книги / Общая химия.-1

или различных атомов. Молекулы могут быть одно-, двух- и много­ атомными. Они являются составными частицами вещества. Если мо­ лекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют п р о ­ с тым или э л е м е н т а р н ы м , например Не, Аг, Н2, Ог, 0 3, 84, 86, 88 и Р4. Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии.

Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют с л о ж н ы м (или химическим соединением), например СО, Н2О, ЫН3, СН2О, Н3Р04. Любое вещество характеризуется опре­ деленным составом (природой и числом атомов в его молекуле), строением (пространственным расположением атомов в молекуле) и определенными физическими и химическими свойствами.

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т. е. в процессах превращения одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать и состав и строение вещества. Поэтому химия изучает состав, строение, свойства веществ и их превращения.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические реакции играют важную роль в физических, биологических, геологических и других про­ цессах. Связь между различными естественными науками очень тесная, на стыках наук возникают новые науки, например ядерная

ХИМИЯ, биОХИМИЯ, ГеОХИМИЯ, КОСМОХИМИЯ И Г. П:

Количество вещества. Количество вещества — это число структур­ ных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в системе. Единицей из­ мерения количества вещества является моль. Моль — количество ве­ щества системы, которое содержит столько определенных струк­ турных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов и т. д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12.

При использовании термина «моль» следует указывать частицы, к которым относится этот термин: «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов», «моль электронов» или моль других частиц или групп частиц. Например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода. Так как 0,012 кг углерода-12 содержит 6,022-1023 атомов углерода (постоянная Авогадро, Ад), то моль — такое количество вещества, которое содержит 6,022-1021 структурных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов и др.)

12

Массу одного моля вещества называют м о л я р н о й ма с с о й

(М). Основной единицей измерения молярной массы является кило­ грамм на моль (кг/моль) или грамм на моль (г/моль). Например, мо­ лярная масса калия М(К) = 39,102 г/моль, молярная масса аммиака А/(КН3) = 17,031 г/моль.

Любое соединение кроме молярной массы характеризуется о т ­ н о с и т е л ь н о й м о л е к у л я р н о й м а с с о й . Относительная молекулярная масса Мг— это молярная масса соединения, отнесен­ ная к V12 молярной массы атома углерода-12. Например, Мх(ГИу) = = 17,031. Как видно, относительная молекулярная масса — величина безразмерная.

Относительная атомная масса А, — это молярная масса атома вещества, отнесенная к '/^ молярной массы атома углерода-12. На­ пример относительная атомная масса калия равна 39,102.

Вопросы для самоконтроля

1. Рассчитайте изменение массы вещества в ходе реакции

2 А1 + 3 0 2 = 2 А120 3

врезультате которой выделилось 3350-103 Дж.

2.Рассчитайте молярную массу метана.

§2. ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ В ИЗУЧЕНИИ ПРИРОДЫ

ИРАЗВИТИИ ТЕХНИКИ

Познание химии как одной из важнейших фундаментальных есте­ ственных наук необходимо для формирования научного мировоззре­ ния. Изучение химии играет важную роль в развитии образного мышления, в творческом росте будущих специалистов.

Важную роль играет химия в жизни каждого человека, в его прак­ тической деятельности. Особенно велико значение науки о веществе в технике, развитие которой немыслимо без понимания процессов превращения веществ. Глубокое понимание законов химии и их при­ менение позволяют как совершенствовать существующие, так и соз­ давать новые процессы, машины, установки и приборы. Химизация народного хозяйства является одним из важнейших путей интенси­ фикации его развития.

13

Химические реакции широко используются во многих производ­ ственных процессах. Они (например, процессы окисления, коррозии и др.) протекают при работе установок, машин и приборов. Получе­ ние электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов, про­ дуктов питания и т.п. непосредственно связано с химическими реак­ циями. В настоящее время, например, электрическую и механиче­ скую энергии получают в основном преобразованием химической энергии природного топлива. В процессе этого преобразования про­ исходят сложные химические реакции: горения, взаимодействия во­ ды и ее примесей с металлами и т. п. Без понимания этих процессов невозможно обеспечить эффективную работу электростанций и дви­ гателей внутреннего сгорания.

Использование химических реакций в ряде производственных процессов позволяет резко повышать производительность труда и качество продукции, получать новые материалы.

Понимание законов химии и их использование исключительно важно при решении проблемы повышения эффективности производ­ ства и качества продукции, так как ухудшение качества и надежности продукции во многих случаях вызывается нежелательными химиче­ скими процессами, например коррозией металлов, старением поли­ меров и т.п. Изучение механизмов химических реакций позволяет выбрать рациональные методы охраны окружающей среды, создавать цовые безвредные процессы.

Химизация любой отрасли народного хозяйства приносит боль­ шой экономический эффект.

Возросла роль химии в развитии электротехники, микроэлектро­ ники, радиотехники, космической техники, автоматики и вычисли­ тельной техники.

Для развития новой техники необходимы материалы с особыми свойствами, которых нет в природе: сверхчистые, сверхтвердые, сверхпроводящие, жаростойкие и т.п. Такие материалы поставляет современная химическая промышленность, поэтому можно понять важность изучения химии для любой специальности. В электротех­ нической промышленности, например, более 80% продукции выпус­ кается с применением полимерных материалов.

