Семёнов И. Н.
ХИМИЯ
Пособие для поступающих в ВУЗ. — 1989 г.
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие (3). — Роль химии в развитии народного хозяйства страны (5). Раздел I. ОБЩАЯ ХИМИЯ Глава 1. Основные понятия и законы химии 15 § 1. Предмет химии (15). — § 2. Атомно-молекулярная теория (15).— § 3. Химический элемент (19). — § 4. Простое вещество. Аллотропия (22). — § 5. Сложное вещество. Моль. (23). — § 6. Закон Авогадро (24) — § 7. Валентность. Степень окисления. Химические формулы (26) — Упражнения к главе 1 (28). Глава 2. Химические реакции 31 § 1. Уравнения химических реакций (31). — § 2. Типы химических реакций (32). — § 3. Химическое равновесие (37). — § 4. Скорость химических реакций (43). — § 5. Катализ (50). — Упражнения к главе 2 (55). Глава 3. Классы неорганических соединений 58 § 1. Оксиды (58). — § 2. Основания (61). — § 3. Кислоты (62). — § 4. Амфотерные оксиды и гидроксиды (64). — § 5. Соли (60).— § 6. Двойные и смешанные соли. Краткие сведения о комплексных соединениях (70). — § 7. Написание графических формул оксидов, оснований, кислот и солей (72). — Упражнения к главе 3 (74). Глава 4. Химия растворов 76 § 1. Дисперсные системы (76). — § 2. Общая характеристика растворов (78). — § 3, Сольваты и гидраты (80). — § 4. Тепловые явления при растворении (82). — §5. Способы выражения концентрации растворов (82). — § 6. Растворимость и ее зависимость от внешних условий (84). — § 7. Равновесия в водных растворах электролитов (87). — § 8. Ионное произведение воды. Водородный показатель (95). — § 9. Гидролиз солей (97). — § 10. Произведение растворимости. Условия образования и растворения осадков (100). — Упражнения к главе 4 (104). Глава 5. Периодический закон и строение вещества 110 § 1. Последовательность заполнения электронами энергетических уровней. Явление периодичности (110). — § 2. Структура периодической системы (114). — § 3. Элементарные представления о химической связи (121). — §4. Строение кристаллов (130). — Упражнения к главе 5 (134). Глава 6. Окислительно-восстановительные реакции 136 § 1. Основные понятия (136). — §2. Типы окислительновосстановительных реакций (137). — § 3. Типичные окислители и восстановители (138). — § 4. Составление уравнений окислительно- восстановительных реакций (139). — § 5. Электролиз (144). — Упражнения к главе 6 (148). Раздел II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Глава 7. Простые вещества 150 § 1. Металлы и неметаллы (150). — § 2. Окислительновосстановительные свойства простых веществ. Ряд напряжений металлов (158). — § 3. Общие свойства металлов. Сплавы (161). — § 4. Получение металлов из природных соединений (169). — § 5. Получение неметаллов в виде простых веществ (175). Глава 8. Соединения элементов главных подгрупп 178 § 1. Соединения с водородом (178). — §2. Кислородные соединения (184). Глава 9. Особенности химии элементов побочных подгрупп 200 § 1. Общая характеристика элементов (200). — §2. Специфика простых веществ и соединений, образуемых переходными элементами (205). Приложение. Задачи и упражнения 211 § 1. Разбор некоторых задач (211). — § 2. Задачи типа предлагаемых на конкурсных экзаменах (218). — Ответы к задачам (223). |
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
В отличие от существующих в данном пособии сделан упор на углубленное повторение основных понятий и законов химии, «узловых» вопросов, от понимания которых зависит осмысление изучаемого в школе фактического материала. На небольшом числе примеров показаны главные закономерности поведения химических систем, общие приемы подхода к их рассмотрению, то, как свойства вещества определяют его применение. Приводимые вопросы и упражнения выбраны из тех, которые предлагались на вступительных экзаменах в химические вузы или использовались автором на Подготовительном отделении ЛГУ. Как правило, для ответа не нужны громоздкие расчет и — надо лишь хорошо усвоить основные законы химии. Предназначено прежде всего для абитуриентов, самостоятельно готовящихся к экзамену в вуз, но будет полезно также слушателям подготовительных отделений и курсов. Предлагаемое пособие рассчитано прежде всего на абитуриентов, самостоятельно готовящихся к вступительным экзаменам в вуз, но, безусловно, будет полезным также слушателям подготовительных отделений и курсов. Главное внимание в пособии уделено общей химии, т. е. основным понятиям и законам химии. Хорошо усвоив этот раздел, абитуриент сможет более сознательно повторять описательный материал неорганической и органической химии. Для объяснения направления химических