- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ
- •1.1. Химическая реакция
- •1.2. Классификация веществ
- •1.3. Количественные расчеты в химии
- •2. СТРОЕНИЕ АТОМА
- •2.1. Развитие представлений о строении атома
- •2.1.1. Теория строения атома Бора
- •2.1.2. Особенности описания микрочастиц
- •2.2. Основные понятия волновой механики
- •2.2.1. Волновое уравнение
- •2.2.2. Решение уравнения Шрёдингера для простейших случаев
- •2.3.1. Основное состояние атома водорода
- •2.3.2. Радиальное распределение электронной плотности. Электронная орбиталь
- •2.3.3. Возбужденные состояния атома водорода
- •2.3.4. Многоэлектронные атомы
- •2.4. Периодический закон и таблица элементов
- •2.4.1. Электронные конфигурации многоэлектронных атомов
- •2.4.2. Связь периодического закона со строением атома
- •2.4.3. Физико-химические характеристики атома
- •Контрольные вопросы
- •3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
- •3.1. Основные характеристики и классификация моделей химической связи
- •3.1.1. Основные параметры химической связи
- •3.1.2. Типы химической связи
- •3.2. Ковалентная химическая связь
- •3.2.1. Метод валентных связей
- •3.2.3. Геометрия простейших молекул. Гибридизация АО
- •3.2.4. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
- •3.2.5. Метод молекулярных орбиталей
- •3.2.6. Полярность связи и дипольный момент молекулы
- •Контрольные вопросы
- •4. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ
- •4.1. Межмолекулярные взаимодействия
- •4.1.2. Водородная связь
- •4.2. Химическая связь в твердом теле
- •4.2.1. Основные понятия о строении кристаллов
- •4.2.3. Ковалентные (атомные) кристаллы
- •4.2.4. Ионные кристаллы. Ионный тип химической связи
- •4.2.5. Химическая связь в металлах
- •4.2.6. Зонная модель кристаллического тела
- •4.2.7. Металлы, полупроводники и диэлектрики
- •4.2.8. Кристаллические материалы
- •4.2.9. Аморфные твердые тела
- •4.3. Химическая связь в жидкостях
- •Контрольные вопросы
- •5. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
- •5.1. Основные понятия и определения
- •5.1.1. Термодинамическая система
- •5.1.2. Термодинамический процесс
- •5.2. Тепловые эффекты физико-химических процессов
- •5.2.1. Внутренняя энергия
- •5.2.2. Первое начало термодинамики
- •5.2.3. Тепловой эффект химической реакции
- •5.2.4. Термохимические расчеты
- •5.3. Направление и пределы протекания химического процесса
- •5.3.1. Второе начало термодинамики
- •5.3.2. Энтропия
- •5.3.3. Направление химического процесса
- •5.3.4. Химический потенциал
- •Контрольные вопросы
- •6. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
- •6.1. Механизм химической реакции
- •6.1.1. Частицы, участвующие в химической реакции
- •6.1.2. Классификация химических реакций
- •6.2. Элементарная химическая реакция
- •6.2.1. Скорость химической реакции
- •6.2.2. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ
- •6.2.3. Константа скорости химической реакции
- •6.3. Формальная кинетика гомогенных реакций
- •6.3.1. Кинетические уравнения реакций
- •6.3.2. Зависимость скорости реакции от температуры
- •6.3.3. Определение кинетических параметров реакции
- •6.4. Цепной механизм химической реакции
- •6.5. Индуцированные реакции
- •6.5.1. Фотохимические реакции
- •6.5.2. Радиационно–химические процессы
- •6.6. Макрокинетика
- •6.6.1. Гетерогенные реакции
- •6.6.2. Горение и взрыв
- •6.7. Катализ
- •6.7.1. Гомогенный катализ
- •6.7.2. Гетерогенный катализ
- •Контрольные вопросы
- •7. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
- •7.1. Термодинамическое условие химического равновесия
- •7.2. Кинетическое условие химического равновесия
- •7.3. Расчет равновесного состава газовой смеси
- •7.4. Равновесия в растворах
- •7.4.1. Растворы
- •7.4.2. Электролитическая диссоциация
- •7.4.3. Ионное произведение воды. Водородный показатель
- •7.4.4. Растворы кислот и оснований
- •7.4.5. Буферные растворы
- •7.4.6. Гидролиз солей
- •7.4.7. Обменные реакции с образованием осадка
- •7.5. Фазовые равновесия
- •7.5.1. Диаграмма состояния однокомпонентной системы
- •7.5.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы
- •7.5.3. Кипение и кристаллизация растворов
- •7.5.4. Электролиты
- •Контрольные вопросы
- •8. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
- •8.1. Основные понятия и определения
- •8.2. Электродные процессы
- •8.2.1. Скачок потенциала на границе «металл–электролит»
- •8.2.2. Уравнение Нернста
- •8.2.3. Электроды
- •8.3. Неравновесные электрохимические системы
- •8.3.1. Гальванический элемент
- •8.3.2. Окислительно-восстановительные реакции в водных растворах
- •8.3.3. Электролиз
- •8.4. Кинетика электрохимических процессов
- •8.4.1. Скорость электрохимических процессов
- •8.4.2. Поляризация электродов
- •8.5. Практическое использование электрохимических процессов
- •8.5.1. Химические источники тока
- •8.5.2. Применение электролиза
- •Контрольные вопросы
- •9. КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ
- •9.1. Коррозионные процессы
- •9.2. Химическая коррозия
- •9.2.1. Высокотемпературная газовая коррозия
- •9.2.2. Кинетика роста оксидных пленок
- •9.2.3. Факторы, влияющие на скорость газовой коррозии
- •9.3. Электрохимическая коррозия
- •9.3.1. Анодные и катодные реакции
- •9.3.2. Термодинамические условия электрохимической коррозии металлов
- •9.3.3. Факторы, влияющие на скорость электрохимической коррозии
- •9.4. Коррозионные среды и влияние дополнительных факторов
- •9.4.1. Коррозионно-механическое разрушение металлов
- •9.4.2. Водородная коррозия
- •9.4.3. Радиационная коррозия
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ
Учебное пособие
Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» Кафедра химии
А.П. КИСЕЛЕВ, А.А. КРАШЕНИННИКОВ
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2012
2
УДК 541(075.8)
К44
Киселев, А.П.
