9STFU6

Хеллоу, вдохновленный замечательной книгой ""Неожиданные" неорганические соединения" из моего любимого сборника "Вопросы современной химии", спешу вам рассказать про соединения, природа которых значительно отличается от природы веществ, которые мы обычно видим вокруг себя.
И начнем мы с так называемых соединений внедрения, вспомним, что из себя представляет металлическая кристаллическая решетка: плотная компановка атомов и ионов металлов, с "металлическими" (общими) электронами.
Так вот, поскольку атомы имеют грубо говоря шарообразную форму, какая бы плотная компановка не была, всегда остаются пустоты (в разных кр. решетках разное кол-во и размер пустот). И как вы могли догадаться, в эти пустоты могут внедряться другие атомы или молекулы, образуя соединения внедрения.
Может показаться, что это явление не химическая реакция, а просто растворение, например, водорода в палладии. Но если обратиться к критериям химического взаимодействия, а конкретно к энергетическому, данная реакция сопровождается выделением достаточно большого количества теплоты, чтобы можно было говорить об образовании химических связей.

Так вот, интересным свойством реакции между палладием и водородом является, во-первых, значительное уменьшение плотности металла, во-вторых, сохранение металлических свойств, в отличие от гидридов щелочных и щелочноземельных металлов, в-третьих, полное восстановление свойств и формы после удаления водорода, в-четвертых, водород в гидриде палладия находится в атомарной форме, что позволяет использовать металлы вроде палладия и платины в качестве катализаторов гидрирования.
Также интересно, что в одном объеме палладия может раствориться до 400 объемов водорода, это может сделать этот металл своеобразным контейнером для транспортировки водорода.

На самом деле, соединения внедрения встречаются нам чаще, чем мы думаем, принцип обработки стали основан на превращениях, связанных с внедренным в структуру железа углеродом. Железо при нагревании до большой температуры переходит из альфа состояния в гамма, и углерод, сплавленный с железом, располагается равномерно по кристаллической решетке. Если сталь охлаждать медленно, углерод успеет связаться в кристаллы карбида железа, или цементита, и сталь станет мягкой, если же гамма железо охладить быстро, углерод останется в решетке, и атомы железа плотнее сожмутся вокруг него, что повысит твердость и прочность стали, это и называется закалкой.

Но внедряться можно не только между атомами, но и между слоями например графита или нитрида бора, такие соединения внедрения тоже были получены, их перспективным применением могут стать очень эффективные литиевые аккумуляторы. Всё это из-за того что литий в соединении внедрения с графитом имеет большую плотность, чем в металлическом состоянии, что позволяет увеличить ёмкость батарей и их эффективность в том числе и из-за хороших электропроводных свойств графита.

Словосочетание физическая химия повергает в ужас не только гуманитариев, многие из тех кто не лишен дара голоса способностей в технических предметах беспричинно опасается этого раздела химии, хотя в нем нет ничего страшного, кроме кинетики конечно же)

Раз уж начали про кинетику, вспомним, что физическая химия делится на несколько разделов:

Квантовая химия

Химическая термодинамика

Химическая кинетика

Коллоидная химия

и еще что-то

Про квантовую химию мы уже поговорили, там делать больше нечего, переходим к термодинамике, чтобы не присесть на бутылку запутаться в терминах, обговорим их все здесь. Энтальпия- энергетическая характеристика системы, энтропия- степень беспорядка (хаос), энергия Гиббса- связь энтальпии, энтропии и температуры в одном уравнении.

ВСЁ

Теперь к делу, поговорим об основах мироздания. Из этих принципов исходит всё, что случается в природе. Во-первых, всё стремится к наименьшей энергии, не будете же вы читать это стоя, если имеете возможность лечь, вот и я о том же, природа ленива, как и мы впрочем (или наоборот). Во-вторых, всё стремится к беспорядку, тут и примеров не нужно. На этом принципы закончились, теперь перенесем это на химию.

Если энергия должна уменьшаться, а беспорядок увеличиваться, следовательно энтальпия должна убывать, а энтропия возрастать. Но так происходит не всегда, возьмем ваш чайник, вода, испаряясь, увеличивает беспорядок, увеличивается количество газа, но при этом поглощается тепло, даже не смотря на это, такой процесс идет и при комнатной температуре, только медленней, следовательно, для протекания реакции (в термодинамике переход между агрегатным состояниями тоже реакция)

необходимо лишь одно из условий, либо возрастание энтропии, либо уменьшение энтальпии. Фух

Эта херь, которую я вам поведал, работает преимущественно с простыми реакциями, или, как говорят химики, с элементарными. Суть в том, что большинство превращений происходят в несколько стадий, наглядным примером послужит реакция хлорирования метана.

