книги / Неорганическая химия

По мысли авторов в учебнике по неорганической химии для сельскохозяйственных вузов должна быть отражена связь хи-» мии с сельскохозяйственным производством. Поэтому авторы стремились наиболее подробно описать те элементы и соединения, которые входят в состав растительных и животных организмов (включая и микроэлементы), а также те, которые применяются в борьбе с болезнями и вредителями сельскохозяйственных расте­ ний и животных, в борьбе с сорняками. Значительное место в учебнике отведено удобрениям и микроудобрениям, в частности фосфоритам, апатитам, калийным солям. Составители стремились каждое явление рассматривать в связи с теми условиями, в кото­ рых оно протекает, и показать, как это явление меняется в зави-* симости от изменения условий.

Главу VI написал проф. И. Н. Заозерский; введение, главы I, II, катализ из главы XIV — доц. В. А. Полосин; главы III, IV, VII, классификацию неорганических соединений из главы

.VIII, углерод и его соединения как важнейшие источники энер­ гии для техники, а также коллоидное состояние вещества из главы XVII, главы XVIII—XXIX — доц. М. Ю. Финогенов; главы V, VIII, кремний и его соединения из главы XVII — доц.

{В. А. Рябков]: главы IX, XV, XVI — Ф. П. Платонов; главы X—

XII — Р. В. Котляров; главы XIII, XIV, углерод и его соедине­ ния из главы XVII — Г, А. Тер-Шмаонов. Общая редакция — И. Н. Заозерский.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Химия — наука о веществах. Она изучает состав, строение и свойства веществ, превращения одних веществ в другие, причи­ ны, вызывающие превращения, явления, их сопровождающие, и те закономерности, которые при этом проявляются. Она, как и всякая другая наука, возникла и выросла из практических по^ требностей человека.

Какова роль химии в сельском хозяйстве? Созданные в про­ цессе сельскохозяйственного производства органические вещест­ ва— основа питания человека, животных и сырье для многих от-* раслей промышленности. Эти вещества создаются в результате длинного и сложного ряда связанных друг с другом химических превращений, протекающих в почве, в растительных и животных организмах. Естественное выветривание горных пород и почво-< образование, усвоение растениями удобрений, регулирование роста растений и животных, уничтожение вредителей и болезней сельскохозяйственных растений и животных, переработка про­ дуктов сельского хозяйства — это все процессы, имеющие в своей основе химические превращения.

Химия вместе с физикой — теоретическая основа, фундамент общебиологических, специальных агрономических и зоотехниче­ ских наук. Именно поэтому изучению химии в высшей сельскохо* зяйственной школе уделяется большое внимание.

Величественная программа строительства . коммунизма в

СССР, принятая XXII съездом Коммунистической партии Совет­ ского Союза, и решения мартовского (1962 г.) Пленума ЦК КПСС предусматривают высокие темпы развития всех отраслей сельского хозяйства. Причем главной линией в земледелии и впредь остается всемерное увеличение производства зерна как основы всего сельскохозяйственного производства. А этого мож­ но достичь повышением урожайности. В свою очередь высокие уро'жаи — результат воздействия различных факторов: высокой агротехники, применения сортовых семян, мелиорации, ороше* ния, применения минеральных и органических удобрений.

За последние 25—30 лет сельскохозяйственная наука и прак­ тика проявляют значительный интерес к таким элементам, кого-* рые поступают в организм в ничтожно малых количествах, но без которых невозможно его нормальное развитие. Эти элементы получили название микроэлементов; к ним относятся бор, медь, марганец, кобальт, цинк, молибден, йод и многие другие. В поч-* ву микроэлементы вносят в виде так называемых микроудобре­ ний! В сельскохозяйственной практике уже нашли применение борные, медные, марганцовые микроудобрения.

Наряду с получением высокого урожая, встает задача — убе-- речь этот урожай от многочисленных вредителей и болезней, торые подстерегают и живое растение, и уже собранный урожай в хранилище. А потери могут быть громадными. Так, до 1917 г. Россия ежегодно теряла от болезней и вредителей растений в среднем 4 млн. тонн зерна. Общие средние потери достигали 10% урожая зерновых, 25% плодовых и 20% овощных культур.

