Статья: Неорганическая химия

1.  Стехиометрическиезаконы. Закон кратных отношений. Закон постоянства состава

Стехиометрия — разделхимии, в котором рассматриваются массовые или объемные соотношения междуреагирующими веществами. Исключительное значение для развития химии имелоустановление основных стехиометрических законов.

Закон кратных отношений(Д. Дальтон): Если два элемента образуют междусобой несколько молекулярных соединений, то масса одного элемента, приходящаясяна одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

При взаимодействииазота с кислородом образуются пять оксидов. На 1 грамм азота в образующихсямолекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грамм кислорода, чтосоответствует отношением 2:1, 1:1, 2:3, 1:2, 2:5 в этих оксидах; их составы N2O,NO, N2O3, NO2, N2O5. Законпостоянства состава вещества (Ж. Л. Пруст, 1808 г.).Каждое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеетпостоянный качественный и количественный состав. Атомно-молекулярное учениепозволяет объяснить закон постоянства состава. Например, воду можно получить полюбой из следующих реакций:

2Н2+О2=2Н2О

Са(ОН)2=СаО+Н2О

CuSO4•5Н2О=CuSO4+5Н2О

Химически чистая водасодержит 11,19% водорода и 88,81% кислорода, независимо от способа ееполучения, то есть на один атом кислорода приходится два атома водорода. Инойсостав свидетельствует либо о наличии примесей, либо о том, что это другоевещество (например, Н2О2). Ж. Пруст писал: «От одного полюса Земли до другогосоединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нетмежду оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имееттот же состав, как и малахит из Испании».В этой формулировке закона, как и вприведенном выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо отспособа получения и места нахождения.

2. Строение внешнегоэлектронного уровня атома калия и кальция. 1 правило Клечковского. Строениевнешнего электронного уровня атома скандия. 2правило Клечковского

У атома аргона остаютсянезанятыми все орбитали 3d-подуровня. Однако уследующих за аргоном элементов – калия и кальция – заполнение 3-го электронногослоя временно прекращается, и начинает формироваться s-подуровень 4-го слоя.Такой порядок заполнения вытекает из первого.Первое и второе правила Клечковского часто не разделяют, а считаютодним совместным правилом правила Клечковского:при увеличении заряда ядра атомов заполнение энергетических уровнейпроисходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного *и орбитального * квантовых чисел (n+l) к орбиталям с большим значением этой суммы.Следовательно, 4s-подуровень (n+l=4) должен заполняться раньше,чем 3d (n+l=5). Для атома скандия возникает вопрос:какой из подуровней должен заполняться – 3d или 4p, т.к. сумма n+l для них одинакова и равна 5. В подобных случаяхпорядок заполнения определяется вторым. Первое и второе правила Клечковского часто не разделяют, а считаютодним совместным правилом правилом Клечковского,согласно которому при одинаковых значениях суммы (n+l)орбитали заполняются в порядке возрастания главногоквантового числа n. Заполнение 3d-подуровняпроисходит у десяти элементов от Sc до Zn. Это атомы d-элементов. Затем начинается формирование4p-подуровня (p-элементы от Ga до Kr).Как и атомы предшествующих благородных газов – неона и аргона – атом криптонахарактеризуется структурой внешнего электронного слоя ns2np6.

3. Скорость химическихреакций. Факторы, влияющие на скорость. Влияние катализаторов на скоростьпротекания реакции

Скорость химическойреакцииопределяется как изменение молярной концентрации одного из реагирующих веществза единицу времени. Скорость химической реакции — величина всегдаположительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрациякоторого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.

Например для реакции:

A + B → C + D

/>.

В 1865 году Н. Н.Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующихмасс: скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональнаконцентрациям реагентов, возведенным в некоторые степени.

Для элементарныхреакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества равен егостехиометрическому коэффициенту, для более сложных реакций это правило несоблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказываютвлияние следующие факторы:

· природареагирующих веществ,

· наличиекатализатора,

· температура(правило Вант-Гоффа),

· площадьповерхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотримсамую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновеннаяскорость химической реакции величина непостоянная.

Зависимость скоростихимической реакции от катализаторов. Катализ – явление измененияскорости химической реакции в присутствии веществ, состояние и количествокоторых после реакции остаются неизменными.