К44 Основы общей химии: учебное пособие / А.П. Киселев, А.А. Крашенинников; Балт. гос. техн.
ун-т. – СПб., 2012. – 338 с.
ISBN 978-5-85546-703-1
Пособие содержит материал по основным разделам курса химии: строение атома и химическая связь, термодинамика и кинетика химического процесса, электрохимические и коррозионные процессы в соответствии с одноименными разделами курса химии. Материал изложен на современном уровне с использованием общепринятой терминологии.
Предназначено для самостоятельной подготовки студентов 1–2-го курсов технических специальностей.
УДК 541(075.8)
Р е ц е н з е н т ы: проф. кафедры общей и неорганической химии Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Р.Г. Чувиляев; доцент кафедры физической химии Санкт-Петербургского технологического института (университета)
М.Ю. Матузенко
Утверждено редакционно-издательским советом университета
ISBN 978-5-85546-703-1
БГТУ, 2012
Авторы, 2012
3
«Природе все равно, как мы это назовем, она просто делает свое дело».
Р. Фейнман
ВВЕДЕНИЕ
При обучении квалифицированного специалиста в высшем техническом учебном заведении общенаучная подготовка играет важную роль. Во-первых, она является базой для общетехнических и специальных дисциплин, во-вторых, формирует мировоззрение будущего специалиста, помогает ему быстро и правильно ориентироваться во всевозрастающем потоке научно-технической информации, оценивать научный уровень технических решений. Особое место в ряду других наук, преподаваемых в техническом вузе нехимического профиля, занимает химия.
В естествознании можно выделить несколько уровней изучения строения материальных тел, в каждом из которых действуют как свои специфические законы (законы астрономии, физики, химии, биологии и др.), так и общие фундаментальные (законы сохранения материи, энергии и др.). Каждая из естественных наук занимается своими объектами. Так, поведение макроскопических тел описывают астрономия, механика, биология и т.д. Строением молекул, атомов, ядер, элементарных частиц занимается физика. Объектом исследования химии являются вещества и материалы. Методы и применения различных наук взаимосвязаны, но каждая имеет свои особенности. При этом представления каждого последующего уровня используются для объяснения, более глубокого понимания закономерностей предыдущего. Но это не значит, что все естественные науки можно свести к одной единственной («нет других естественных наук, кроме физики и аппарата ее – математики»).
К середине ХХ века объем химических знаний стал настолько большим, что это привело к делению химии на отрасли и, соответственно, появились различные химические учебные дисциплины. На основе изучаемых объектов или методов исследования выделяются следующие отрасли химических наук: неорганическая, органическая, физическая, коллоидная, радиохимия, аналитическая химия, экологическая, биохимия, радиационная, квантовая, плазмохимия, механохимия. Приведенный перечень далеко не полно
4
охватывает все существующие отрасли химических наук, число которых увеличивается по мере накопления и углубления знаний об окружающем мире.
Студенты вузов химического профиля изучают, в зависимости от специализации в том или ином объеме, практически все разделы химических наук. В технических вузах нехимического профиля время, отводимое учебными планами на изучение химии, весьма ограничено. Поэтому основной задачей курса «Химия» является формирование «химического мировоззрения». В первую очередь в нем обращается внимание на изучение строения химического вещества (строение атомов и молекул, химическая связь), объясняющее его химические свойства, и наиболее общих закономерностей протекания химических реакций (термодинамика и кинетика химического процесса). Изучая курс «Химия», студент должен получить представление о том, почему вещество обладает такими свойствами и что может произойти при взаимодействии тех или иных веществ. Изучение же конкретных химических свойств веществ следует проводить в рамках специальных химических дисциплин (неорганическая, органическая, коллоидная химия и др.). Необходимо отметить, что часть конкретных знаний, относящихся к химической подготовке бакалавра, магистра или дипломированного инженера, будущий специалист получает при изучении других различных дисциплин (материаловедение, экология, термодинамика и др.), но представления о наиболее общих химических свойствах веществ и закономерностях протекания химических процессов должны быть сформированы в рамках базового курса. Усвоение курса «Химия» осложнено тем, что он изучается на первых курсах, при недостаточной подготовке студента по физике и математике, да и уровень элементарных знаний по химии, полученный в школе, к сожалению, часто оставляет желать лучшего. Поэтому авторы считают необходимым в первом разделе пособия напомнить, а некоторых студентов и познакомить, с основными понятиями, определениями, законами химии.
В естествознании все теории о структуре вещества и закономерностях протекающих процессов базируются на опыте (на экспериментально наблюдаемых реальных явлениях). Любая теория только относительно верно отражает действительность. Вопервых, она обобщает лишь известные на момент ее создания экспериментальные факты и закономерности. При дальнейшем рас-
5