ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Налбандян В.Б., Петренко А.А.

Задачник по структурной химии

С примерами решений Учебное пособие для студентов химического факультета

Ростов-на-Дону

2007

Пособие разработано кандидатом химических наук, доцентом кафедры общей и неорганической химии В.Б. Налбандяном и аспирантом А.А. Петренко

Ответственный редактор канд. хим. наук

Печатается в соответствии с решением кафедры общей и неорганической химии химического факультета ЮФУ, протокол № 8 от 28 сентября 2007 г.

Введение

Что такое структурная химия и зачем её изучать ?

Химические и физические свойства веществ зависят от их структуры, то есть от порядка и способа соединения атомов, а не только от химического состава. Поэтому изучение химии невозможно без понимания структуры веществ. Термодинамика и кинетика описывают закономерности протекания реакций в общем виде, а конкретные значения термодинамических и кинетических параметров, механизмы реакций, состав продуктов нужно либо определять на опыте, либо прогнозировать на основе строения веществ. То же относится и к физическим свойствам: физика описывает закономерности электрических, магнитных, оптических и других явлений, но как и почему вещества отличаются друг от друга по электрическим и т.п. свойствам – это вопрос структуры.

Структурная теория пока отстаёт от эксперимента. Более или менее надёжные неэмпирические квантовохимические расчёты удаётся сделать лишь для небольших молекул, а экспериментально изучено множество структур, содержащих многие десятки неэквивалентных атомов при общем числе атомов в полимере до 10²⁰. Обычно проще синтезировать новое вещество и экспериментально определить его строение, чем теоретически рассчитать, какие по составу и строению вещества должны получиться в данных условиях. Поэтому большое значение пока имеют качественные соображения, основанные на обобщении экспериментальных данных и на элементарных арифметических и геометрических соотношениях. К сожалению, они мало отражены в существующих учебниках неорганической химии. Там довольно подробно и обоснованно рассмотрены лишь простейшие структуры – молекулы и обособленные ионы, а строение немолекулярных веществ рассмотрено весьма поверхностно и с большим числом фактических ошибок. Особняком стоит трёхтомник А.Ф. Уэллса [1]. Он написан на высоком уровне, но там за обилием фактов теряются общие принципы, и почти не описана связь структуры со свойствами.

Основные отличительные черты данного пособия:

– Наряду с координацией катионов здесь систематически рассматривается также координация анионов и используется очевидное, но игнорируемое в учебниках уравнение координационного баланса. Это позволяет исправить многие фактические ошибки и связать в стройную систему многие перечисленные, но не объяснённые в учебниках факты.

– В учебниках рассмотрение немолекулярных структур зачастую подменяют бессодержательными ссылками на сингонии, решётки и элементарные ячейки, противопоставляют молекулы кристаллам, координационное число в комплексных соединениях – координационному числу в кристаллах. Это создает у читателя ложное впечатление, будто кристаллические вещества не подчиняются обычным принципам химического строения, и без кристаллографии их нельзя понять. При этом аморфные вещества вовсе выпадают из рассмотрения. В данном пособии все вещества – молекулярные и немолекулярные, кристаллические и аморфные, жидкие и газообразные, органические, неорганические и металлоорганические – рассматриваются с единых позиций на основе представлений о координации и связности.

– Задачи снабжены примерами решений или указаниями, где разъясняются наиболее непривычные и трудно усваиваемые теоретические представления.

Большинство задач относится к реальным веществам, и ответы на них можно найти в справочниках, базах данных или в оригинальной литературе. Это тоже нужно уметь делать (и на эту тему есть задания), но главная цель данного пособия иная: научить студентов делать обоснованные выводы на основе теоретических представлений, "не подглядывая в ответ". Знание фактического материала можно только приветствовать, но все свойства всех веществ запомнить невозможно, нужно видеть в них систему: опираясь на знание теории и ограниченного набора фактических сведений, уметь прогнозировать строение и свойства новых веществ, не входящих в этот набор.

Если теоретический прогноз подтверждается экспериментальными данными – это приятно. Если не подтверждается – это интересно: побуждает искать ошибку в рассуждениях, уточнять область применения использованной теоретической модели. Таким образом, основная цель задачника – не контроль знаний, а приобретение знаний и опыта в процессе решения задач и обсуждения результатов.

Далеко не все предлагаемые задачи имеют однозначные ответы. Во многих случаях предлагается "обсудить", "предложить", а не вычислить. Большинство задач даётся в нескольких вариантах, обозначенных буквами. Для варианта (а) обычно даётся пример ожидаемого решения. Не следует воспринимать его как шаблон, где достаточно заменить цифры – и получится решение другого варианта. Эти примеры показывают ход рассуждений, оценку роли разных, зачастую противоречивых, тенденций. Весьма вероятно, что в других вариантах более важными окажутся те факторы, которые были сочтены малосущественными в варианте (а). Все ответы нужно детально обосновать.