Различают положительныйи отрицательный катализ (соответственно увеличение и уменьшение скоростиреакции); отрицательный катализ называют ингибированием, а вещества,уменьшающие скорость химической реакции, – ингибиторами.

4. Вода какрастворитель. Свойства воды

Как известно, жизньзародилась в воде и по-прежнему остается тесно связанной с водой. Поэтомуфизико-химические свойства воды имеют фундаментальное значение для процессовжизнедеятельности.

Вода и метан

Уникальные свойства водыH2O становятся очевидными при сравнении с метаном (CH4).Обе молекулы одинаковы по массе и размерам. Тем не менее температура кипения водына 250оС выше по сравнению с температурой кипения метана. Врезультате вода на поверхности Земли находится в жидком, а метан — вгазообразном состоянии. Высокая точка кипения воды является следствием высокой теплоемкостииспарения, что в свою очередь обусловлено неравномерным распределением электроннойплотности в молекуле воды. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в центрекоторого расположен атом кислорода. Две вершины тетраэдра заняты свободнымиэлектронными парами атома кислорода (зеленого цвета), а остальные две — атомамиводорода. Поэтому связи H—О—H расположены под углом друг к другу. Кроме того,из-за высокой электроотрицательности атома кислорода связь О—H полярна (см. с. 14).Атомы водорода несут частичный положительный заряд около +0,4, а атом кислорода— частичный отрицательный заряд около -0,6, т. е, молекула воды представляетсобой электрический диполь. Поэтому каждая молекула воды, подобно маленькомумагниту, притягивает к себе за счет образования водородных мостиков (Б) ещечетыре молекулы. При испарении воды разрушение зтих многочисленных водородныхсвязей требует больших затрат энергии. Молекулы метана неполярны, не являютсядиполями и относительно слабо взаимодействуют друг с другом. Вследствие этогожидкий метан испаряется при очень низких температурах.

Структура воды ильда

Биполярное строение молекулводы благоприятствует образованиюводородных связей.При этомкаждая молекула проявляет свойства как донора, так и акцептора водорода.Поэтому у воды в жидком состоянии многие молекулы связаны между собойводородными «мостиками» (связями). причем образующиеся ассоциаты находятся вдинамическом равновесии. Часто образуются тетраэдрические структуры, такназываемые «кластеры» воды. При понижении температуры доля кластероввозрастает вплоть до начала кристаллизации. При нормальном атмосферном давлениивода кристаллизуется при 0oC. при этом большинство молекул водыоказываются встроенными в гексагональную решетку. Поскольку в твердомсостоянии расстояние между молекулами в среднем больше, чем в жидкости,плотность льда меньше по сравнению с плотностью воды. Это свойство воды оченьважно в экологическом отношении хотя бы потому, что зимой на поверхностиводоемов образуется слой льда и они редко промерзают до дна.

Гидратация

В отличие отбольшинства других жидкостей вода является идеальнымрастворителем длядиссоциирующих веществ.В электрическом поле того или иного иона молекулыводы образуют регулярные структуры в соответствии с зарядом иона. Эта гидратнаяоболочка экранирует ион от ионов противоположного заряда. Вода имеет высокуюконстанту диэлектрической проницаемости (78), т.е. в воде электростатическоепритяжение двух противоположно заряженных ионов снижается примерно в 80 раз(1/78). Молекулы воды, находящиеся во внутренней сфере непосредственно около иона,практически иммобилизованы (привязаны к этому иону) и перемещаются вместе сцентральным ионом. Хорошо растворимы в воде и нейтральные соединения снесколькими гидроксильными группами, такие, как глицерин или сахара, посколькуони способны образовывать водородные связи с молекулами растворителя.

5.Возникновение тока в гальваническом элементе. Электродвижущая сила.Преимущества и недостатки гальванических элементов

Два металла,погруженные в растворы их солей, соединенные между собой электролитическимключом, образуют гальваническийэлемент.

Возникновениеэлектрического тока гальваническом элементе обусловлено разностью электродныхпотенциалов взятых металлов и сопровождается глубокими химическимипревращениями, протекающими на электродах. Покажем это на примере работы медно- цинкового элемента.

