книги / Общая химия.-1
.pdf
УДК 54 ББК 24.1
К 68
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Р е ц е н з е н т ы : кафедра химии Научно-учебного Комплекса Фундаменталь ных наук МГТУим. Н.Э. Баумана (зав. кафедрой проф. ВА Батюк); проф. АФ. Во робьев (Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева)
Издание осуществлено при содействии Издательского центра "Академия"
18ВИ 5-06-003471-2 |
© Издательство «Высшая ш кола», 1998 |
О главление |
|
|
Предисловие................................................................................................................................. |
|
.7 |
Введение........................................................................................................................................ |
|
10 |
§1. Предмет химии ......................................................................................................... |
|
10 |
§2. Значение химии в изучении природы и развитии техники................................ |
13 |
|
§3. Основные количественные законы |
химии................................ |
14 |
РАЗДЕЛПЕРВЫЙ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА..................................................................... |
|
17 |
Глава первая. Строение атома и периодическая система |
|
|
элементов Д .И . М енделеева............................................................................................ |
|
17 |
§1.1. Модель строения атома........................................................................................... |
|
17 |
§1.2. Квантово-механическая модель атома водорода............................................... |
|
20 |
§1.3. Строение многоэлектронных атомов.................................................................... |
|
25 |
§1.4. Периодическая система элементов Д . И. Менделеева...................................... |
27 |
|
§1.5. Периодические свойства элементов................................................................... |
|
31 |
Глава вторая. Химическая связь.............................................................................. |
|
—.35 |
§2.1. Определение и характеристики химической связи........................................... |
35 |
|
§2.2. Ковалентная связь. Метод валентных связей..................................................... |
|
38 |
§2.3. Пространственная структура молекул................................................................... |
|
48 |
§2.4. Метод молекулярных орбиталей........................................................................... |
|
57 |
§2.5. Электронные структуры некоторых молекул по методу МО |
|
|
и их свойства.............................................................................................................. |
|
62 |
Глава третья. Взаимодействия между молекулами. |
|
|
Комплексные соединения............................................................................................... |
|
65 |
§3.1. Вандерваальсовы силы ........................... |
|
.65 |
§3.2. Водородная связь....................................................................................................... |
|
68 |
§3.3. Комплексные соединения........................................................................................ |
|
71 |
§3.4. Природа химической связи в комплексах. Структура |
|
|
и свойства комплексных соединений.................................................................... |
|
76 |
Глава четвертая. Взаимодействия между частицами веществ |
|
|
в различных физических состояниях и свойства веществ...................................... |
82 |
|
§4.1. Физические состояния веществ. Химические системы................................... |
82 |
|
§4.2. Газообразное состояние вещества......................................................................... |
|
86 |
§4.3. Жидкое состояние вещества................................................................................... |
|
93 |
§4.4. Твердые вещества...................................................................................................... |
|
96 |
§4.5. Понятие о зонной теории кристаллов................................................................. |
|
|
|
106 |
||||
§4.6. Реальные кристаллы. Соединения переменного состава............................... |
|
110 |
||||||
Заключение по |
разделу.................................................. |
|
|
|
,.....................................................113 |
|||
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ |
|
|
|
|
||||
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
116 |
|
Глава пятая. Энергетика химических процессов. |
|
|
|
|||||
Химическое равновесие................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
116 |
|
§5.1. Энергетические эффекты химических реакций................................................ |
|
|
116 |
|||||
§5.2. Термохимические расчеты.................................................................................... |
|
|
|
|
|
123 |
||
§5.3. Энтропия и ее изменение при химической реакции....................................... |
|
132 |
||||||
§5.4. Энергия Гиббса и направленность химических реакций................................ |
|
136 |
||||||
§5.5. Химическое равновесие......................................................................................... |
|
|
|
|
|
142 |
||
Глава шестая. Равновесия в гетерогенных системах.......................................... |
|
|
149 |
|||||
§6.1. Химическое равновесие в гетерогенных системах........................................... |
|
|
149 |
|||||
§6.2. Фазовые равновесия............................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
152 |
|
§6.3. Адсорбционное равновесие................................................................................... |
|
|
|
|
|
158 |
||
Глава седьмая. Химическая кинетика |
....................................................................... |
|
|
|
167 |
|||
§7.1. Скорость химических реакций............................................................................. |
|
|
|
|
167 |
|||
§7.2. Влияние температуры на скорость ......................................................реакций |
|
|
177 |
|||||