процессов в пособии используются элементарные представления о химическом равновесии, на которые, по мнению автора, в недостаточной степени опираются в школе как на методическое средство при подаче фактического материала. Так, при повторении химии растворов с помощью константы равновесия легко объяснить влияние разбавления на степень диссоциации электролитов, выпадение и растворение осадков и т. д. Автор убежден, что при изучении химического равновесия можно на первых порах обойтись без сложного математического аппарата и в то же время научиться грамотно применять эти представления к химическим системам, изучаемым в школе, в частности к таким производственным процессам, как получение моноксида углерода, аммиака и серного ангидрида. Это позволит абитуриенту избежать механического заучивания фактов из учебника и самостоятельно делать выводы о том, какие условия должны способствовать сдвигу равновесия в данной системе в нужном направлении. Пособие ни в коей мере не подменяет повторение химии по учебникам для средней школы. В нем лишь акцентируются те моменты, па которые следует обратить особое внимание при подготовке к экзамену, и более подробно излагаются некоторые положения общей химии. Это делается для того, чтобы абитуриент лучше понял причины тех или иных химических явлении и в какой-то мере научился их предсказывать. В соответствии с повой школьной программой по химии в пособии более подробно рассмотрены такие темы, как элементы побочных подгрупп, соединения переменного состава, комплексные соединения, металлы и металлургические процессы. Ограниченный объем книги не позволил подробно изложить химию отдельных элементов, поэтому неорганическая химия подается в обобщенном виде, причем основой для обобщения служит периодическая система: примеры конкретных химических систем являются иллюстрацией общих закономерностей и моделью для самостоятельного рассмотрения аналогичных систем. Вовсе не обязательно запоминать все числа и формулы веществ, приводимые во втором разделе (если они не входят в материал школьного курса), но надо хорошо усвоить выводы из этих примеров. Для закрепления навыков пользования химической номенклатурой при чтении уравнений реакций и вообще при устном ответе следует произносить названия веществ по международной номенклатуре, а не читать символы элементов и индексы в формуле (например, «купрум-эс-о-четыре»). Для выработки этого навыка в пособии широко используются названия веществ по международной номенклатуре вместо их формул, если последние очевидны. В новой программе по химии для средней школы отдельная тема (10 учебных часов) посвящена роли химии в развитии народного хозяйства страны. Этот материал кратко расоматрива ется в начале книги. Для лучшего усвоения материала в конце глав 1—6 приводятся упражнения. Их рекомендуется выполнять в том порядке, в каком они даются в книге, так как упражнения рассчитаны на последовательное закрепление положений каждой главы и расположены в порядке возрастания их сложности. В конце пособия приведены задачи, большинство из которых предлагалось на вступительных экзаменах в вузах Москвы и Ленинграда. Расчетные задачи по органической химии принципиально не отличаются от расчетных задач по неорганической химии, есть лишь отличия, связанные со спецификой состава, строения и свойств органических веществ. Хочется еще раз обратить внимание на то, что успешно решать химические задачи возможно лишь при условии твердого усвоения основных понятий и законов химии. Тот факт, что эти понятия образуют единую стройную систему, находит отражение в размерности величин, количественно характеризующих эти понятия. Неправильная размерность величин в расчетах может привести к цепочке ошибок в решении задачи, и, наоборот, проверяя размерность величин, получаемых при расчетах, легче найти ошибку в решении задачи. Численные величины в условиях по возможности подобраны таким образом, чтобы при решении избегать громоздких вычислений, лишь отвлекающих от химической сути задачи и логики ее решения. Если у абитуриента возникнет интерес к химическим задачам, ему можно порекомендовать следующие сборники: Середа И. П. Конкурсные задачи по химии. Изд. 3-е. Киев, 1978. 192 с. Сборник конкурсных задач по химии с решениями Под ред. М. А. Володиной. М,, 1983. 248 с. Ефимов А. И., Карцова Л. А., Луцка я И. М. Задачи по химии. Л., 1986. 