На цинковомэлектроде, опущенном в раствор сульфата цинка, происходит окисление атомовцинка в ионы (растворение цинка):

Zn — 2e = Zn2+

электроны приэтом поступают во внешнюю цепь. На медном электроде, погруженном в растворсульфата меди, происходит восстановление ионов металла в атомы:

Cu2+ + 2e = Cu

Одновременночасть ионов SO42- переходит через “электролитическиймостик” в сосуд с раствором сульфата цинка,

Суммарноеуравнение процесса получим:

Zn — 2e = Zn2+ анодный процесс

Cu2+ + 2e = Cuкатодный процесс

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu суммарный процесс

Электрод, накотором протекает процесс окисления, называется анодом (в нашем случаецинковый), а электрод, на котором протекает процесс восстановления -катодом(медный). Гальванический элемент можно записать в виде краткойэлектрохимической схемы:

(-) Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu (+)в ионном виде или

(-) Zn / ZnSO4//CuSO4 / Cu (+) в молекулярном

Обычно анодзаписывается слева, а катод — справа.

Необходимымусловием работы гальванического элемента возникновение разности потенциалов наего электродах.

Привычислении напряжения гальванического элемента принято потенциал с меньшейалгебраической величиной вычитать из потенциала с большей алгебраическойвеличиной; другими словами, из потенциала положительного полюса (катода)вычитать потенциал отрицательного (анода)

x= jo<sup/>катод— joанод

Напряжениемедно — цинкового гальванического элемента определяется

x = j o Cu /Cu2+ — jo Zn/Zn2+<sub/>= (+0,34) — ( — 0,76 ) = +1,10 в

Положительныйзнак напряжения определяет направление самопроизвольного протекания реакциислева направо. Как известно, движущей силой химической реакции является убыльэнергии Гиббса. Для реакций, осуществляемых в условиях гальваническогоэлемента, работа, производимая системой, равна работе электрического тока:

A = IUt = QU

где I — ток вцепи;

U — падениенапряжения;

t — время;

Q- количествоэлектричества

В случае,если реакция протекает обратимо в равновесных условиях, U = E (напряжениеэлемента равно напряжению на электродах при токе равном нулю) и работа будетмаксимальная:

Amax= QE

Для одногомоля вещества, вступающего в реакцию, Q = nF, где n — число электронов,принимаемых или отдаваемых веществом; F = 96500 Кл/моль, число Фарадея, этоколичество электричества, необходимое для выделения 1 моль вещества. С учетомэтого можно записать:

DG =Amax = nF x

В стандартныхусловиях:

DG = — nF x .

Взаимосвязьмежду напряжением гальванического элемента и значением DG дает возможностьнепосредственно определить величину DG.

Для медно — цинкового элемента

Amax= -DG298o + 2*96500*1,1 = 212300 Дж = 212,3 кДж

Это значениеDG совпадает с измеренной стандартной энтальпией для этой реакции, равной-212,3 кДж. Большое влияние на величину электродного потенциала оказываетконцентрация катионов, одноименных с металлом электрода. Электродный потенциалс учетом этого влияния вычисляется по формуле Нернста:

j= j<sup/>o+( RT/nF) lnC

где j0 — нормальный потенциал металла, В;

n — еговалентность (ряд иона металла);

C — концентрация катионов этого же металла в моль /л;

Длягазообразных веществ под знаком логарифма вместо Ci входятпарциальные давления соответствующих веществ. Учитывая, что обычногальванические элементы работают при стандартных условиях, уравнение Нернстаможно записать:

j = jo + (0,059/n )lg C

Электродвижущая сила(ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных)сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящемконтуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного зарядавдоль контура.

ЭДС можно выразитьчерез напряжённость электрического поля сторонних сил (Eex).В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна:

/>,

где dl — элементдлины контура.

ЭДС, так же как и напряжение,измеряется в вольтах.

Гальванические элементыкак источники электрической энергии обладают существенными преимуществами: онимогут быть различных размеров и форм, не имеют макроскопически подвижных,подверженных износу частей, относительно легки и автономны, мало чувствительнык вибрации и колебаниям температуры, работают бесшумно, хорошо регулируются. ИхКПД довольно высок (до 90%), так как превращение химической энергии вэлектрическую совершается в них без промежуточной тепловой стадии, аэлектродные процессы в некоторых случаях близки к обратимым.