Как видим, это реакция идет в несколько стадий, и кроме термодинамических правил на сложные реакции воздействуют еще и кинетические факторы и прочая херобобина.

Так вот, зачем же тогда мы это всё обсуждаем, самое интересное в этой теории - возможность посчитать тепловой эффект конкретной реакции, то есть количество теплоты, которое выделяется в результате реакции. Для этого обычно пользуются следствием из закона Гесса, который заключается в простом принципе, тепловой эффект реакции превращения А в В равен сумме тепловых эффектов превращения А в С и С в В. И, учитывая, что стандартная энтальпия образования (теплота образования вещества из простых веществ) велечина, которую можно легко измерить, мы получаем возможность предсказывать ход реакции в конкретных условиях, пользуясь разными интересными уранениями, типа изотермы Вант-Гоффа или множеством следствий из закона Гесса.

Хо хо хо, да это же кинетика, как мы её все ненавидим уважаем. Действительно очень неприятная мадам, начнем с ключевых понятий.

Скорость реакции - изменение концентрации реагента к времени прошедшему с начала реакции.

Закон действующих масс, если очень коротко, скорость реакции равна константе скорости реакции на исходные концентрации реагентов в определенных степенях. Максимально непонятно, но более емкой формулировки я не знаю, боюсь никто не знает.

Порядок реакции - тангенс (какой нахер в химии тангенс) угла наклона графика зависимости логарифма(чё?) относительной скорости реакции (1/время) от логарифма концентрации.

Про порядок реакции можно говорить долго, но эта тема слишком узка и непрактична. Лучше поговорим о равновесии, эта та штука, с помощью которой можно производить кучу всякого стафа. Я говорю о реакции получения аммиака из азота и водорода, реакции о которой слагают легенды в химическом обществе, суть проблемы в том что энтропия этой реакции отрицательна и она обратима(то есть аммиак может разлагаться до азота и водорода , следовательно в обычных условиях она идет сложно, и на производствах давно решили эту проблему, сейчас мы разберемся как.

Принцип Ле-Шателье, система стремится минимизировать воздействия внешних сил, если в результате реакции количество газообразных продуктов увеличивается, то увеличение давления в системе приведет к смешению равновесия в сторону с меньшим количеством газообразных продуктов, так же и с температурой. В реакции получения аммиака количество газов уменьшается вдвое, следовательно реакцию нужно проводить под пониженным давлением, и. так как теплота в ходе реакции выделяется, нужно понижать температуру.

Еще, зная законы кинетики, а именно уравнение константы равновесия ( зависимости скорости прямой реакции к скорости обратной), мы узнаем, что если уменьшать количество продукта в системе, тое сть удалять аммиак из реактора, мы будем смещать равновесие в сторону аммиака. Ну всё с серьезным разобрались, можно и повеселится, наверняка вы вдыхали гелий и говорили с высоким голосом, так вот, есть аналог этого метода, но с противоположным эффектом, вещество кот орое нужно вдохнуть, чтобы говорить басом, называется гексафторид серы SF6, его термодинамические характеристики говорят о том, что оно должно бурно реагировать с водой, как и другие фториды серы или гексафторид теллура, но тогда его совершенно нельзя было бы вдыхать, в чем же дело. Термодинамика это конечно хорошо, но кинетика здесь была против, атомы фтора в этой молекулы окружают серу правильным октаэдром и не дают воде добраться до серы, вот что еще изучает кинетика.

Коллоидная химия будет полегче, скоро напишу)

Вы никогда не задумывались почему при окислении перманганатом в кислой среде получается именно Mn2+, почему хлор может диспропорционировать в воде, как вообще предсказать поведение вещества в конкретной реакции. Это конечно же может объяснить термодинамика, энергия Гиббса, и некоторые законы кинетики, однако намного более практичным будет способ, о котором мы сегодня поговорим.

Начнем с того, что такое потенциал, и отчего он возникает.

Исходя из знаний русского языка потенциал- это возможность взаимодействия. Что же может взаимодействовать, вещества скажете вы, но не все так просто, речь идет о физичеком взаимодействии, а именно об электростатическом. Представим медную пластинку в стакане с водой, часть атомов меди ионизируются и переходят в раствор, этому способствует, с точки зрения термодинамики, увеличение энтропии ионов(беспорядка). Следовательно в растворе оказывается избыток меди+ и частичный положительный заряд, а в металле избыток электронов, то есть частичный положительный заряд, правда есть одна проблема, его невозможно измерить.

