gorbunov_a_i_filippov_g_g_fedin_v_i_himiya
.pdf
А.И. Горбунов, Г.Г. Филиппов, В.И. Федин
ХИМИЯ
Допущено Научно-методическим советом по химии в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007
УДК 541(075.8) ББК 24.1
Г67
Рецензенты:
кафедра химии Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе (зав. кафедрой, канд. хим. наук, доц. А.Н. Скачков); член-кор. РАН А.М. Чекмарев;
д-р техн. наук, проф. С.Н. Соловьев
|
Горбунов А.И., Филиппов Г.Г., Федин В.И. |
Г67 |
Химия: Учеб. пособие / Под ред. А.И. Горбунова. – М.: Изд-во |
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 688 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3018-5
Материал изложен в соответствии с теоретическими разделами курса лекций по химии, читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана студентам 1-го и 2-го курсов. Все темы рассмотрены с современной точки зрения и пояснены решениями типовых задач. В приложении представлен справочный материал, необходимый для решения задач.
Для студентов технических университетов и вузов. Может быть полезно аспирантам и преподавателям.
УДК 541(075.8) ББК 24.1
|
© А.И. Горбунов, Г.Г. Филиппов, |
|
В.И. Федин, 2007 |
|
© Оформление. Издательство |
ISBN 978-5-7038-3018-5 |
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие ........................................................................................... |
7 |
От авторов ............................................................................................... |
9 |
Введение ................................................................................................. |
12 |
1. Химия и научно-технический прогресс ................................... |
12 |
2. Основные законы и понятия химии ......................................... |
14 |
3. Количество вещества – основная переменная величина в |
|
химии ........................................................................................... |
23 |
ЧАСТЬ I. CТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В СВЕТЕ КВАНТОВОЙ |
|
ТЕОРИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ ..................................... |
31 |
Глава 1. Строение атома .................................................................... |
33 |
1.1. Квантовая механика стационарных состояний ..................... |
33 |
1.2. Атом водорода ......................................................................... |
46 |
1.3. Многоэлектронные атомы ...................................................... |
55 |
Глава 2. Периодический закон и Периодическая система |
|
Д.И. Менделеева ........................................................................... |
66 |
2.1. Периодическая система Д.И. Менделеева и электроотрица- |
|
тельность атомов химических элементов .............................. |
68 |
2.2. Закон. Cистема. Таблицы ........................................................ |
77 |
Глава 3. Химическая связь и строение молекул ........................... |
84 |
3.1. Mетод молекулярных орбиталей ........................................... |
87 |
3.2. Метод валентных связей ......................................................... |
99 |
Глава 4. Межмолекулярное взаимодействие ................................. |
109 |
4.1. Вандерваальсово взаимодействие .......................................... |
109 |
4.2. Водородная связь .................................................................... |
114 |
Глава 5. Cтруктура и электронное строение веществ в конден- |
|
сированном состоянии (кристаллы и жидкости) ................... |
118 |
5.1. Химическая связь и структура твердых тел .......................... |
120 |
5.2. Зонная теория электронного строения твердых тел ............. |
132 |
ЧАСТЬ II. ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА ХИМИЧЕС- |
|
КИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ .......................................................... |
141 |
Глава 6. Основные понятия и законы термодинамики ............... |
143 |
6.1. Температура и теплота (нулевой закон термодинамики) .... |
143 |
6.2. Cистема, состояние, процесс .................................................. |
148 |
4 |
Оглавление |
6.3. Внутренняя энергия и энтропия (первый и второй законы |
|
термодинамики) ...................................................................... |
153 |
6.4. Третий закон термодинамики (расчет абсолютной энтро- |
|
пии вещества) .......................................................................... |
166 |
Глава 7. Термодинамические потенциалы .................................... |
170 |
7.1. Фундаментальное уравнение и термодинамические потен- |
|
циалы ........................................................................................ |
170 |
7.2. Термодинамические потенциалы для систем с перемен- |
|
ным количеством вещества .................................................... |
174 |
7.3. Химический потенциал как молярная энергия Гиббса ........ |
179 |
Глава 8. Тепловые эффекты химических превращений ............. |
184 |
8.1. Тепловой эффект в стандартных условиях ........................... |
185 |
8.2. Зависимость теплового эффекта от температуры (уравне- |
|
ние Кирхгофа) ......................................................................... |
189 |
