Лекция (1) (Презентации лекций)

Общая и физическая химияОсновные сведения по строениювещества, неорганической иорганической химииФеноменологическая ихимическая термодинамикаХимическая кинетикаБорщевский Андрей ЯковлевичХимический факультет МГУЛаборатория термохимии им. проф. В.Ф.Лугининапомещение 106, 1 этажтел. 939-53-96borsch@phys.chem.msu.ruborschevskij@thermo.chem.msu.ruЗачем все это нужно? Получить удовольствие от взаимногообщения Узнать новое об окружающем мире Сопоставить взгляды химиков и физиковна природу Узнать о междисциплинарных связях Снизить барьер, разделяющийфизическое и химическое мышление Получить строку «химия» в дипломеМеждисциплинарные журналы•••••••Journal of Chemical PhysicsJournal of Physical Chemistry (серии A, B, C)Chemical Physics LettersChemical PhysicsPhysical Chemistry Chemical Physics (PCCP)Журнал физической химииХимическая физикаЛекция 1Введение.Основные представленияо химии.План лекции1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.Место химии в ряду наук о природе.Взаимодействие физики и химии.Особенности, разделы и задачи химии.Структура и язык химии, химическая символика.Химические частицы.Вещества, их классификация и характеристики.Химические элементы, их происхождение ираспространенность в природе.Периодическая система элементов, её структура.Виды химической связи.Степени окисления элемента в соединениях.Химические реакции, их запись и понятие о механизме.Физикаизучает общие свойстваи законы движения объектовматериального мираХимияизучает вещества, их строение,свойства и превращенияКакие разделы физики важныпри изучении химии?Классическая механикаНерелятивистская квантовая механикаЭлектродинамикаТермодинамикаСтатистика и молекулярная физикаОптика и спектроскопияГидродинамика и теория упругостиФизическая кинетикаРелятивистская теорияОсновные теории химии••••Квантовая химияХимическая термодинамикаХимическая кинетикаТеория химического строенияФизические и химические понятияПримеры физическихпонятий:Примеры химическихпонятий:Всегда•Масса•Энергия•Напряженность поля•Электрический потенциал•Электронная плотность•Дипольный моментНевсегда•Двойная связь•Валентность•Электроотрицательность•Кислота•Ароматичность•НуклеофилОбласти физики и химииХимияДиапазонвременсДиапазонрасстояниймДиапазонэнергийэВ10–14 – 1013(27 порядков)10–11 – 10–1(10 порядков)10–3 – 10310–35 – 101810–18 – 1026Физика(>50 порядков) (>40 порядков)до 1010Типичные энергии разрыва химической связи:300 ÷ 900 кДж/моль или ~ 3 ÷ 9 эВХимияАналитическаяНеорганическаяОрганическаяФизическаяСтроениевеществаХимическаятермодинамикаХимическаякинетикаФизические методыв химииКалориметрияМасс-спектрометрияСпектроскопияДифракционныеметодыVisЯМРИКЭПРРФАУФМессбауэрРСАКРОжеФЭСЭлектронографияНейтронографияОсобенности химии как науки• Отсутствие собственных фундаментальных законов• Широкое использование эмпирическихзакономерностей• Многообразие объектов• Создание собственного предмета для изучения –большинство веществ не существует в природеОсновная практическая задача химии– создание веществ с полезнымисвойствамиМногообразие химических структур - 1Кавитанд, C36H32O8Коронен, C24H12КатенаныМногообразие химических структур - 2Кубан, C8H8Триангулан, C13H16FeФерроцен, (C5H5)2FeПропеллан, C5H6Многообразие химических структур - 3Синтетические проводники на основе краун-эфировМногообразие химических структур - 4Дендример азиридинофуллерен, содержащий 8азобензольных групп, способных к фотоизомеризацииOBuOBuOBuOBuNNNOBuNNNNNNOBuOBuNONOOONOBuNONONOONOOOONOOНаноавтомобиль на фуллереновых колесах(модель)Наноавтомобиль на фуллереновых колесах(синтез)Ключевые понятия•Атом•Молекула•Ион•Радикал•Химический элемент•Вещество•Химическая связь•Стехиометрия•Химическая реакцияМногоатомные частицыЧастица является радикалом, если имеетхотя бы один неспаренный электронМолекулаРадикалИонCH4CH3•, F•CH3+, CH4+, CH5+, SO42–, C60–Катион-радикалАнион-радикалNO, O2 - молекулы или радикалы?NO: спин S = ½,O2: спин S = 11 неспаренный электрон2 неспаренных электронаВеществоФизическое определение: вид материи,обладающей массой покоя.Химическое определение (в широком смысле):любая макроскопическая (~ 1015 частиц и более)совокупность атомов, молекул или ионов.Химическое определение (в узком смысле):сплошная масса, обладающая определеннымихарактеристиками.Характеристики вещества:•Состав•Строение•СвойствоКлассификация веществ•Индивидуальные (чистые)•Смеси•Неорганические•Органические•Комплексные (координационные)• Простые• Сложные (химические соединения)а) постоянного состава – CO2б) переменного состава – TiOxH2O(ж)=99,99999998%H+(aq) + OH(aq)0,00000002%H3O+, H5O2+, OH, H3O2, H5O3Гидроксоний-ион Гидроксид-ионСамая «правильная»форма существованияпротона в жидкой водепри обычных условиях:H9O4+Нестехиометричность(фазы переменного состава - 1)Состав оксида титана TiO может менятьсяв пределах:от TiO0.65 до TiO1.25Область гомогенности включаетстехиометрический состав(дальтониды)Оксида железа состава FeO не существует:от FeO0.89доFeO0.95Область гомогенности не включаетстехиометрический состав(бертоллиды)Нестехиометричность(фазы переменного состава - 2)Еще один пример: фаза купрата бария BaCuO2,cуществующая в системе Y-Ba-Cu-O: BaCuO2+δP(O2)Газовая фазаMOxТвердая фазаПростые веществаСостоят из атомов одного и того же элементаАллотропные модификации - различные формысуществования элементов в виде простых веществДвухатомный кислородОзонO2O3Белый фосфорКрасный фосфорФиолетовый фосфорP4Черный фосфорP6СераРомбическая сераЦепочечная сераS6S8S∞молекулярная решеткааморфныймоноклинная атомнаярешеткаромбоэдрическая атомнаярешеткамолекулярная решеткамолекулярная решеткаспиральная цепьАллотропные модификации углеродаАлмазГрафитНовая модификация углерода - фуллерены(открыты в 1984 г., получены в 1990 г.)Фуллерит С60Количество вещества1 моль = 6.02·1023 частиц = NA (число Авогадро)Y-любое экстенсивное свойствоYm-мольное свойствоn-число молейN-число частицm-масса молекулыg-масса веществаMr-относительная молекулярная массаM-молярная массаV-объемYn=YmM = N A ⋅ m = N A ⋅ M r ⋅1 а.е.м.