§7.3. Механизмы химических реакций......................................................................... |
|
|
|
|
183 |
|||
§7.4. Фотохимические реакции...................................................................................... |
|
|
|
|
|
189 |
||
§7.5. Катализ. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
.194 |
Заключение по разделу....................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
201 |
|
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. РАСТВОРЫ. ОКИСЛИТЕЛЬНО |
|
|
|
|
||||
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ........ ................ |
|
|
|
|
204 |
|||
Глава восьмая. Растворы. Дисперсные ..................................................системы |
|
|
204 |
|||||
§8.1. Общие свойства растворов.................................................................................... |
|
|
|
|
|
204 |
||
§8.2. Распределение вещества между |
|
|
|
|
|
|||
двумя несмешивающимися жидкостями..................................................................... |
|
|
|
209 |
||||
§8.3. Химические равновесия в растворах.................................................................. |
|
|
|
210 |
||||
§8.4. Водные растворы электролитов............................................................................ |
|
|
|
|
218 |
|||
§8.5. Электролитическая диссоциация |
воды. |
|
|
|
|
|||
Водородный показатель.................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
224 |
|
§8.6. Равновесие в растворах электролитов................................................................ |
|
|
|
231 |
||||
§8.7. Дисперсные системы. Коллоидные ..................................................растворы |
|
|
242 |
|||||
Глава девятая. Окислительно-восстановительные |
|
|
|
|||||
и электрохимические процессы................................................................................... |
|
|
|
|
|
251 |
||
§9.1. Окислительно-восстановительные ...................................................процессы |
|
|
251 |
|||||
§9.2. Электрохимические процессы............................................................................. |
|
|
|
|
261 |
|||
§9.3. Потенциалы металлических и газовых ..........................................электродов |
|
|
269 |
|||||
§9.4. Потенциалы окислительно-восстановительных |
|
|
|
|||||
(редокси-) электродов............................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
276 |
|
§9.5. Кинетика электродных процессов. ...........................................Поляризация |
|
|
279 |
|||||
4
§9.6. Электролиз................................................................................................................. |
|
|
284 |
§9.7. Применение электролиза...................................................................................... |
|
|
292 |
§9.8. Химические источники тока. Электрохимические |
|
|
|
энергоустановки...................................................................................................... |
|
|
300 |
Глава десятая. Коррозия и защита металлов.......................................................... |
|
311 |
|
§10.1. Определение и классификации коррозионных процессов........................... |
|
311 |
|
§10.2. Химическая коррозии........................................................................................... |
|
|
314 |
§10.3. Электрохимическая коррозии............................................................................. |
|
|
318 |
§10.4. Защита металлов от коррозии............................................................................ |
|
|
326 |
Заключение по разделу........................................................................................................ |
|
|
337 |
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫ Й. ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ....................................... |
|
341 |
|
Глава одиннадцатая. Химия металлов...................................................................... |
|
|
341 |
§11.1. Простые вещества и соединении....................................................................... |
|
|
341 |
§11.2. Физические и химические свойства металлов................................................ |
|
343 |
|
§11.3. Получение металлов............................................................................................ |
|
|
349 |
§11.4. Металлические сплавы и композиты............................................................... |
|
353 |
|
§11.5. Химия |
«-металлов_________________ ______358 |
||
§11.6. Химия некоторыхр-мегаллоа............................................................................ |
|
|
361 |
§11.7. Основные закономерности химии |
«/-элементов.__________ 365 |
||
§11.8. Химия «/-элементов 1УУШ групп периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева................................................................................... |
|
|
371 |
§11.9. Химия «/-элементов I и II групп периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева.................................................................................. |
|
|
377 |
Глава двенадцатая. Химия неметаллов.................................................................... |
|
|
382 |
§12.1. Свойства и распространенность неметаллов.................................................. |
|
382 |
|
§12.2. Водород................................................................................................................... |
|
|
385 |
§12.3. Химия воды...................................................................................................... |
|
... |
388 |
§12.4. Элементы ГУА-группы периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева................................................................................... |
|
|
397 |
§12.5. Элементы УА-группы периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева.................................................................................. |
|
|
.404 |
§12.6. Элементы У1А-группы периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева.................................................................................. |
|
|
.411 |