Глава 9. Химическое равновесие ..................................................... |
194 |
9.1. Изменение энергии Гиббса в химической реакции .............. |
194 |
9.2. Cтандартная константа равновесия химической реакции |
|
(изотерма Вант-Гоффа) ........................................................... |
198 |
9.3. Зависимость стандартной константы равновесия от темпе- |
|
ратуры ...................................................................................... |
204 |
9.4. Расчет равновесного состава химической реакции. Правила |
|
смещения равновесия ............................................................. |
207 |
9.5. Химическое равновесие в гетерогенных системах .............. |
214 |
Глава 10. Кинетика химических превращений ............................. |
217 |
10.1. Основные понятия химической кинетики ........................... |
218 |
10.2. Интегральные формы кинетических уравнений ................ |
228 |
10.3. Зависимость скорости реакции от температуры: теория и |
|
эксперимент ........................................................................... |
238 |
10.4. Кинетика цепных реакций .................................................... |
245 |
10.5. Каталитические реакции ....................................................... |
251 |
ЧАСТЬ III. РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ........... |
259 |
Глава 11. Термодинамика растворов .............................................. |
261 |
11.1. Идеальные растворы ............................................................. |
261 |
11.2. Реальные растворы ................................................................ |
266 |
11.3. Твердые растворы и эвтектические смеси. Диаграммы |
|
плавкости бинарных сплавов ............................................... |
269 |
Глава 12. Растворы неэлектролитов ............................................... |
276 |
12.1. Понижение температуры замерзания и повышение темпе- |
|
ратуры кипения растворителя .............................................. |
278 |
12.2. Осмотическое давление растворителя ................................. |
282 |
Оглавление |
5 |
Глава 13. Растворы электролитов ................................................... |
286 |
13.1. Термодинамика растворов электролитов ............................ |
288 |
13.2. Электрические свойства растворов электролитов .............. |
298 |
Глава 14. Химические реакции в растворах электролитов ........ |
304 |
14.1. Кислотно-основные реакции ................................................ |
305 |
14.2. Окислительно-восстановительные реакции ....................... |
316 |
Глава 15. Коллоидные растворы и дисперсные системы ............ |
334 |
15.1. Основные понятия и виды дисперсных систем .................. |
334 |
15.2. Элементы термодинамики и кинетики дисперсных систем |
337 |
ЧАСТЬ IV. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕС- |
|
СОВ ........................................................................................... |
341 |
Глава 16. Электродные процессы в гальванических элементах |
343 |
16.1. ЭДС гальванического элемента и электродные потен- |
|
циалы ...................................................................................... |
346 |
16.2. Уравнение Нернста для гальванического элемента и элек- |
|
тродных потенциалов ........................................................... |
351 |
16.3. Кинетика электродных процессов в гальванических эле- |
|
ментах ..................................................................................... |
360 |
16.4. Гальванические элементы как химические источники |
|
тока ......................................................................................... |
368 |
Глава 17. Электродные процессы при электролизе ..................... |
375 |
17.1. Количественные соотношения при электролизе. Законы |
|
Фарадея .................................................................................. |
376 |
17.2. Кинетика электродных процессов при электролизе .......... |
377 |
17.3. Области применения электролиза ....................................... |
382 |
Глава 18. Коррозия и защита металлов .......................................... |
386 |
18.1. Химическая коррозия ............................................................ |
389 |
18.2. Электрохимическая коррозия .............................................. |
393 |
18.3. Защита от коррозии ............................................................... |
401 |
ЧАСТЬ V. ХИМИЯ, CВОЙСТВА И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИ- |
|
ЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭЛЕМЕНТОВ .................................. |
407 |
Глава 19. s-элементы 1 и 2 групп ..................................................... |
409 |
19.1. Водород .................................................................................. |
410 |
19.2. s-элементы 1 группы (щелочные металлы) ......................... |
416 |
19.3. s-элементы 2 группы ............................................................. |
433 |
Глава 20. f-элементы ......................................................................... |
451 |
20.1. Лантаноиды (4f-элементы) ................................................... |
453 |
20.2. Актиноиды (5f-элементы) ..................................................... |