Наиболее эффективное средство борьбы с вредителями и бо­ лезнями сельскохозяйственных растений и животных — это ядо­ витые вещества инсектофунгисиды: соединения мышьяка, рту­ ти, меди, свинца и др. Практическое применение находят еще более эффективные яды: гексахлоран, ДДТ, фосфороорганиче­ ские препараты и многие другие.

В последнее время внимание многих исследователей всех стран привлечено к фитогормонам, или ростовым веществам.

Вначале их обнаружили в растениях (ауксин а, ауксин б и ген тероауксин), а затем получили синтетически.

Действие ростовых веществ на растительные организмы мно­ гообразно. В одних случаях они усиливают укоренение череп-*

плодовых деревьев, задерживают созревание плодов и прорас­ тание картофельных клубней. При относительно слабых кон­ центрациях ростовые вещества активизируют процессы роста, а при более высоких концентрациях — подавляют их. Таким обра« зом, оказалось возможным с помощью ростовых веществ управ­ лять ростом растений, повышать их продуктивность.

Некоторые ростовые вещества в повышенных дозах губи­ тельно действуют на растения. Это используется для борьбы с сорняками. Такие вещества называются гербицидами. .

Радиоактивные и стабильные изотопы химических элементов, так называемые меченые атомы, широко применяются в иссле­ дованиях физиологии животных и растений, в агрономической химии.

Все изложенное показывает, как велико значение химии в развитии сельского хозяйства и насколько важно и необходимо изучение этой науки в высшей сельскохозяйственной школе.

Глава I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Обращаясь к окружающей нас природе, к производственной и бытовой обстановке, мы видим множество отдельных предме­ тов, которые обозначают общим термином: тела. Ближе при­ сматриваясь к бесконечному разнообразию тел, мы обращаем внимание на те материалы, из которых состоят тела. Эти мате­ риалы называют веществами. Число веществ значительно мень­ ше числа тел, так как многие тела Образованы одним и тем же веществом. Наконец, говоря в самой общей форме обо всем, что существует в природе, мы разумеем материю.

Сопоставляя эти три понятия — тела, вещества, материя,— мы приходим к заключению, что .самым общим является фило­ софское понятие материи. В. И. Ленин в труде «Материализм и эмпириокритицизм» дал 'наиболее полное и исчерпывающее оп­ ределение понятия материи: «...материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объ­ ективная реальность, данная нам в ощущении...»

Понятие вещество может быть определено как отдельный вид материи или как определенная форма существования материи. В соответствии с представлениями современной физики, веще­ ства определяются как формы материи, состоящие из частиц, имеющих собственную массу — массу покоя. Такое определение вещества предусматривает существование других форм мате­ рии, которые в отличие от вещества не имеют массы покоя. Эти­ ми другими формами материи являются физические поля: элект­ ромагнитное, гравитационное (поле тяготения), ядерное, кото­ рые связывают соответствующие частицы вещества друг с дру­ гом, передают действие от одних частиц к другим.

друга.

Таким образом, понятия материя, вещество, тело, будучи принципиально отличными друг от друга, вместе с тем оказы­ ваются неразрывно связанными друг с другом; одно из них в отрыве от двух других представить невозможно.

Тела, вещества, материя в целом беспрерывно изменяются. Эти изменения в самом широком понимании называются дви­ жением. Виды движения весьма разнообразны: это и простое механическое перемещение тела в пространстве, и самый сложч ный процесс — жизнь, мысль, сознание.

В соответствии с основными формами движения материи су­ ществуют различные науки, изучающие их: механика, физика, химия, биология, социология. Физика изучает физические явле- ния — изменение формы, состояния вещества при неизменном составе и массе молекул (например, переход из одного агрегат­ ного состояния в другое). Химия изучает химические превраще­ ния, или реакции, коренным образом изменяющие внутренний состав веществ. При этом вещества, получающиеся в результа­ те химических превращений, отличают.ся по свойствам от исход­ ных продуктов. Несмотря на указанное отличие химических из­ менений от физических, между ними существует тесная связь, и резкой границы здесь провести невозможно. Отсюда следует, что полное всестороннее изучение химических процессов требу­ ет одновременного изучения тех физических явлений, которые вызывают и сопровождают химические процессы.