= M rgVN==Пример: n =M Vm N AХимические элементыИзотопы - разновидность атомов с определеннымзарядом ядра Z, но разной массы.Нуклид - ядро с атомным номером Z и массовымчислом A.Понятия:•Легкие и тяжелые элементы•Относительная атомная масса, массовое число•ИзотопыОбозначение:AZEПример:1 а.е.м. = 1.66×10−27 кгe=1.60×10−19Кл2612MgРаспространенность химическихэлементов во ВселеннойHe6,9%ост.0,1%He23%ост.2%H75%H93%Состав Вселенной (ат.%)Состав Вселенной (масс. %)Распространенность химическихэлементов на ЗемлеMg2%Na2%K2%H1%1%Ca1%остальные4%P1%остальные2%N5%Ca3%H9%Fe4%Al7%O49%C20%O61%Si26%Состав земной коры (мас.%)Состав организма (мас.

%)Краткая история ВселеннойВремяT, KСостояние10−45 - 10−37 сек1026Инфляционное расширение10−6 сек1013Возникновение кварков и электронов10−5 сек1012Образование протонов и нейтронов10−4 сек - 3 мин1011 - 109Возникновение ядер дейтерия, гелия илития400 тыс.

лет4000Образование атомов15 млн. лет300Продолжение расширения газовогооблака1 млрд. лет20Зарождение первых звезд и галактик3 млрд. лет10Образование тяжелых ядер при взрывахзвезд10 - 15 млрд. лет3Появление планет и разумной жизниПервичный нуклеосинтезВозраст Температура,KВселенной10−2с1с13.8 с35 мин7×105 летСостояние и состав вещества1011n, p, e−, e+, ν в тепловом равновесии; n иp в одинаковом количестве1010Нейтрино и антинейтрино отделяютсяот остальных частиц; e− и e+ начинаютаннигилировать; n : p = 1 : 33×109Начинается образование D и 4He;исчезают e− и e+; есть также свободныеnиp3×108Фиксируется количество D и 4He поотношению к числу p и e−; 4He/H ~ 22 28% (по массе)3×103Образуются устойчивые нейтральныеатомы.