§ 3. ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Закон постоянства состава. Согласно этому закону каждое хи­ мически чистое соединение всегда имеет один и тот же количест­ венный состав независимо от способа его получения. Закон появился

14

в результате длительного (1801 — 1808) спора французских химиков Ж. Пруста, считавшего, что отношения между элементами, образую­ щими соединения, должны быть постоянными, и К. Бертолле, кото­ рый считал, что состав химических соединений является перемен­ ным. Хотя закон постоянства состава сыграл важную роль в развитии химии и до сих пор сохранил свое значение, выяснилось, что не все соединения имеют постоянный состав. В 1912 — 13 гг. Н. С. Курнаков установил, что существуют соединения переменного состава, которые он предложил назвать б е р т о л л и д а м и . К бертоллидам относятся многие кристаллические соединения: оксиды, карбиды, нитриды, фосфиды и т. д. Например, в зависимости от способа полу­ чения состав оксида титана может изменяться от ТЮо,б до Т К \33.Соединения постоянного состава по предложению Н. С. Курнакова называют д а л ь т о н и д а м и .

Закон эквивалентов. В результате работ ИРихтера (1792 — 1800) был открыт закон эквивалентов; все вещества реагируют в эквивалентных отношениях. В настоящее время эквивалентом назы­ вают реальную или условную частицу вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать ши быть каким-либо дру­ гим способом эквивалентна одному иону водорода в кислотно­ основных ши ионообменных реакциях ши одному электрону в окис­ лительно-восстановительных реакциях. Например, эквивалентом гидроксида калия и соляной кислоты будут соответственно КОН и НС1, серной кислоты — ’/2 Н2804, фосфорной кислоты — '/3 Н3Р04, хлорида алюминия — 73 А1С13, хлорида титана — ’/4 Т|'С14. Моль эквивалентов содержит 6,022-1023 эквивалентов. Соответственно за­ кон эквивалентов можно сформулировать в следующем виде; моль эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивален­ тов другого вещества. Например, в реакции

‘/3 А1 + НС1 = 73 А1С13 + '/2 Н2

один моль эквивалентов алюминия (73 моль А1) реагирует с одним молем эквивалентов кислоты (1 моль НС1) с образованием одного моля эквивалентов хлорида алюминия (‘/3 моль А1С13) и одного моля эквивалентов водорода ('/2 моль Н2).

Закон кратных отношений. Закон, предложенный Д. Дальтоном (1803) гласит: если два элемента образуют между собой несколько различных соединений, то на одну и ту же массу одного из них при­

15

Раздел первый

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Гпава первая

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

Фундаментальным законом природы и теоретической базой химии является периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 г. на основе глубоких знаний в области химии и гениальной интуиции. Позднее закон получил, теоретическую интерпретацию на основе моделей строения атома.

§ 1.1. МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АТОМА

Открытие субатомных частиц и первые модели атома. В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909 г. Р. Малликен опре­ делил его заряд, который равен 1,6-10"19 Кл. Масса электрона состав­ ляет 9,1 МО'28 г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положи­ тельно заряженной сферы с вкрапленными электронами.

В 1910 г. в лаборатории Э. Резерфорда (Англия) в опытах по бом­ бардировке металлической фольги а-частицами было установлено, что некоторые а-частицы рассеиваются фольгой. Отсюда Резерфорд заключил, что в центре атома существует положительно заряженное ядро малого размера, окруженное электронами. Наличие положи­ тельного ядра в атоме получило подтверждение в дальнейших экспе­ риментах. Радиусы ядер лежат в пределах 10'14 — 10'15 м, т.е. в 104 — 105 раз меньше размера атома. Резерфорд предсказал существование протона и его массу, которая в 1800 раз превышает массу электрона.

17

Видимый

свет

В 1910 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбитам электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

Атомные спектры. При нагреве вещество испускает лучи (излучение). Если излучение имеет одну длину волны, то оно называ­ ется монохроматическим. В большинстве же случаев излучение ха­ рактеризуется несколькими длинами волн. При разложении излуче­ ния на монохроматические компоненты получают спектр излучения, где отдельные его составляющие выражаются спектральными линия­ ми. На рис. 1.1 представлен спектр электромагнитного излучения. Спектры, получающиеся при излучении свободными или слабо свя­ занными атомами (например, в газах или парах), называются атом­ ными спектрами. На рис. 1.2 приведен атомный спектр водорода. Длины волн, соответствующие атомному спектру водорода, опреде­ ляются уравнением Бальмера

18

( 1.1)

где А— длина волны; К — постоянная Ридберга (109678 см'1); п и т — целые числа (и = 1 для серии Лаймана, п = 2 — для серии Бальмера, п= 3 — для серии Пашена; ти = 2, 3, 4 для серии Лаймана, т = 3, 4, 5 для серии Бальмера, /и = 4, 5, 6 — для серии Пашена).

Кванты и модель Бора. В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дис­ кретными порциями, названными им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (колебания) V:

где к — постоянная Планка (6,626-10"34 Дж-с.); V = с / А, с -— скорость света; А — длина волны.

В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, соглас­ но которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенны­ ми энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орби­ та имеет номер п (1, 2, 3, 4, ...), который назвали главным квантовым числом. Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был

Отрицательный знак энергии означает устойчивость системы, ко­ торая тем более устойчива, чем ниже (чем более отрицательна) ее энергия. Атом водорода обладает минимальной энергией, когда элек­ трон находится на первой орбите (п = 1). Такое состояние называется о с н о в н ы м . При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится в о з б у ж д е н н ы м . Такое состояние атома неустойчиво.

* 1 эВ = 1,6-10‘’9 Дж. Для одного моля частиц 1 эВ = 96,5 кДж/моль.

19

новой модели атома, основанной на открытиях в микромире.

§ 1.2. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА

Двойственная природа электрона. В 1905 г. А. Эйнштейн пред­ сказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энер­ гии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу.

В 1924 г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализ­ мом. Позднее это было подтверждено на опытах по дифракции на кристаллах. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны X электрона или любой другой частицы с массой т и скоро­ стью V,

Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам. Однако, как следует из уравнения (1.5), для макротел длина волны настолько мала, что в

20