120 с. Автор с благодарностью примет все критические замечания в адрес книги. РОЛЬ ХИМИИ В РАЗВИТИИ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА СТРАНЫ В своей повседневной жизни мы потребляем продукты в используем материалы, произведенные химической промышленностью на основании достижений химической науки. Химия дает нам одежду, материалы для постройки жилья, а через использование ее в сельском хозяйстве — и пищу. Химия лечит человека, когда он болеет, улучшает комфорт его быта. Таким образам, химия активно участвует в обеспечении материальной базы для удовлетворения самых главных потребностей человека. С достижениями химии мы иногда соприкасаемся непосредственно— в виде продукции химической промышленности, иногда косвенно — через производимое другими отраслями промышленности и сельским хозяйством, в которых широко применяется химизация. Химизация производства — это использование химических свойств вещества в процессе материального производства, т. е. включение элементов химической технологии в самые разнообразные производства. Поэтому сфера действия химизации гораздо шире, нежели только собственно химические производства (такие, как производство кислот и щелочей, удобрений, синтетических материалов, моющих средств, химических средств защиты растений и т. д.). В современной технологии химические методы обработки вещества широко применяются в металлургии, энергетике, нефтегазовой промышленности, строительстве, пищевой и других отраслях промышленности. Химическая технология — это гораздо более мощный способ приспособления взятого из природы вещества к потребно стям людей, она позволяет использовать не одно, а многие свойства вещества за счет его превращения в продукты с разными свойствами. Так, в коксохимическом производстве из каменного угля получают кокс, горючие газы и прочие продукты сухой перегонки, у которых, в свою очередь, эксплуатируются разные физические и химические свойства. Например, бензол и его гомологи участвуют в синтезе множества новых веществ (химические свойства) и используются как растворители (физические свойства). Даже свойства шлаков (каменноугольного и металлургического) оказались настолько ценными, что последние находят применение в производстве стройматериалов и в дорожном строительстве. Обычно каким-то нужным нам свойством обладает не одно, а несколько веществ. Например, многие металлы обладают значительной электропроводностью. Однако на практике мы выбираем одно пли ряд веществ, обладающих данным свойством. руководствуясь при этом следующими главными требованиями: 1. Выбранное вещество имеет самый оптимальный количественный показатель, характеризующий нужное нам свойство. Скажем, из металлов высокую электропроводность имеют серебро. медь, алюминий. 2. Выбранное вещество легко либо добывать в природе, либо получать искусственно из природного сырья. Давно, например, отработана технология производства чистой электротехнической меди; в больших количествах производят и алюминий, которого в природе больше, чем меди. 3. Производство выбранного вещества не требует большого расхода энергии и мало загрязняет отходами окружающую среду. Изделия из него после использования можно снова превратить в полезную продукцию. Так, из отработанных электротехнических изделий вновь извлекают медь, которую используют как вторичное сырье. Экономия сырья, энергии, труда, а также охрана окружающей среды — с этим постоянно следует считаться при превращении изъятых из природы веществ в полезную продукцию. В ходе научно-технической революции в хозяйственный круговорот включается все большее число веществ, препаратов, материалов, а также типов воздействия на вещество, его обработки (высокие давления, сверхнизкие температуры, радиационное воздействие, а в последнее время — плавка в невесомости и т. д.). Все углубляющаяся химизация производства, внедрение достижений химии в быт порождают и свои проблемы. Так, на Земле появилось .много химических соединений, созданных людьми и не характерных для природы. Такие вещества не всегда легко встраиваются в природный круговорот веществ, поэтому зачастую способность природных экосистем к самоочищению оказывается недостаточной для их переработки. Процесс загрязнения окружающей среды нехарактерными для нее веществами, ранее имевший локальный характер, в современную эпоху принял глобальные размеры. К примеру, глобальные масштабы приняло попадание в биосферу значительных количеств таких несвойственных ей элементов, как ртуть и свинец. Задача химиков и других специалистов заключается в том, чтобы создать такие технологии производства, которые исключали бы попадание вредных веществ в окружающую среду. Б отношении продукции химической промышленности специалисты выдвигают требование: ни одно вещество не допускать к использованию в промышленных .