Вселенная прозрачна дляизлучения. Вещество начинаетдоминировать над излучениемЗвездный нуклеосинтез - 1. Синтез гелия.Температура < 20×106 K,водородный цикл синтеза гелия:p + p → D + e+ + νeD + p → 3He + γ3He + p ||→ 4Li + γ3He + p ||→ 4He + e+ + νe3He + 3He → 4He + 2p3He + 4He → 7Be + γ7Be + e– → 7Li + νe7Li + p → 8Be* → 2 4HeCуммарный процесс: 4p + e− → 4He + e+ + 2ννe + 2γγ +26.7 МэВЗвездный нуклеосинтез - 2.Каталитический синтез гелия.Температура (5-10)×106 K,Углеродный цикл синтеза гелия:+ p → 13N + γ13N → 13C + e+ + νe13C + p → 14N + γ14N + p → 15O + γ15O → 15N + e+ + νe15N + p → 12C + 4He12CСуммарный процесс:4p → 4He + 2e+ + 2ννe + 3γγ +26.8 МэВЗвездный нуклеосинтез.3.

Синтез тяжелых элементов (до Fe).Температура > 108 K «горение» He:+ 4He → 8Be*8Be* + 4He → 12C*12C + 4He → 16O + γТемпература > 5×108 K «горение» C, O:4He+ 12C → 20Ne + 4He12C + 12C → 23Na + p12C + 12C → 23Mg + n12C + 12C → 24Mg + γ12C + 16O → 24Mg + 4He16O + 16O → 28Si + 4He16O + 16O → 31P + p12CT > 3×109 Kфоторасщепление ядер:28Si + γ → 24Mg + 4He28Si + 4He → 32S + γПериодическая система11H1s13Li2s111Na3s119K4s137Rb5s155Cs6s187Fr7s124Be2s212Mg3s220Ca4s238Sr5s256Ba6s288Ra7s2s-блок321Sc3d14s239Y4d15s257La5d16s289Ac6d17s2422Ti3d24s240Zr4d25s272Hf5d26s2523V3d34s241Nb4d44s173Ta5d36s2624Cr3d54s142Mo4d55s174W5d46s27825Mn3d54s243Tc4d55s275Re5d56s226Fe3d64s244Ru4d75s176Os5d66s291011272829CoNiCu3d74s2 3d84s2 3d104s1454647RhPdAg4d84s1 4d105s0 4d105s1777879IrPtAu5d76s2 5d96s1 5d106s1d-блок12131415161730Zn3d104s248Cd4d105s280Hg5d106s25B2s22p113Al3s23p131Ga4s24p149In5s25p181Tl6s26p16C2s22p214Si3s23p232Ge4s24p250Sn5s25p282Pb6s26p27N2s22p315P3s23p333As4s24p351Sb5s25p383Bi6s26p38O2s22p416S3s23p434Se4s24p452Te5s25p484Po6s26p49F2s22p517Cl3s23p535Br4s24p553I5s25p585At6s26p5182He1s210Ne2s22p618Ar3s23p636Kr4s24p654Xe5s25p686Rn6s26p6p-блок5859606162636465666768697071CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu4f15d16s2 4f35d06s2 4f45d06s2 4f55d06s2 4f65d06s2 4f75d06s2 4f75d16s2 4f95d06s2 4f105d06s2 4f115d06s2 4f125d06s2 4f135d06s2 4f145d06s2 4f05d16s290919293949596979899100101102103ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr5f06d27s2 5f26d17s2 5f36d17s2 5f46d17s2 5f66d07s2 5f76d07s2 5f76d17s2 5f96d07s2 5f106d07s2 5f116d07s2 5f126d07s2 5f136d07s2 5f146d07s2 5f146d17s2f-блокКлассификация элементов:металлы и неметаллы• металл + неметалл = нелетучееионное соединение:2Na + Cl2 = 2NaClCaF2, Al2O3• неметалл + неметалл = летучеемолекулярное соединение:2P + 3Cl2 = 2PCl3CO2, SO3• металл + металл = сплавAgxSryAg2Sr3, AgSr,Ag5Sr3, Ag4SrХарактеристики размероватомных частиц в веществах••••Ковалентный радиусМеталлический радиусИонный радиусРадиус Ван-дер-ВаальсаВажнейшие энергетические свойства атомов• Энергия ионизации (IE, I)• Сродство к электрону (EA, A)Электроотрицательностьпо Малликену:I1 + A1χM =2Химический язык•Химические формулыа) молекулярные – С6H6б) эмпирические (брутто) – CHв) структурные –•Названия веществ•Уравнения и