Основы химии

1.

ОСНОВЫ
ХИМИИ ДЛЯ
ИНЖЕНЕРА
ОТ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА И КОЛИЧЕСТВЕННЫХ
РАСЧЁТОВ — К ЗАКОНАМ РЕАКЦИЙ И
ПОВЕДЕНИЮ ГАЗОВ

2.

ЗАЧЕМ ИНЖЕНЕРУ ХИМИЯ
▪ Свойства газов, растворов, сплавов и
металлов зависят от состава и строения.
▪ Знание химических превращений
помогает выбирать материалы и
объяснять их взаимодействие.
▪ Понимание химии помогает безопасно
вести производственные процессы.
▪ Курс связывает частицы вещества с
наблюдаемыми свойствами и
инженерными расчётами.

3.

ВЕЩЕСТВО СОСТОИТ ИЗ ДВИЖУЩИХСЯ
ЧАСТИЦ
▪ Атомно-молекулярное учение связано с работами М. В. Ломоносова и
Джона Дальтона в XVIII веке.
▪ Вещества состоят из атомов и молекул, которые постоянно движутся.
▪ Даже неподвижная металлическая деталь состоит из движущихся атомов.
▪ Движение атомов связано с изменениями вещества.

4.

МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ
Молекула — наименьшая частица, сохраняющая
химические свойства вещества. Атом — предел делимости
химического элемента, хотя сам он имеет сложное
строение.
Молекула азота сохраняет свойства азота,
а при разделении на атомы образуются
новые вещества. В ионных веществах
структурными единицами служат ионы.

5.

ЭЛЕМЕНТЫ, ИЗОТОПЫ И АЛЛОТРОПИЯ
▪ Простое вещество состоит из атомов одного
элемента, сложное — из атомов двух или
более элементов.
▪ Элемент объединяет атомы с одинаковым
числом протонов.
▪ Изотопы отличаются числом нейтронов:
например, хлор-35 и хлор-37.
▪ Аллотропные формы имеют одинаковый
состав, но разное строение: алмаз твёрдый,
графит мягче.
▪ Олово бывает белым и серым.

6.

КАК ОБРАЗУЮТСЯ ИОНЫ
▪ Ион — заряженная частица, возникающая при отдаче или присоединении
электронов.
▪ Катион образуется при потере электронов: Na → Na⁺ + e⁻.
▪ Анион образуется при присоединении электронов: Cl + e⁻ → Cl⁻.
▪ При ионизации число протонов и заряд ядра не меняются.

7.

ОТ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ МАССЫ К
МОЛЯРНОЙ
▪ Атомная единица массы — 1/12 массы атома углерода-12.
▪ Относительные атомная масса Aᵣ и молекулярная масса Mᵣ безразмерны.
▪ Mᵣ молекулы равна сумме Aᵣ всех её атомов.
▪ Для H₂SO₄: Mᵣ = 2·1 + 32 + 4·16 = 98.
▪ Молярная масса H₂SO₄ численно равна 98 г/моль.

8.

МОЛЬ ПЕРЕВОДИТ МАССУ В ЧИСЛО
ЧАСТИЦ
▪ Один моль содержит 6,02214076 × 10²³ атомов, молекул или ионов — это
число Авогадро, Nₐ.
▪ Количество вещества: n = m / M; число частиц: N = nNₐ.
▪ В 6,4 г SO₂ при M = 64 г/моль содержится 0,1 моль, или 6,022 × 10²²
молекул.

9.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ И ПОСТОЯНСТВА
СОСТАВА
▪ Масса реагентов равна массе продуктов:
атомы лишь перегруппировываются.
▪ 224 г железа + 96 г кислорода → 320 г
оксида железа: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃.
▪ Вода всегда имеет состав H₂O: на два
атома водорода приходится один атом
кислорода.
▪ В обычных реакциях изменением массы
из-за связи массы и энергии
пренебрегают.

10.

ЧЕТЫРЕ КЛАССА НЕОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
Класс
Состав
Примеры
Оксиды
Кислород и другой элемент
CO₂, Fe₂O₃
Кислоты
Ионы водорода и кислотный остаток
HCl, H₂SO₄
Основания
Катион металла и гидроксид-ионы
NaOH, Al(OH)₃; щёлочи: NaOH, KOH
Соли
Катион металла и кислотный остаток
CuSO₄, NaCl

11.

КАК РАЗЛИЧАТЬ КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ
КИСЛОТЫ
ОСНОВАНИЯ
▪ Бывают бескислородными (HCl, H₂S) и
кислородсодержащими (H₂SO₄, HNO₃).
▪ Тип основания определяет число групп OH.
▪ Основность — число замещаемых ионов водорода.
▪ HCl — одноосновная, H₂SO₄ — двухосновная, H₃PO₄
— трёхосновная.
▪ NaOH содержит одну группу OH, Ca(OH)₂ — две,
Al(OH)₃ — три.

12.

ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ СРАВНИВАЕТ
КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВ
▪ Вещества взаимодействуют в строго эквивалентных количествах.
▪ Эквивалент равноценен одному иону водорода в обменной реакции или
одному электрону в окислительно-восстановительной.
▪ Фактор эквивалентности fэкв показывает долю частицы, участвующую в
процессе: 0 < fэкв ≤ 1.
▪ Молярная масса эквивалента: Mэкв = fэквM.
▪ Количество эквивалентов: nэкв = m / Mэкв.

13.

ФАКТОР ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ЗАВИСИТ
ОТ РЕАКЦИИ
▪ Для H₂SO₄ фактор равен 1/2, для Al(OH)₃ — 1/3, для CuSO₄ — 1/2.
▪ Для P₂O₅: fэкв = 1/(2·5) = 1/10.
▪ В окислительно-восстановительной реакции фактор зависит от числа
переданных электронов.
▪ В реакции Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ два иона водорода принимают два
электрона; фактор эквивалентности H₂ равен 1/2.

14.

ЗАКОН АВОГАДРО ОПИСЫВАЕТ ОБЪЁМ ГАЗОВ
▪ Равные объёмы газов при одинаковых
температуре и давлении содержат
одинаковое число молекул.
▪ При нормальных условиях один моль
любого газа занимает 22,4 л.
▪ При одинаковых температуре и давлении
ρ₁/ρ₂ = M₁/M₂: плотности газов относятся
как их молярные массы.
▪ Нормальные условия: 0 °C (273,15 K) и
101325 Па, или 760 мм рт. ст.

15.

РАСЧЁТЫ ГАЗА ВНЕ НОРМАЛЬНЫХ
УСЛОВИЙ
▪ Температуру переводят в кельвины: T = t + 273,15.
▪ Для газа при произвольных условиях используют уравнение pV = nRT.
▪ p — давление в паскалях, V — объём в кубических метрах.
▪ n — количество вещества, T — температура в кельвинах.
▪ Газовая постоянная R = 8,31 Дж/(моль·К).