масштабах до тех пор, пока не будет разработана методика его разложения до продуктов, безвредных для окружающей среды. «Встраивание» химических соединений, являющихся отходами технологической деятельности, в тот или иной искусственный круговорот веществ, с тем чтобы продукты их распада возвращались в окружающую среду в форме, нс мешающей нормальному функ-ционЕфованию биосферы, — одна из задач, стоящих перед новой областью химии — экохимией. Когда речь заходит о проблемах, возникающих при химизации производства, забывают иногда о том, что сама химическая технология содержит в себе огромные потенциальные возможности для охраны среды и ресурсов. Ведь, используя достижения химии, можно превращать в полезную продукцию не только с пециально добытое природное сырье, но и отходы производства — как химического, так и других. На это обращал внимание еще Д. И. Менделеев, провозвестник широкой химизации проЕгззодства, когда писал, что «техника старается снять сливки со всякого рода отбросов и их пустить в оборот, т. е. воспользоваться ими для увеличения количества товаров, выпускаемых фабриками и заводами».* До недавнего времени рост промышленного производства обеспечивался в основном за счет все возрастающего количества добываемого природного сырья. При этом лишь малая часть извлекаемого из недр Земли вещества (1 — 3%) превращалась в полезную продукцию — остальное составляло разного рода отходы. В настоящее время перед промышленностью поставлена задача резко увеличить выход полезной продукции при том же количестве добытого сырья. В решении этой задачи важная роль отводится химии. Чем глубже химическая наука познает свойства вещества, чем больше будет совершенствоваться химическая технология, тем больше откроется возможностей для * Менделеев Д. И. Сочинения. В 25 томах. Л.; М., 1937—1954. Т. 21. С. 441. применения элементов и их соединений, а тем самым — и для безотходных и малоотходных производств. Достижения химической технологии позволяют исключить отравление воздуха и воды, создавать экономически приемлемые методы обезвреживания опасных для окружающей среды веществ и возврата отходов в технологический круговорот веществ. Проблема охраны окружающей среды и проблема природных ресурсов тесно связаны между собой. Чем полнее перерабатывается сырье, чем полнее извлекаются из него нужные нам вещества, тем меньше остается отходов. В современной технологии находят применение почти все химические элементы, а список соединений, используемых в народном хозяйстве, быстро растет. Все химические элементы содержатся в природе в достаточных количествах, чтобы обеспечить развитие цивилизации на неопределенно долгий срок. Однако степень доступности минеральных ресурсов разная. По мере совершенствования химической технологии становится рентабельным извлечение нужных элементов из все более бедных источников сырья, в том числе и из отходов и отвалов, из которых извлечение этих элементов раньше считалось нерентабельным. Путь к решению проблемы обеспечения сырьем на будущее лежит через разработку методов более рационального использования минеральных ресурсов планеты, замену дефицитных видов сырья на менее дефицитные, нахождение и освоение новых источников сырья, его комплексное использование, нахождение менее энергоемких способов переработки сырья, утилизацию отходов и экологизацию производства. Одним из источников сырья станет Мировой океан. Океанская вода содержит в сум,ме 5-1016 т растворенных солей. В настоящее время из морской воды в значительных количествах добывается магний. Создание рентабельных способов добычи из нее других металлов — тоже важная задача для химиков. Запасы в океане некоторых элементов, используемых в народном хозяйстве, следующие (в тоннах): магний — 2.1 -10!5, бром — 106-10!2, фтор — 2-1012, под — 93-109, цинк—16-109, олово, медь, уран — 5 109, ванадий, марганец—3-109, серебро— 0,5• 109, свинец, ртуть — 50-10е, золото — 6-106. Ценные элементы содержатся также в конкрециях — образованиях, устилающих в некоторых местах дно океана. Конкреции содержат главным образом марганец и железо, а также никель, кобальт, медь и др. Общие запасы конкреций оцениваются в 1500 млрд т, причем, по подсчетам ученых, каждый год образуется 10 млн т новых отложений. Добыча и переработка конкреций станет в будущем важным источником марганца, железа и других элементов. Химии отводится важная роль в осуществлении Энергетической программы СССР и вообще в решении проблемы обеспечения человечества энергией в предвидимом будущем, В послед- ние десятилетия интенсивное