схемы реакцийХимические формулы соединенияГлавная цель: однозначность и наглядностьЭмпирическая: C7H14O2Сокращенные обозначениянекоторых химических групп:Структурная:H3CГруппа Формула СимволC OOOCH2H3CCOCH3CH3ПолнаяМетилCH3−MeЭтилC2H5−EtПропилC3H7−PrБутилC4H9−BuФенилC6H5−PhСокращеннаяПримеры структурных формул -1C7H14O2OИзоамилацетатOДва сложных эфира одинаковогохимического состава, но с разнымспособом связывания атомовOOЭтиловый эфир2-метилбутановойкислотыПримеры структурных формул -2OONHOHSOHC3H6O3МолочнаякислотаOOC7H5O3NSСахарин(имид 2-сульфобензойной кислоты)Примеры структурных формул -3OHCH3CH(CH3)21МентолOHH3COHC10H20OМентол(3-n-ментанол)УпрощеннаяформулаCH(CH3)22ИзоментолДва из четырех изомеров(конформеров)Примеры структурных формул -4OHHOOCCH2COHCH2COOHCOOHЛимонная кислота(2-Гидроксипропан-1,2,3трикарбоновая кислота)H2CCH2SNВ случае длинныхноменклатурных названийпредпочитаютиспользовать тривиальныеCH3CH2H2NNNCH32-[3-[(4-амино-2-метил-пиримидин-5-ил)метил]-4-метил-1тиа-3-азониациклопента-2,4-диен-5-ил]этанолПримеры структурных формул -5Трехмерные структуры – линии разной толщиныи клиновидные связиNH2NNOHONONHOHOOHOHOHOHOHD-β-ФруктофуранозаАденозинHHHHАммоний-ионНазвания классов по форме молекулы - 1Названия классов по форме молекулы - 2Названия классов по форме молекулы - 3Названия классов по форме молекулы - 4Химическая связь•••••Ковалентная (неполярная и полярная)Донорно-акцепторная (координационная)МеталлическаяИоннаяВодороднаяСтепень окисления элемента в соединенииN20H2SO4+1+6MnO4− (перманганат-ион)+7−2N3− (азид-ион)−1/3Необычные состояния окисления:XePtF6[O2]+[PtF6]−−2Химические реакцииУравнение реакцииν1A1 + ν 2 A 2 + K + ν n A n = ν1′ A1′ + ν′2 A′2 + K + ν′m A′mИсходные реагентыПродуктыГорение пентана в кислороде:C5H12(г.) + 8O2(г.) → 5CO2(г.) + 6H2O(ж.)Образование бромистого водорода HBr:H2(г.) + Br2(г.) → 2HBr(г.)Механизм реакции на примеребромирования водорода(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)Br2 → 2BrBr + H2 → HBr + HH + Br2 → HBr + BrBr2 + H2 → 2HBrH + Br → HBrH2 → 2H2Br → Br22H → H2HBr + Br → H + Br2HBr + H → Br + H2HBr → H + BrХимическая переменная:0<ξ<1Изменениечисел молейвеществаdnidξ =νiСтехиометрическийкоэффициентν1A1 + ν 2 A 2 + K + ν n A n = ν1′A1′ + ν′2 A′2 + K + ν′m A′mЧто считается химической реакцией?Процесс растворения:SO3(г.) + H2O(ж.) → H2SO4(aq)ДАH2SO4(ж.)→ 2H+(aq) + SO42−(aq)НЕТФазовый переход:Р(красный) → Р4(пар) → Р4(белый)ДАα-Sn →НЕТβ-SnСтруктура модификаций оловаСерое олово (α-Sn)Белое олово (β-Sn)Литература1.

Н.С. Ахметов. Неорганическая химия. «Высшаяшкола», 1975.2. Н.Л. Глинка. Общая химия. «Химия», 1982.3. Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремин, В.А.Попков. Началахимии. «Экзамен», 2005.4. К. Хаускрофт, Э. Констебл. Современный курсобщей химии. «Мир», Т. 1-2. 2002.5.

Д. Шрайвер, П. Эткинс. Неорганическая химия.«Мир», Т. 1-2. 2004.6. Ф. Коттон, Дж. Уилкинсон. Современнаянеорганическая химия. Ч. 1-3. «Мир», 1969..