книги / Неорганическая химия
..pdfИ. Н. ЗАОЗЕРСКИИ, Р. В. КОТЛЯРОВ, Ф. П. ПЛАТОНОВ. В. А. ПОЛОСИН. I В. А. РЯБКОВ. |Г. А. ТЕР-ШМАСНОВ, М. Ю. ФИНОГЕНОВ,
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ - ХИМИЯ
Под общей редакцией заслуженного деятеля науки
итехники доктора химических наук профессора
И.Н. Заозерского
Допущено Министерством высшего и среднего специального
образования СССР
в качестве учебного пособия для сельскохозяйственных вузов
Государственное издательство «Высшая школа»
М о с к в а — 1963
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-*
ков, ускоряют созревание плодов, |
предотвращают их -опадение |
у фруктовых деревьев, в других |
случаях замедляют цветение |
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.
Противопоставление |
вещества и |
поля — относительно, так |
|
как |
частицы вещества |
неразрывно |
связаны с полями; вещест |
во |
и поле при известных условиях |
могут превращаться друг в |
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
Чт о - либ о |
с у щ е с т в у ю щ е е не |
м о ж е т б ы т ь п р е в |
|
р а щ е н о в |
ничт о . |
м о ж е т б ы т ь |
с о з д а н о чт о-л и- |
Из н и ч е г о не |
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
ся и |
в самые правила движения: |
|
ибо |
тело, движущее |
своею си |
лою |
другое, столько |
же оные у |
себя |
теряет, |
сколько |
сообщает |
|
другому, которое от него движе-; |
||||
ние |
получает». Эта |
формулиров |
||
ка закона сохранения материи со |
||||
держится и в диссертации Ломо |
||||
носова «Об |
отношении |
количест |
||
ва материи и веса» |
(1758), а так |
|||
же в докладе «Рассуждение о |
||||
твердости и жидкости тел» (1760). |
||||
В такой формулировке откры |
||||
тый |
Ломоносовым |
закон деист-; |
||
вительно является |
в с е о б щ и м |
|||
е с т е с т в е н н ы м |
з а к о н о м , |
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
спустя в |
1841— 1845 гг. |
трудами |
немецкого |
физика и врача |
Р. Майера |
(1814— 1878), |
в 1843 г. — трудами |
английского фи |
|
зика Дж. Джоуля (1818— 1889), в |
1847 г. — трудами немецкого |
|||
физика и |
физиолога Г. Гельмгольца (1821— 1894), |
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
|
погрешности взвешивания |
остается не |
||||
|
изменным |
и |
что закон сохранения мас |
|||
|
сы вещества при химических реакциях |
|||||
|
в пределах указанной точности остает-= |
|||||
|
ся справедливым. |
|
|
|
||
|
В 1899— 1901 гг. русский физик про |
|||||
|
фессор |
Московского |
университета |
|||
|
П. Н. Лебедев (1866— 1912) открыл и |
|||||
|
измерил |
световое |
давление, |
доказав |
||
|
тем самым наличие массы у света. В |
|||||
|
результате |
была |
установлена |
количе |
||
|
ственная взаимосвязь массы и энергии |
|||||
|
света. В |
|
1905 |
г. немецкий |
физик |
|
Антуан Лоран Лавуазье |
А. Эйнштейн, пользуясь открытым им |
|||||
принципом |
относительности, |
устано |
||||
(1743— 1794) |
вил, что взаимосвязь массы и энергии |
|||||
|
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-