потребление нефти привело к тому, что стало ощущаться истощение наиболее доступных и легко разрабатываемых ее месторождений, вследствие чего себестоимость добычи нефти неуклонно возрастала, а с нею — и цены на нефтепродукты. Для дальнейшего развития энергетики требуется постепенное вытеснение нефти из некоторых сфер ее применения, замена ее на иные источники энергии. Это каменный уголь, низкокалорийные виды топлива, все большее использование ядерных реакторов для производства электроэнергии, а в будущем — для металлургии и теплоснабжения. В перспективе в определенных масштабах будет использоваться также солнечная энергия, В связи с этим химики вместе со специалистами других областей знаний разрабатывают процессы подготовки низкокалорийных топлив к сжиганию, а также решают проблемы, связанные с охраной окружающей среды при сжигании твердых топлив. Так, ископаемые угли содержат значительные количества серы, которая при сгорании топлива может попадать в атмосферу в виде сернистого газа. Работы по созданию экологически безвредных способов использования твердых видов топлива ведутся совместно учеными ряда стран, входящих в СЭВ. Разрабатываются экономически рентабельные технологии переработки бурых углей в жидкое и газообразное топливо. Весьма многообразны задачи, стоящие перед химиками в области дальнейшего развития ядерной энергетики. Без современной химии, и. в частности, без ее специфической области—радиохимии, ядерная энергетика вообще была бы невозможна. Вклад химиков в совершенствование и развитие ядер-ной энергетики выражается в создании технологии переработки уранового сырья, а также отработавших тепловыделяющих элементов, в создании материалов для реакторов, разработке средств защиты людей и окружающей среды на случай аварийных ситуаций. Энергия Солнца является важнейшим воспроизводимым источником энергии на нашей планете. К тому же это самый «чистый» источник энергии, поскольку использование солнечной энергии не связано с загрязнением окружающей среды С02 или продуктами неполного сгорания, золой, радиоактивными изотопами и т. д. Небезынтересен тот факт, что одна сотая часть поверхности Сахары получает примерно столько же энергии за единицу времени, сколько ее потребляется во всем мире за то же время. Однако у солнечной энергии есть существенный недостаток: она рассеяна на большой площади, и ее мощность, приходящаяся на единицу земной поверхности, невелика. Поэтому пока нет рентабельных способов ее прямого использования в таких же масштабах, в каких используется ископаемое топливо или ядерная энергия. Химики во всем мире разрабатывают материалы и химиче- ские системы для разного рода преобразователей и накопителен солнечной энергии. Например, широко ведутся работы по созданию термохимических циклов разложения воды с использованием солнечной энергии, по созданию химических накопителей энергии. Ядерная и солнечная энергетика тесно смыкается с тем перспективным направлением в технике, которое получило название водородной энергетики. Водород как горючее имеет то главное преимущество перед углеводородами, применяемыми в настоящее время в качестве моторного горючего, что при его сгорании образуется вода. Тем самым исключается выброс в атмосферу таких продуктов неполного сгорания углеводородов, как СО, сажа и др. Получение водорода требует энергетических затрат. Эту энергию и могли бы давать преобразователи солнечной энергии, а также ядерные электростанции в часы низкой нагрузки. Часть полученного водорода можно было бы использовать в химической промышленности, в металлургии, а также в генераторах тепловых электростанций — уже в часы пиковых нагрузок. С помощью водородной энергетики ученые надеются преодолеть главную трудность на пути широкого использования энергия Солнца — ее низкую концентрацию на поверхности Земли. Используя те или иные системы для получения с помощью солнечной энергии водорода, можно было бы таким образом концентрировать и запасать энергию Солнца. Возможно, для этой цели в будущем станут создавать «водородные плантации», на которых специально выведенные водоросли будут производить водород как продукт фотосинтеза. Через водородную энергетику ядерная и солнечная энергетика стали бы косвенно использоваться на неэлектрифицированном транспорте. Химическая промышленность и сама является одним из крупнейших потребителей энергии, поэтому одна из актуальнейших задач сегодняшнего дня — снижение затрат энергии в химико-технологических процессах. Это достигается путем уменьшения энергетических потерь, с одной стороны, и использования