются вакантные орбитали. При возбуждении атома происходит разъединение пар электронов и переход их на свободные орбитали.
Представим электронные конфигурации атома серы в возбужденных состояниях:
3s 3р 3d
а) 16S* - … , 16S* - … 3s23p33d1
Валентность серы равна 4, например, в соединениях SO2, H2SO3
3s 3p 3d
б) 16S*- … S* - … 3s1 3p3 3d2
Валентность серы равна 6, например, в соединениях: SO3, H2SO4.
Вывод: валентность серы в соединениях 2, 4, 6.
Пример 2.Составьте электронную формулу атома титана и ионов титана Ti2+ и Ti4+. К какому электронному семейству относится титан? Приведите электронные аналоги титана.
Решение. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней следующий:
22Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
Титан принадлежит к d-электронному семейству.
Электронная формула титана имеет вид:
22Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2
Подчеркнуты валентные электроны.
Электронно-графические формулы валентных электронов атома титана в нормальном и возбужденном состояниях:
3d 4s 4p 4d 4f
22 Ti -…
Валентность титана в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях: TiO, TiCl2. Такая валентность обусловлена двумя неспаренными электронами, но вакантные орбитали на 4p-подуровне вносят дополнительный вклад в валентность и титан в некоторых соединениях проявляет валентность, равную 3, например, в соединении TiCl3.
При возбуждении атома титана происходит распаривание 4s-электронов и переход их на 4p-подуровень, валентность титана в этом состоянии равна 4 (TiO2, TiCl4):
3d 4s 4p 4d 4f
22Ti*-…
22 Ti* - … 3d2 4s1 4p1 4d0 4f0
Сокращенная электронная формула атома титана:
22 Ti - … 3d2 4s2
Электронные аналоги титана:
40 Zr - … 4d2 5s2; 72 Hf - …5d2 6s2
Электронные формулы ионов титана Ti2+ и Ti4+ соответственно:
22Ti2+ - … 3d2 4s0; 22Ti4+ - … 3d0 4s0.
Пример 3.Для атома с электронной структурой 1s22s22p1 найдите значения четырех квантовых чисел n, l, ml, ms , определяющие каждый из электронов в нормальной состоянии.
Решение.Электронную формулу1s22s22p1 имеет атом бора. Значения квантовых чисел для электронов атома бора надо определять с учетом принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми.
1-й энергетический уровень атома бора содержит два электрона в s-состоянии. Эти электроны характеризуются следующим набором квантовых чисел: 1,0, 0, ± ½.
Электроны в s-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2,0, 0, ± 1/2 .
Электроны в р-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2, 1, -1, + 1/2.