Однако, если не пропускали физику в школе, вы наверное помните, что такое разность потенциалов, да да, это напряжение на электродах гальванического элемента, так собственно измеряют электрохимический потенциал определенной пары, например Mn2+/ MnO4-, за 0 значение принят потенциал пары 2H+/H2, но водородный элемент очень громоздкий и дорогой, поэтому используют хлорсеребряный элемент, электрохимическим потенциалом 0.23.

Так что же нам делать с этой информацией, огромное количество значений не создают цельной картины, и врядли смогут чем то помочь химикам. Поэтому создано несколько способов наглядно представить эту информацию:

Электрохимические пары

Ряды Латимера

Диаграммы Фроста

О последних, ввиду их наибольшей интересности и поговорим.

Перед вами диаграмма Фроста для марганца, как вы видите это график зависимости относительного электрохимического потенциала и степени оксисления элемента.

Что же с помощью него можно сделать, например узнать самую стабильную форму элемента, у марганца в кислой среде это Mn2+, а в щелочной Mn2O3, если вы заметили, они оба расположены ниже всех других форм, эти продукты и получаются при окислительно-восстановительных взаимодействиях. 

Также можно заметить, что точки располагаются совсем не на одной прямой, такое расположение позволяет предсказать некоторые возможные реакции, например если мы проведем линию через Mn02 и Mn04-, то заметим, что Mn04 2- это означает, что эта форма марганца склонна к диспропорционированию, т.е MnO4 2- может распасться на MnO4- и MnO2, данное превращение происходит и на практике, марганцоватая кислота распадается до марганцовой и оксида марганца 4. Так же и с случаями когда форма оказывается под линией, соединяющей соседние. Ярким примером является йод, а именно реакция копропорционирования йодида и йодата до йода, такое превращение можно легко предсказать по диаграмме.

Также с помощью диаграмм Фроста можно сравнивать окислительтные и восстановительные способности соединений разных элементов в одной степени окисления, например серы и селена, определять степени окисления элемента, например в смешанных халькогенидах, например соединения серы и теллура. Эти знания мы и сами того не подозревая использовали, когда смотрели на положение металла относительно водорода в электрохимическом ряду напряжений, чтобы узнать, вытесняет ли он водород из кислоты.

Теория об окислительно-восстановительных потенциалах, позволяет лучше понять, как происходят те или иные превращения, так мы можем заглянуть внутрь механизма, который доселе был нам не очевиден.

Автор немного переборщил с серьезностью, не бейте пж)

Что-то  я по жести пошёл, следующие посты будут по физхе, раскажу про энтальпию, энтропию, всё-таки легкую химию учим.

В этой части мы поговорим о фотохимии.

Начнем с того, зачем оно вообще нужно, как бы это смешно не звучало, но белым простыням, майкам и зубам мы обязаны отчасти флуоресценции (отчасти гигиене), ткань пропитывают специальным веществом, маскирующим естественный желтоватый цвет ткани. Или вот еще пример, я уверен, что вы или ваши знакомые когда-нибудь пытались сидеть на диете, или вы просто замечали с какой точностью на продуктах питания пишут их энергетическую ценность, так вот, некоторые методы хим анализа позволяющие проводить подобные измерения основаны как раз на фосфоресценции и фолуоресценции, если коротко, льешь одно в другое, ждешь пока засветится индикатором окончания реакции является появление или исчесзновение флуоресценции в свете УФ лампы.
Хорошо, теперь непонятно почему одни вещества светятся, а другие нет, так вот, вы хотите на море? Что, удивил мой вопрос, сейчас я расскажу вам о колебательной релаксации.
Если посветить скажем на маленький кусочек камня в вакууме с расстояния 150 млн км лампочкой мощностю 4000 йотаватт (4×1026 Вт), то шарик просто нагреется, он полностью свободен для колебаний, его ничего не держит, так и большинство ядер атомов веществ, окружающих нас. Однако если ядро прочно зафиксировать, оно сможет испускать лишнюю энергию в виде света (электроны будут перескакивать очень быстро и выделять всю энергию сразу в виде фотонов (очень упрощенная модель).
А в особых случаях электроны на пути к устойчивому состоянию будут преодолевать множество промежуточных рубежей, кратных квантам света, то есть, свечение будет еще и длительным. Первое явление называют флуоресценцией, второе фосфоресценцией, их применение не ограничивается светящимися в темноте стрелками часов, например все энергосберегающие лампы оснащены слоем флуоресцента, который равномерно распределяет излучение вашей лампочки.

В итоге:
-мы узнали механизм работы флуоресценции и фосфоресценции

-обосновали важность изучения этих эффектов для применения в бытовых ситуациях

-разгадали 2 пасхалки с Солнцем и отдыхом

Пысы
В следующей части мы узнаем о поверхности потенциальной энергии, изомерах и конформерах.

Пыпысы
Надеюсь быду писать статейки чаще