В природных условиях вещества почти никогда не встреча­ ются в совершенно чистом состоянии — они всегда содержат большее или меньшее количество примесей. Поэтому первая за­ дача, с которой сталкивается химия, — это выделение чистого вещества, очистка его от примесей. Вещество, максимально освобожденное от посторонних примесей, обладающее определен­ ным химическим составом и постоянными свойствами, называ­ ется химическим индивидуумом. Постоянство свойств химиче­ ского индивидуума характеризуется только ему присущими константами — удельным весом, температурой плавления, темпе­ ратурой кипения и др.

А. Лавуазье, классифицируя химические индивидуумы по их качественному составу (1787), ввел понятие о простых вещест­ вах и сложных веществах, или соединениях. Такое подразделе­ ние остается справедливым и в наше время.

Простым называется такое вещество, молекулы которого со­ стоят из атомов одного элемента. Сложными веществами, или соединениями, называются такие вещества, молекулы которых состоят из атомов различных элементов.

Всвязи с этими определениями встает вопрос об определен

ииипонятия элемент. Это понятие относится к основным в хи­ мии. На различных этапах развития химии в понятие элемент вкладывали разные содержания.

По современным представлениям, элемент — это вид атомов,

занимающих одно определенное место в периодической системе и обладающих определенным зарядом ядра.

Различие между простым веществом и элементом можно ил-* люстрировать конкретным примером. Существуют азмаз и гра­ фит— два простых вещества, каждое из которых обладает ря­ дом специфических, только ему присущих свойств, резко отлич­ ных от свойств другого. Вместе с тем эти два простых вещества состоят из одного и того же элемента — углерода, являясь его аллотропическими видоизменениями.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Закон сохранения материи

б о. Эта основная идея закона сохранения материи как философ­ ского принципа в разных формах встречается уже в высказы­ ваниях древнегреческих философов Анаксагора, Эмпедокла, Де­ мокрита, Эпикура, Аристотеля. Эту же мысль выразил в 1 в. до

н.э. древнеримский поэт и философ, последователь Демокрита

иЭпикура Тит Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» («Бе гегиш па1ига»).

Принцип неуничтожаемости материи неоднократно утверж­ дали в XVI и XVII вв. передовые естествоиспытатели и фило­

софы Леонардо да Винчи, Дж. Бруно и Г. Галилей в Италии, Ф. Бэкон в Англии, П. Гассенди и Эдм Мариотт во Франции.

Однако мысль о сохранении материи все же оставалась лишь общефилософским положением, не подтвержденным опытами.

Первые попытки опытным путем доказать справедливость принципа неуничтожаемости материи были предприняты только в XVII в. Ван-Гельмонтом, Юнгиусом, А. Реем и Р. Бой­ лем.

Наиболее обобщающая формулировка закона сохранения материи и движения была дана М. В. Ломоносовым. В письме к выдающемуся математику Леонарду Эйлеру от 5 июля 1748 г. М. В. Ломоносов так сформулировал этот закон: «...Все пере­ мены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к дру­ гому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится

в другом месте... Сей всеобщий естественный закон простирает­

так как включает в себя и закон сохранения массы, и закон сохра­ нения энергии. Правда, закон со­

хранения энергии, в отличие от закона сохранения массы, опы­ том Ломоносов не подтвердил. Закон сохранения энергии был экспериментально обоснован и утвержден в науке только сто лет

В1773 г. французский химик А. Лавуазье, повторив опыты

Р.Бойля и М. В. Ломоносова с обжиганием металлов — свин­ ца, олова, ртути, пришел к тем же выводам, что и Ломоносов. Эти выводы позднее, в 1785 г., он подтвердил опытами по анализу и синтезу воды. В 1789 г. в «Курсе элементарной хи­ мии» Лавуазье так формулирует закон: «Ничто не создается ни при искусственных, ни при естественных операциях, и можно принять за правило принцип, что в каждом процессе, в началь­ ный и конечный момент, находится неизменное количество ма­ терии».