456 |
6 |
Оглавление |
Глава 21. d-элементы 3–12 групп ..................................................... |
461 |
21.1. Ранние d-элементы 3–7 групп .............................................. |
462 |
21.2. Поздние d-элементы 8–10 групп .......................................... |
496 |
21.3. d-элементы 11–12 групп ....................................................... |
518 |
Глава 22. p-элементы .......................................................................... |
538 |
22.1. Ранние p-элементы 13–15 групп .............. ............................ |
539 |
22.2. Поздние p-элементы 16–17 групп ........................................ |
606 |
Глава 23. Благородные газы 18 группы ......................................... |
641 |
Приложение ....................................................................................... |
646 |
П.0. Ocновные обозначения физико-химических величин ........ |
646 |
П.1. Физико-химические константы ............................................. |
649 |
П.2. Электронные конфигурации элементов в основном сос- |
|
тоянии ..................................................................................... |
650 |
П.3. Атомные массы элементов (Ar) и энергия сродства атомов |
|
к электрону (EA = −∆ Н) ......................................................... |
654 |
П.4. Энергия ионизации (II), электроотрицательность (χ ) и ко- |
|
валентный радиус (r) атомов элементов ............................. |
658 |
П.5. Термодинамические свойства веществ и ионов (в водных |
|
растворах) при 298,15 К ........................................................ |
661 |
П.6. Константы диссоциации (Kд, С) слабых электролитов в |
|
водном растворе при 298,15 К ............................................. |
667 |
П.7. Произведение растворимости (ПР) веществ в воде при |
|
298,15 К................................................................................... |
668 |
П.8. Константы нестойкости (Kн) комплексных ионов (MLn) в |
|
водном растворе при 298,15 К ............................................. |
669 |
П.9. Cтандартные электродные и окислительно-восстановитель- |
|
ные потенциалы (ϕ° ) в водных растворах при 298,15 К .... |
670 |
Ответы на задачи для самостоятельного решения............................... |
673 |
Список литературы ................................................................................ |
675 |
Предметный указатель ........................................................................... |
676 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Необходимость изучения химии студентами, обучающимися по техническим направлениям и техническим специальностям, едва ли нуждается в обосновании. В данном учебном пособии изложен основной материал по курсу химии для бакалавров (студентов 1–2-го курсов) технических направлений и специальностей высших учебных заведений с учетом Примерной программы дисциплины «Химия», охватывающей более 25 технических направлений высшей школы России. Авторы учли перспективу поэтапного вхождения отечественного образования в Болонский процесс и расширения учебных и научных контактов отечественных студентов и будущих специалистов с зарубежными коллегами. Основные особенности настоящего учебного пособия в отличие от многих ранее изданных коротко можно свести к следующему.
Во-первых, пособие охватывает весьма обстоятельно теоретические, фундаментальные разделы курса химии (части I – IV) в соответствии с современным состоянием определенных разделов как химии, так и физики. Авторы не только не ограничились изложением основных понятий и закономерностей химии и химических процессов, но в большинстве разделов привели решение конкретных задач или проиллюстрировали практическими примерами. Многие из этих разделов представляют собой существенно переработанные аналогичные по тематике части ранее изданного в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001 г. и 2003 г.) учебника для технических университетов – «Теоретические основы общей химии». Авторы избежали весьма простого, иногда используемого в учебной литературе приема: «изложение на пальцах», что не всегда позволяет решать целевые задачи.
Во-вторых, терминология и обозначения тех или иных физикохимических величин представлены с учетом рекомендаций международной организации ИЮПАК. Поэтому авторы фактически в
8 |
Предисловие |
числе первых в отечественной литературе отразили весьма обширный современный материал по химии и химико-технологическим аспектам химических элементов (часть V) c учетом длиннопериодного варианта Периодической таблицы Д.И. Менделеева; о необходимости такого подхода в отечественной литературе по химии неоднократно упоминалось. Авторскому коллективу удалось создать достаточно компактный курс химии для технических университетов, сочетающий в себе доступность изложения с необходимым научным уровнем.
Ценно, что все авторы учебного пособия реально работали многие годы в различных областях прикладной химии. Это наложило определенный отпечаток – химия излагается «из первых рук, а не через посредника». Некоторые из авторов (проф., д-р хим. наук А.И. Горбунов и проф., д-р техн. наук В.И. Федин) имеют также многолетний опыт преподавания химии и некоторых химических дисциплин в ряде высших учебных заведений России.