энергии, выделяющейся при протекании производственных экзотермических реакций, с другой. Технологические схемы. в которых используется энергия производственных реакций, получили название химических энерготехнологий. В энерготехнологических схемах энергетические установки (котлы-утилизаторы, газовые и паровые турбины) взаимосвязаны с химико-технологическими установками в единую систему, в которой химические реакторы одновременно, например, выдают пар заданных параметров. Энерготехнологические системы реализуются прежде всего на базе агрегатов большой мощности— крупнотоннажных установок для синтеза аммиака, производства серной кислоты, аммиачной селитры. Уже созданы химические производства, работающие без подвода энер- гии извне. В настоящее время аммиак и азотную кислоту получают в таких схемах, покрывая затраты энергии за счет энергетического эффекта соответствующих реакций. Рост населения земного шара делает все более острой проблему производства питания. В решении этой проблемы химия также призвана сыграть исключительно важную роль. Наша страна обеспечивает себя необходимым продовольствием.. одновременно оказывая помощь другим странам. Задача состоит в том, чтобы улучшить структуру питания и повысить в нем долю высококачественных продуктов. Этой цели служит одобренная майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС Продовольственная программа СССР на период до 1990 г. Вклад химии в выполнение Продовольственной программы, повышение продуктивности сельского хозяйства и пищевой промышленности осуществляются через совершенствование производства удобрений, современных средств защиты растений, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, регуляторов росте растений и животных, витаминов, медикаментов, средств для сохранения урожая и консервации пищевых продуктов с сохранением их питательной ценности. По общему объему производства минеральных удобрений СССР вышел на первое место в мире. В настоящее время главно' задачей в этой области является не только увеличение количества, по п повышение качества и эффективности производимых удобрений, а также создание менее энергоемких, безот-ходееых способов их производства. Ученые работают над созданием новых форм удобрений, обеспечивающих растения всеми нужными им элементами, в том числе микроэлементами, с запрограммированным действием этих удобрений в зависимости от фаз роста растений, когда потребность в разных элементах разная. Разрабатываются пути получения бесхлорных удобрений (ион хлора в избытке вреден большинству сельскохозяйственных культур) и фосфорных удобрений бескислотными способами. Внедряется технология производства фосфорных удобрений из шлаков черной металлургии. Этим достигаются сразу две цели: отходы одного производства становятся сырьем для другого, а полученные удобрения помимо фосфора содержат еще известь и микроэлементы, которые тоже нужно вносить в почву для повышения урожайности. Мощной отраслью химической промышленности является производство азотных удобрений. У нас в стране в год производится около 7 млн т азотных удобрений, на что тратится около трети всех энергозатрат промышленности, работающей на сельское хозяйство. В то же время клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, фиксируют атмосферный азот, переводя его в усвояемую растениями форму за счет солнечной энергии. При этом соединения азота используются растением полностью. Они не вымываются из почвы и не при- водят к бурному развитию в водоемах водорослей, как это бывает при использовании обычных минеральных удобрений. Сейчас ученые, привлекая методы генной инженерии, пытаются вывести азотфиксирующие микроорганизмы, которые могли бы жить в симбиозе не только с бобовыми растениями. В более дальней перспективе есть надежда даже ввести гены азотфик-сации непосредственно в сельскохозяйственные культуры. Это дало бы огромную экономию сырья и энергии. В союзе с биологами, используя методы биотехнологии, химики работают над созданием и внедрением в практику животноводства белковых искусственных кормов для сельскохозяйственных животных. Одна из главных целей этих исследований — производить кормовой белок не из углеводородов нефти, а из менее дефицитного сырья: природного газа, метанола, отходов сельского хозяйства, лесной и пищевой промышленности. Например, из опилок можно получать биомассу с содержанием белка до 20%. Важно, что микробиологический синтез позволяет получать белок с высоким содержанием самых ценных (незаменимых) аминокислот. Еще одна важная задача, стоящая перед химиками, — разработка прямых методов