§12.7. Элементы УПА-группы периодической |
|
|
|
системы Д.И. Менделеева.................................................................................. |
|
|
.416 |
Глава тринадцатая. Элементы органической химии............................. |
-......... . |
419 |
|
§13.1. Особенности, теория химического строения |
|
|
|
и классификация органических соединений.............................................................. |
|
419 |
|
§13.2. Углеводороды........................................................................................................ |
|
|
.424 |
§13.3. Производные углеводородов............................................................................... |
|
|
430 |
§13.4. Состав, свойства и переработка органического топлива.............................. |
|
439 |
|
§13,5. Химия смазок, охлаждающих и гидравлических жидкостей....................... |
|
446 |
|
Глава четырнадцатая. Органические полимерные материалы......................... |
|
450 |
|
§14.1. Методы получения полимеров.......................................................................... |
|
|
450 |
5
§14.2. Строение полимеров............................................................................................. |
|
458 |
§14.3. Свойства полимеров............................................................................................. |
|
462 |
§14.4. Применение полимеров....................................................................................... |
|
466 |
Глава пятнадцатая. Химия и экология.................................................................. |
|
. 475 |
§15.1. Экологические проблемы общества................................................................ |
|
.475 |
§15.2. Охрана воздушного бассейна............................................................................. |
|
479 |
§15.3. Охрана водного бассейна.................................................................................... |
|
490 |
§15.4. Твердые отходы. Безотходные производства.................................................. |
496 |
|
Глава шестнадцатая. Химическая идентификация |
|
|
и анализ вещества............................................................................................................ |
|
500 |
§16.1. Химическая идентификация вещества............................................................. |
|
500 |
§16.2. Количественный анализ. Химические методы анализа............................... |
505 |
|
§ 16.3. Инструментальные методы анализа............ |
-................................................. |
511 |
Глава семнадцатая. Ядерная химия и радиохимия.............................................. |
516 |
|
§17.1. Атомное ядро. Радиоактивность......................... |
|
516 |
§17.2. Ядерные реакции.................................................................................................. |
|
521 |
§17.3. Воздействия, вызванные радиоактивнымиизлучениями............................. |
523 |
|
§17.4. Ядерная энергетика.............................................................................................. |
|
526 |
§17.5. Химические свойства радиоактивных элементов........................................... |
530 |
|
Общее заключение..................................................................................................................... |
|
533 |
Приложение................................................................................................................................ |
|
535 |
Ответы на задачи....................................................................................................................... |
|
543 |
Литература,.................................................................................................................................. 546
Предметный указатель.............................................................................................................. |
547 |
Предисловие
Настоящая книга — первый учебник, предназначенный для бака лавров и подготовленный в соответствии с образовательным стандар том для технических направлений и специальностей.
Учебник состоит из двух частей. Первая часть охватывает обяза тельные разделы (разделы первый-третий) курса. Вторая часть (раздел четвертый) включает главы, изучаемые по выбору вузов в соответствии с направлениями подготовки бакалавров.
Общетеоретическую базу учебника составляют учение о строении вещества, термодинамика и кинетика химических реакций, теории обменных и окислительно-восстановительных процессов. На этой базе рассмотрены основные химические системы и процессы. Больше внимания уделено наиболее общим законам и принципам химии. При изложении химической связи рассматриваются методы валентной связи и молекулярных орбиталей, как взаимно дополняющие подхо ды в понимании связи. Это позволило с общих позиций рассмотреть взаимодействия частиц в газах, жидкостях и твердых телах и свойст ва веществ в этих состояниях. При изложении химии твердого тела за основу приняты свойства тех или иных фаз. Большое внимание уде лено химическим процессам на границе раздела фаз и межфазным взаимодействиям. В раздел «Избранные вопросы химии», изучаемый по выбору вуза, включены химия металлов, неметаллов и полимеров, элементы органической химии, ядерно-химические процессы, а также химические идентификация и анализ вещества. Особое внимание в учебнике уделено роли химии в охране окружающей среды. Этот вопрос рассматривается практически в каждой главе и обобщается в главе «Химия и экология».
После каждого параграфа приведены вопросы и (или) задачи для самопроверки. Ответы на задачи приведены в конце учебника, по этому студент может контролировать правильность решения задач. Дополнительные задачи и методы их решения студент может найти в учебном пособии, указанном в списке литературы. В процессе обуче-
7
ния студент выполняет лабораторные работы для получения навыков обращения с химическими реагентами и проведения реакций. В спи ске литературы приведено соответствующее учебное пособие.
Учебник рекомендуется студентам очной и заочной форм обуче ния. Основной вид занятий студентов-заочников — самостоятельная работа и прежде всего работа с учебником.