Общее научное редактирование учебного пособия проведено крупным отечественным ученым заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, лауреатом Государственной премии СССР, профессором, академиком РАЕН А.И. Горбуновым.
Есть все основания полагать, что учебное пособие будет востребовано студентами, преподавателями, аспирантами технических университетов, специалистами в области техники, сталкивающимися с общими вопросами химии, а также преподавателями химии средних учебных заведений, колледжей и гимназий и в целом будет способствовать делу развития естественнонаучного образования в нашей стране.
Академик Б.Ф. Мясоедов
ОТ АВТОРОВ
При подготовке в высшей школе квалифицированных специалистов в области техники и технологий одной из фундаментальных естественнонаучных дисциплин является химия. К настоящему времени химия, в определенной мере как экспериментальная наука, обогатилась большим объемом фактологического материала. Достаточно сказать, что число открытых химических элементов уже давно превысило 100 (весьма обширные исследования последних лет позволили синтезировать элементы с порядковыми номерами 114–118 – «предгорье» области стабильности), а во времена Д.И. Менделеева число элементов не превышало 63. Если учесть сочетание разных элементов при образовании тех или иных химических соединений, то становится очевидным, какое обширное «химическое море» представляет химия.
Поэтому в преподавании курса химии всегда стоит сложная двойственная задача – при ограниченном объеме часов дать «достаточный» материал с учетом современного состояния науки, чтобы будущие специалисты после окончания вуза (через 4–5 лет) не оказались с архаичным уровнем знаний в этой области.
Данный курс предназначен для подготовки бакалавров технических направлений высших учебных заведений. При его написании учтен опыт использования учебника «Теоретические основы общей химии» (Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001, 2003 гг.), в число авторов которого входили некоторые из нас. Следует заметить, что теоретические разделы (в основном II–IV частей) по сравнению с упомянутыми выше изданиями существенно переработаны и значительно сокращены по объему (в 1,5 раза, особенно разделы, посвященные электрохимическим процессам). По возможности из них исключены несущественные детали, фактический рецептурноописательный материал, заметно обновлен и скорректирован материал справочного характера в Приложении. Учтена современная
10 |
От авторов |
тенденция синергетического процесса преподавания в высшей школе в последние годы. Авторы в определенной мере придерживались рекомендаций Международного союза теоретической (чистой) и прикладной химии (ИЮПАК) в части терминологии и обозначений, что будет способствовать укреплению контактов будущих российских специалистов и студентов с зарубежными коллегами. Основное внимание в теоретических разделах учебного пособия отведено строению вещества в свете квантовой теории атомов и молекул (часть I), термодинамике и кинетике химических превращений (часть II). Отдельную главу авторы посвятили Периодическому закону Д.И. Менделеева, в ней наряду с традиционным материалом (периодичность свойств элементов, электроотрицательность) содержится и факультативный материал – новая количественная формулировка Периодического закона на основе квантовой теории атома.
В части II конкретным приложениям термодинамики к химическим процессам (тепловые эффекты, равновесие) посвящены гл. 6 и 7, содержащие простое неформальное изложение некоторых общих вопросов классической термодинамики. В гл. 10 кинетические уравнения реакций первого и второго порядка выводятся из одного общего выражения, справедливого для реакций любого порядка. Там же достаточно подробно рассмотрены примеры сложных реакций, идущих с участием промежуточных веществ.
К особенностям части III следует отнести включение в нее гл. 14 – «Химические реакции в растворах электролитов», содержащей в том числе рассмотрение окислительно-восстановитель- ных реакций безотносительно к их использованию в электрохимии. Наличие этой главы позволяет в части IV сразу же приступить к изучению электродных процессов в гальванических элементах, а затем и при электролизе. В гл. 18 помимо электрохимической коррозии рассмотрены и другие ее виды, а также способы защиты от коррозии.
Оригинальные научно-методические подходы авторов по систематике элементов, электроотрицательности, редокс-реакциям и некоторые другие нашли отражение в предшествующих главах пособия.
Часть V – «Химия, свойства и химико-технологические аспекты элементов» – в отличие от многих отечественных учебников изложена с учетом длиннопериодного варианта современной