Несмотря на очевидную справедливость и эксперименталь­ ную обоснованность закона сохранения массы, еще в XVIII— XIX столетиях ученые неоднократно возвращались к его про­ верке, используя наиболее совершенные методы взвешивания. Наиболее обширные и точные исследования по проверке зако­ на сохранения массы проводил с 1899— по 1910 гг. немецкий физико-химик Г, Г. Ландольт (1831— 1910). Взвешивая реаги­ рующие и образующиеся вещества с наибольшей для того вре­ мени точностью (±0,00003 г), он нашел, что их вес в пределах

существует не только у света, но и у любых других материаль­ ных объектов. Эту зависимость он выразил формулой:

Е = тС 2,

где:

Е— энергия в эргах;

т— масса в г,

С— коэффициент пропорциональности, равный скорости све­ та, т. е. 300 000 км/сек.

Закон взаимосвязи массы и энергии позволяет определить точное значение массы, отвечающее данному количеству энер­ гии, и наоборот. Следовательно, неизменность массы веществ может наблюдаться только в тех реакциях, которые не сопро­ вождаются выделением или поглощением энергии. В экзотерми­ ческих реакциях масса полученных веществ должна быть мень­ ше массы взятых до реакции веществ на количество, эквивалент­ ное выделившейся энергии. В эндотермических реакциях мас­ са полученных после реакции веществ должна быть больше массы взятых до реакции веществ на количество, эквивалентное поглощенной энергии. Но убыль и прибавка столь незначитель­ ны, что даже при точности взвешивания 0;000001 г почти неощу­ тимы. Уменьшение массы в экзотермических реакциях и увели­ чение ее в эндотермических реакциях не противоречат закону сохранения материи: общее количество материи до и после ре­ акции остается неизменным, происходит лишь превращение од­ ной формы материи в другую.

Закон взаимосвязи массы и энергии, как будет показано ни­ же, имеет особо важное значение при исследовании ядерных процессов.

Ю

В1792— 1794 гг. немецкий химик И. В. Рихтер (1762— 1807), изучая взаимодействие кислот и оснований, установил равно­ ценные количества разных оснований, нейтрализующих одно и то же количество кислоты, и равноценные количества разных кислот, нейтрализующих одно и то же количество основания. Например, для нейтрализации 63 г азотной кислоты требуется 40 г едкого натра, или 56 г едкого кали, или 37 г едкой извести; на нейтрализацию 40 г едкого натра расходуется 63 г азотной кислоты или 49 г серной кислоты, или 32,6 г фосфорной кисло­ ты. Эти равноценные количества были названы Рихтером экви­ валентами. В дальнейшем понятие эквивалента было распрост^ ранено и на другие соединения, а также на химические эле­ менты.

Внастоящее время под эквивалентом элемента или химиче­ ского соединения разумеют такое весовое количество их, кото­ рое может присоединять или замещать 8 весовых частей кис­ лорода или замещать 1,008 весовых частей водорода. Отсюда следует формулировка закона эквивалентов: вещества взаимо­ действуют между собою, т. е. соединяются друг с другом или замещают друг друга в весовых количествах, пропорциональных их эквивалентам.

Закон постоянства состава химических соединений

Одна из основных задач химии — установить состав веществ. Изучение состава сложных веществ привёдо к открытию закона постоянства состава химических соединений, идея которого впервые была высказана М. В. Ломоносовым в «Элементах ма­ тематической химии» (1741). Особенного внимания заслужива­ ет тот факт, что мысль Ломоносова о постоянстве состава вы-, текает из его общетеоретических представлений о корпускуляр­ ном (молекулярно-атомном) строении веществ.

В конце XVIII в. — начале XIX в. французский химик К. Бертолле (1748— 1822), изучая процессы производства селитры и образования соды в соляных озерах Египта, пришел к выводу, что химическая реакция есть непрерывный и обратимый процесс, а состав образующихся в результате реакции соединений изме­ няется непрерывно, т. е. оказывается переменным. По мнению Бертолле, состав химического соединения всецело зависит от условий его образования: от концентрации реагирующих ве­ ществ, от температуры и давления, при которых происходит реакция. В это же время другой французский ученый Дж. Пруст (1754— 1826), основываясь на анализах ряда соединений, при­ ходит к прямо противоположному выводу: «природа никогда не производит соединения иначе, как по весу и по мере». По мне-