Изучение отдельных глав книги рекомендуется проводить в два этапа. При первом чтении создается общее представление о содержа нии и выясняются ее трудные места. При повторном изучении темы легче понять сущность вопроса, теоретические положения, их приме нение, математические зависимости, уравнения химических реакций. Подавляющее большинство людей легче усваивают прочитанное, если параллельно с чтением книги ведут конспект. Работа над кон спектом помогает пониманию прочитанного и является средством контроля. Лучшая форма конспектирования учебника — тезисная. Тезис, сформулированный самостоятельно при чтении учебника, пе редает не только содержание книги, но и отношение к изучаемому материалу. Наиболее важные положения и определения целесообраз но выписывать дословно. Рекомендуется заносить в конспекты ос новные законы и понятия, формулы и уравнения реакций, незнако мые термины и названия, математические расчеты. Для проверки усвоения полезно восстановить по памяти основные положения про читанного, а затем снова вернуться к тому, что оказалось непонят ным. Не следует переходить к дальнейшему изучению материала, не усвоив предыдущий.
Работа с учебником должна сопровождаться решением задач, что будет способствовать лучшему пониманию и закреплению материала курса.
Автор благодарит Министерство общего и профессионального образования РФ за грант, без которого учебник подготовить было невозможно.
Автор выражает благодарность коллективу кафедры химии Мос ковского Энергетического Института (Технического Университета) за постоянную поддержку и помощь в подготовке учебника и за по лезные советы и замечания.
Автор признателен коллективу кафедры химии МГТУ им. Н.Э. Баума на (зав. кафедрой проф., д.х.н. В.А. Батюк) и проф., д.х.н. А.Ф. Воробьеву за полезные замечания и рекомендации.
Автор
Уважаемый читатель!
Перед Вами один из учебников нового поколения по дисциплине «Химия» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям профессионального образования, написанный известным специалистом в области химии, Заслуженным деятелем науки и техники Российской Федерации, док тором химических наук, профессором Н.В. Коровиным.
Данный учебник является одним из победителей Всероссийского конкурса учебников нового поколения по общим фундаментальным естественнонаучным дисциплинам: математике, информатике, физи ке, химии, биологии, экологии, современному естествознанию. Этот конкурс впервые в истории высшей школы России, в связи с рефор мированием структуры и содержания программ высшего образова ния, был инициирован Госкомвузом России (в дальнейшем - Миноб разованием России) и проведен в течение. 1995-1998 годов на базе Российского университета дружбы народов.
Вконкурсе приняли участие свыше 350 авторских коллективов практически из всех регионов России; заявки представлялись по 11 номинациям, а в их оценке участвовало более ста высококвалифици рованных экспертов.
Врезультате двух туров конкурса было отобрано 39 авторских коллективов, чьи заявки, а затем и рукописи более всего соответство вали как новым учебным программам, так и государственным обра зовательным стандартам по каждой дисциплине.
Конкурсная комиссия и издательство «Высшая школа» выражают надежду, что данный учебник внесет полезный вклад в дело даль нейшего совершенствования российского высшего профессионально го образования и желает всем читателям - студентам и преподавате лям - больших творческих успехов.
Конкурсная комиссия
Издательство «Высшая школа»
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. ПРЕДМЕТ ХИМИИ
Понятие о материи и движении. Весь окружающий нас много образный мир, все существующее — это материя, которая проявляет ся в двух формах: вещества и поля. Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), например атомов, моле кул, ионов. Поле — это такая форма существования материи, которая прежде всего характеризуется энергией. Посредством поля осуществ ляется взаимодействие между частицами вещества. В качестве при мера можно привести электромагнитные и гравитационные поля.
Неотъемлемым свойством материи является движение. Материя находится в непрерывном движении, она неразрывно с ним связана. Формы движения очень разнообразны и взаимосвязаны друг с дру гом. Формы движения материи изучаются разными естественными науками: физикой, химией, биологией и др. Формы движения могут переходить друг в друга, например химическая форма движения мо жет переходить в тепловую, тепловая в электрическую и т. д.
Мерой движения материи, количественной его характеристикой служит энергия, в то же время мерой инерции материи является мас са, поэтому энергия и масса — важнейшие взаимосвязанные свойства материи.
Закон сохранения массы и энергии. Этот закон по существу был'сформулирован М. В. Ломоносовым еще в 1760 г. Современная формулировка закона гласит: в изолированной системе сумма масс и энергий постоянна. Эта формулировка учитывает, что между массой т и энергией Е существует взаимосвязь согласно уравнению
Е = т с2, |
(1) |
где с — скорость света в пустоте, равная 3- Ю8 м/с.
Это соотношение между энергией света и его массой обнаружил русский физик П. Н. Лебедев. Позднее А. Эйнштейн (1905) доказал,
10