С. Н. Соловьёв

НАЧАЛА ХИМИИ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

ЧАСТЬ Ι

Москва 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российский химико-технологический университет

им. Д. И. Менделеева

С. Н. Соловьёв

НАЧАЛА ХИМИИ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

Часть I

Конспект лекций, задачи и упражнения

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по химико-технологическим направлениям подготовки дипломированных специалистов

Москва

2011

УДК 546 (075)

ББК 24.12я73

С60

Рецензенты:

Кандидат химических наук, доцент, заведующий кафедрой неорганической и аналитической химии Московской сельско-хозяйственной академии им. К. А. Тимирязева

С. Н. Смарыгин

Доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

А. В. Вишняков

Соловьёв С. Н.

С60 Начала химии. Химия элементов и их соединений. Часть I. Конспект лекций, задачи и упражнения. – М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2011. – 149 с.

ISBN 978-5-7237-0901-0 (Т. 1)

ISBN 978-5-7237-0899-0

В данном пособии представлены в конспективной форме химические свойства элементов и их соединений. Как и в предыдущих пособиях, лекционный материал закреплён большим числом задач и упражнений, используемых по мере изложения.

УДК 546 (075)

ББК 24.12я73

ISBN 978-5-7237-0901-0 (Т. 1) © Российский химико-технологический

ISBN 978-5-7237-0899-0 университет им. Д. И. Менделеева, 2011 © Соловьёв С. Н., 2011

Введение

Настоящее учебное пособие является третьим в группе учебных пособий, объединённых названием «Начала химии». В первых двух изложены элементы строения вещества и теоретические основы описания химических процессов, а в данном – химические свойства элементов и их соединений.

При написании пособия автор основывался на опыте чтения лекций по неорганической химии студентам Ι-го курса РХТУ им. Д. И. Менделе-ева.

Пособие предназначено в первую очередь студентам, изучающим неорганическую химию; оно будет полезно и старшеклассникам школ с углубленным изучением химии, а также учителям средних школ.

Автор с благодарностью воспримет замечания и пожелания по всем трём пособиям, что позволит в дальнейшем улучшить их содержание.

1. Введение в химию элементов

1.1. Распространённость химических элементов в природе

В настоящее время о химическом составе Вселенной известно даже больше, чем о составе глубинных слоёв Земли. Наиболее распространёнными элементами в космическом пространстве являются водород (75 ат.%) и гелий (24 ат.%). И только около 1 % от общего числа атомов приходится на долю всех остальных элементов, среди которых доминируют кислород, неон, углерод, кремний, магний, железо и ряд других. Элементы с чётными порядковыми номерами более распространены во Вселенной, чем элементы с нечётными порядковыми номерами; это обусловлено большей устойчивостью ядер первых по сравнению со вторыми. Вторым основным фактором, определяющим распространённость элементов, является возможность протекания процессов их образования. Принимая во внимание преобладающее содержание водорода в космосе, вполне логично предположить, что основной термоядерной реакцией, с которой начинается синтез ядер других элементов, является соединение ядер водорода и гелия при 10−20 млн Кельвин.

На первый взгляд химический состав Земли не должен бы сильно отличаться от состава Вселенной, пожалуй, кроме содержания водорода, уходящего из атмосферы в межпланетное пространство. Но это не так.

Современные представления о составе Земли основываются на том, что наша планета состоит из трёх оболочек:

− земной коры (от поверхности до 30–60 км вглубь);

− мантии (от 30–60 км до примерно 2500–3000 км вглубь);

− ядра (от 3000 до 6000 км вглубь Земли).

Земля является по существу металлической планетой, поскольку её массивное ядро на 98 % состоит из металлического сплава, где доминируют железо и никель. Ядро Земли имеет температуру 2500–3000 ^оС и характеризуется плотностью 10–14 г/см³.

На поверхности ядра в результате плавления скопились более лёгкие вещества, в основе которых лежит SiO₂, составляющий в сочетании с оксидами магния, кальция, железа и алюминия от 85 до 95 % общей массы этих веществ.

Самые лёгкие компоненты (плотностью 2,5–3,0 г/см³) поднялись вверх и образовали земную кору, толщина которой изменяется от 6–8 км под дном океанов до 30–60 км на континентах. Земная кора более чем наполовину состоит из SiO₂, около 15 % её состава приходится на Al₂O₃. Подстилающий земную кору тонкий слой мантии вместе с самой корой образует литосферу, являющуюся твёрдой оболочкой нашей планеты; её толщина около 60 км. Напомним, что диаметр Земли колеблется от 12755 км на экваторе до 12714 км на полюсах. Таким образом, наша планета слегка приплюснута вблизи полюсов, что обусловлено вращением вокруг собственной оси. Масса нашей планеты около 6∙10²⁴ кг.

Распространённость элементов на Земле, обусловленная строением ядер атомов и их химическими свойствами, испытывает периодическую зависимость от зарядов ядер атомов элементов. Средний химический состав Земли в массовых процентах:

Элемент	Средний мас.%	Элемент	Средний мас.%
Fe	29 – 40	Ni	1 – 1,5
O	28 – 31	Na	0,3 – 0,9
Si	13 – 15	Cr	0,10 – 0,25
Mg	9 – 16	Mn	0,07 – 0,22
Al	1 – 3	Co	0,06 – 0,23
Ca	1 – 3	K	0,07 – 0,30
S	0,5 – 4,5	Ti	0,02 – 0,55

В сумме названные элементы составляют около 99 % от массы всех элементов, составляющих Землю.

Согласно А. П. Виноградову состав земной коры в мас.% следу-ющий:

Элемент	Мас.%	Элемент	Мас.%
O	47,2	Mn	0,09
Si	27,6	P	0,08
Al	8,8	Ba	0,05
Fe	5,1	S	0,05
Ca	3,6	Cl	0,045
Na	2,65	Sr	0,04
K	2,6	F	0,03
Mg	2,1	Cr	0,02
H	1,0	Zr	0,02
Ar	1,0	Cu	0,01
Ti	0,65	N	0,01
C	0,1

На долю восьми элементов (O, Si, Al, Na, Fe, Ca, Mg, K) приходится до 99 % от массы всей земной коры, и лишь около 1 % составляют остальные 81 элемент.