синтеза особо ценных в составе кормов веществ, в частности некоторых аминокислот и витаминов. Современные химические средства защиты растений — пестициды — включают инсектициды, убивающие вредных насекомых, фунгициды — вещества, применяемые для борьбы с грибковыми заболеваниями растений, гербициды, подавляющие сорную растительность, и другие препараты. По объему производства пестицидов Советский Союз стоит на втором месте в мире. Сейчас усилия исследователей направлены на создание пестицидов нового поколения, более эффективных и потому потребляемых в меньших дозах (десятки грам,мов на гектар вместо килограммов — как пестициды старшего поколения). Они обладают более направленным действием и потому менее опасны для людей и сельскохозяйственных животных. Созданы пестициды, разлагающиеся в почве через несколько дней и даже часов после применения и потому наносящие гораздо меньший ущерб окружающей среде, нежели применяемые до сих пор. Для защиты растений от вредителей начинают применяться феромоны — вещества, ничтожные дозы которых привлекают насекомых, например самцов определенного вида; нх можно таким образом заманить в ловушки и уничтожить. Другие препараты вносят аномалии в поведение животных, препятствуя их размножению. Ценность такого рода препаратов заключается в том, что они действуют избирательно на данный вид вредителей, не трогая полезных насекомых. Создание и внедрение в практику новых химических средств защиты растений — задача непростая. Это, как правило, вещества, по сложности структуры сходные с современными фармацевическими препаратами. Их синтез многостадиен. Из огромного количества веществ, предлагаемых в качестве новых пестицидов, к практическому использованию после тщательных испытаний допускаются лишь единицы. Задачи, стоящие перед химиками, работающими в этой области, включают разработку наиболее экономичных методов синтеза как самих пестицидов, так и веществ, служащих исходными для их производства, повышение селективности действия препаратов, уменьшение нежелательных побочных эффектов от их применения, организацию контроля над их применением. Химики создают и впредь будут создавать все новые и новые материалы со специфическими свойствами, требующиеся для самых различных областей науки, техники, быта. В настоящее время большая часть органического синтеза использует в качестве исходного сырья нефть. В будущем нефть в значительной степени будет заменена на уголь, в связи с чем наряду с нефтехимией важное значение приобретает углехимия. Химики интенсивно трудятся и над созданием новых неорганических материалов. Уже сейчас изготовлены образцы изделий, в которых цемент успешно заменяет такой материал, как фарфор. Получен даже цемент, изделия из которого обладают значительной гибкостью. В большом масштабе в технике применяются так называемые композиционные материалы (композиты), представляющие собой такое сочетание веществ с разными свойствами, при котором образуется новый материал с исключительно ценными техническими качествами. Так, материал, полученный направленной кристаллизацией бора в алюминии( волокна бора встраиваются в «матрицу» из алюминия), находит применение там, где требуется высокая прочность в сочетании с легкостью, например в авиации. Роль химической науки, химизации производства и быта, неуклонно возраставшая в ходе НТР, будет повышаться и в будущем. Но на данном этапе развития цивилизации появились и новые задачи, связанные с масштабами химического обмена веществ между обществом и природой. Еще академик А. Е. Ферсман писал, что человек геохимически переделывает мир. В настоящее время производственная деятельность люден охватывает почти все вещество биосферы, она сильно влияет на общепланетарный обмен веществ, выходя даже за пределы земной атмосферы в космос. Этот искусственный обмен веществ стал по своему объему и геологическим последствиям сравним с естественными процессами в масштабах планеты. В связи со столь большими масштабами использования вещества и энергии возникает необходимость перехода химизации производства на качественно новый уровень, отвечающий закладываемым сейчас основам цивилизации XXI века. В ближайшем будущем должен стать объектом сознательного управления, на научной основе, химизм систем, включающих громад- ные массы вещества: большие водные системы, такие как бассейны больших рек, водохранилищ, даже отдельных морей, воздушные бассейны целых районов, почвенные системы и т. д. Столь сложная и многогранная проблема требует для своего решения усилий самых разных специалистов, занятых в естественных, технических, общественных