Существеннымнедостатком гальванических элементов является саморазряд — расходование имиэлектрохимически активных веществ при отсутствии внешнего тока. Причиной этогоможет быть- например, растворение металла электродов вследствие образования taxназываемых локальных элементов, или протекание процесса, генерирующего ток,«непосредственным химическим» путем, или же недостаточная изолирующаяспособность диэлектрических деталей элемента. Саморазряд уменьшает срок службыэлемента, последний со временем становится непригодным, даже если он вообще неиспользовался для получения энергии.

6. Процесспроизводства аминокислот

Аминокислоты (аминокарбоновые кислоты) —органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильныеи аминные группы.

Аминокислоты могутрассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколькоатомов водорода заменены на аминные группы.

1. Аминокислотымогут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулахкарбоксильной группы -COOH, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой-NH2. Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладаютсвойствами буферных растворов.

Цвиттер-иономназывают молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде -NH3+,а карбоксигруппа — в виде -COO-. Такая молекула обладаетзначительным дипольным моментом при нулевом суммарном заряде. Именно из такихмолекул построены кристаллы большинства аминокислот.

Некоторыеаминокислоты имеют несколько аминогрупп и карбоксильных групп. Для этихаминокислот трудно говорить о каком-то конкретном цвиттер-ионе.

2. Важнойособенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, приводящейк образованию полиамидов, в том числе пептидов, белков и нейлона-66.

3. Изоэлектрическойточкой аминокислоты называют значение pH, при котором максимальная доля молекуламинокислоты обладает нулевым зарядом. При таком pH аминокислота наименееподвижна в электрическом поле, и данное свойство можно использовать дляразделения аминокислот, а также белков и пептидов.

4.Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для карбоновыхкислот и аминов.

Получение

/>. получают галогенированием карбоновых к-т или эфиров в/>-положение с послед. заменой галогена нааминогруппу при обработке амином, аммиаком или фталимидом калия (по Габриелю).

По Штреккеру- Зелинскому/>.получают из альдегидов:

Этот методпозволяет также получать нитрилы и амиды соответствующих/>.

В этой р-циивместо альдегидов м. б. использованы кетоны, а вместо диалкилфосфитов — диалкилтиофосфиты,кислые эфиры алкил(арил)фосфонистых к-т RP(OH)OR и диарилфосфиноксиды Аr2НРО.Таким путем получен широкий набор комплексонов.

Альдегиды и кетоныили их более активные производные — кетзли служат исходными соед. для синтеза/>А. с увеличением числа углеродных атомов на двеединицы.

Удобные предшественники/>.-аминомалоновый эфир и нитроуксусный эфир. К их/>углеродным атомам можно предварительно ввестижелаемые радикалы методами алкилирования или конденсации./>Кетокислоты превращ. в/>. гидрированием в присут. NH3 или гидрированиемих оксимов или гидразонов.

Нек-рые L/>А. ввиду сложности синтеза и разделения оптич. изомеровполучают микробиол. способом (лизин, триптофан, треонин) или выделяют изгидролизатов прир. белковых продуктов (пролин, цистин, аргинин, гистидин).

/>Аминосульфоновые к-ты получают при обработке аммиаком продуктовприсоединения NaHSO3 к альдегидам:

/>. синтезируют присоединением NH3 или аминов к/>ненасыщенным к-там, а также по методу Родионова — конденсациейальдегидов с малоновой к-той в присут. NH3:

/>. получают гидролизом соответствующих лактамов (напр.,/>капролактама), к-рые образуются в результате перегруппировкиБекмана из оксимов циклич. кетонов под действием H2SO4./>Аминоэнантовую,/>аминопеларгоновую и/>аминоундекановую к-ты синтезируют из/>тетрахлоралканов путем их гидролиза конц. H2SO4до/>хлоралкановых к-т с послед. аммонолизом:

Литература

1. Гринштейн Дж.,Виниц М., Химия аминокислот и пептидов, пер. с англ., [М.], 1965

2. Общаяи неорганическая химия. Т.1. Теоретические основы химии:Учебник для вузов в 2 томах. Под ред. А.Ф. Воробьева. – М.: ИКЦ«Академкнига», 2004. – 371 с.: ил.

3. ЦивадзеА.Ю., Воробьев А.Ф., Савинкина Е.В. и др. Неорганическая химия. 1 и 2 часть. — М., «Наука», 2004.

4. http://www.xumuk.ru/