науках. И, конечно, огромная роль в изучении, контроле и управлении столь большими массами вещества принадлежит химической науке и химической технологии. Раздел I ОБЩАЯ ХИМИЯ Г л а в а 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ § 1. ПРЕДМЕТ ХИМИИ Химия изучает вещества и их превращения, явления, сопровождающие эти превращения, и законы, управляющие ими. Среди веществ, которые нас окружают, следует различать индивидуальные вещества и смеси. Последние содержат более одного индивидуального вещества. Каждое индивидуальное вещество характеризуется составом (из каких элементов оно состоит и в каких соотношениях находятся эти элементы), строением (как атомы этих элементов расположены в пространстве л связаны между собой) и свойствами, причем свойства вещества определяются его составом и строением. Различают качественный (из каких элементов) и количественный (в каких соотношениях) состав вещества. Изучение состава, строения и свойств веществ, как природных, так и созданных человеком, позволяет объяснить, как именно состав и строение влияют на свойства вещества, а значит, предсказывать свойства вещества на основании его состава и строения, а также создавать новые вещества, новые материалы с заранее заданными свойствами. Явления, при которых из одних веществ получаются другие, отличающиеся от исходных своим составом, называются химическими явлениями, или химическими реакциями. Химические явления следует отличать от физических, при которых не происходит превращения одних веществ в другие, а меняется лишь форма или физическое состояние вещества. Если образование одних индивидуальных веществ из других — химическое превращение, то образование смеси из двух или более индивидуальных веществ — физическое превращение. § 2. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ Представим себе, что мы уменьшаем количество некоторого вещества, подвергая его образец делению. До каких пор можно осуществлять такое деление? Этот вопрос ставился людьми с древнейших времен. Ответ на него был получен в конце XVIII — начале XIX века, в эпоху становления химии на научную основу, и составил суть атомно-молекулярной теории, или атомно-молекулярного учения. В настоящее время эта теория является основой всего естествознания. Последующее развитие науки, расширившее наши представления о строении вещества, в целом подтвердило правильность атомно-молекулярного учения. Основные положения атомно-молекулярной теории состоят в следующем. Все вещества состоят из химически неделимых частиц — атомов. В свою очередь, атомы могут соединяться между собой, образуя молекулы — частицы, состоящие из разного числа атомов. В противоположность атомам молекулы химически делимы. Химические реакции представляют собой разрушение одних молекул и образование других. Таким образом, молекулы являются наименьшими частицами индивидуального вещества, сохраняющими его химические свойства, его химическую индивидуальность. Например, молекула воды содержит дза атома водорода и один атом кислорода и обладает характерными химическими •свойствами индивидуального вещества воды. Даже отдельные молекулы воды, содержащиеся в ее парах, будут реагировать с оксидом натрия. Химическим путем можно разложить воду па водород и кислород, при этом образуются двухатомные молекулы водорода и кислорода. Химические свойства последних будут иными, нежели химические свойства молекулы воды. Атомы же кислорода и водорода при разложении воды, как н при всяком химическом превращении, сохранятся — они лишь войдут в состав других молекул. Все молекулы одного вещества одинаковы, но отличаются от молекул любого другого вещества своим составом и строением. Состав и строение, как мы уже упоминали, определяют свойства молекулы и вещества в целом. Напротив, свойства веществ, состоящих из разных молекул, будут разными. При физических превращениях, таких как плавление, испарение веществ, молекулы не разрушаются, как в случае химических реакций. В жидком и твердом состояниях (их объединяют под общим названием «конденсированные состояния») не все вещества состоят из молекул. Например, нет отдельных .молекул в кристаллах алмаза или оксида кремния — эти кристаллы составлены атомами, связанными между собой столь же прочными химическими связями, как атомы в молекуле. А кристаллы или расплав хлорида натрия состоят нз заряженных частиц — ионов. Следовательно, определение молекулы как наименьшей частицы вещества, сохраняющей его химические свойства, справедливо лишь для тех веществ, которые состоят из молекул. КОНЕЦ ФРАГМЕНТА УЧЕБНИКА |
