Основы общей химии

PDF

      Дорогие читатели!
      Объем информации, которой располагает человечество, постоянно увеличивается, и вы ощущаете это на себе. Чтение статей в научно-популярных журналах, телевидение, радио и кино все более обогащают вас информацией о последних достижениях пауки и техники. Естественно, в этом отношении вы сильно отличаетесь от предшествующего поколения.
      Но информация и знание не одно и то же. Научные сведения, которыми располагают многие из вас, поверхностны и не могут заменить систематических и глубоких знаний. Такие знания в объеме, определенном программами, призвана давать школа. Но у некоторых из вас уже появился интерес к какому-нибудь конкретному предмету — литературе или математике, физике или химии. Настоящая книга и призвана удовлетворить запросы тех из вас, кого более всего интересуют естественные науки, в частности химия и физика. В этой книге дано систематическое, доступное изложение основ химии. При этом предполагается, что вы владеете материалом школьного учебника.
      Современная химия очень обширна и состоит из многих дисциплин, включая физическую, органическую, неорганическую, аналитическую химию. В этой книге рассмотрены наиболее основные химические законы и понятия, составляющие предмет общей химии.
      Книга начинается с разделов, в которых описан путь, пройденный химией, прежде чем она приобрела современные контуры. Большое внимание уделено природе химической связи, объединяющей атомы в молекулы и определяющей свойства простых и сложных веществ. Далее рассказывается о кинетике и энергетике химических реакций, о химическом равновесии и химии растворов. В заключение дан обзор свойств неметаллов и металлов на основе периодической системы Д. И. Менделеева, отражающей периодичность заполнения электронами энергетических состояний атомов при переходе от одного элемента к другому.
      Хотелось бы надеяться, что эта книга поможет вам углубить свои знания в химии и определить выбор будущей специальности.
     
      Глава I
      ИСТОРИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ.
      ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ и понятия ХИМИИ
     
      § 1. ПОЯВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ АТОМИСТИКИ
     
      Среди понятий, используемых современной наукой, одним из важнейших является понятие атомов. Греческое слово «атом» означает «неделимый», что, как мы теперь знаем, справедливо лишь при химических превращениях. Но хотя зародившееся в глубокой древности представление об атомах как первичных частицах мироздания изменилось, оно сыграло огромную роль в развитии естествознания.
      Родина атомистики (так назвали учение об атомах) точно не установлена. Первые сведения о ней можно встретить уже в трудах древнеиндусских философов (VI в. до и. э.), однако в наиболее стройном виде она была сформулирована философами Древней Греции (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Ее основные положения:
      1) Все существующее состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов и пустоты.
      2) Атомы находятся в непрерывном и самопроизвольном движении.
      3) Реальные свойства тел определяются многообразием формы, размера и порядка расположения атомов, которые сами по себе неизменны и существуют вечно.
      4) Любые явления, происходящие в природе, есть результат соединения или разъединения атомов.
      5) Из ничего ничто произойти не может.
      Последнее положение по существу выражает идею закона сохранения материи.
      Греческая атомистика сыграла большую роль в истории человечества. Крупнейший физик современности Н. Борн писал, что нынешнее поколение как раз собирает урожай, посеянный греческими атомистами. Отстаивая реальность существования атомов, атомистика была глубоко чужда идеалистическим представлениям и религиозным догмам. Не случайно в период средневековья и алхимии за атомистические воззрения люди расплачивались жизнью. Вместе с тем атомистика древних греков была слабо связана с естествознанием, которое делало в то время лишь первые робкие шаги. Разумеется, во времена древних греков нельзя было и думать об экспериментальном доказательстве существования атомов. Из-за абстрактности и отсутствия связи с фактическими знаниями, полученными гораздо позже, античная атомистика не оказала заметного влияния на развитие науки о веществе. Последовавшее за этим тысячелетнее засилье мракобесия и религии привело к тому, что атомистика была предана забвению и возродилась лишь в XVII в. на качественно новом уровне.
      Среди тех, кто способствовал рождению новой, так называемой химической атомистики, видное место занимает Роберт Бойль (XVII в.), положивший начало принципиально иному методу научного творчества. Р. Бойль считал, что в химии любой теории должен предшествовать опыт, непосредственные наблюдения веществ и их превращений. Он установил, что свойства веществ зависят от состава, а потому важнейшая задача химии — установить его, разложив вещества на составные части — элементы. Под элементами Р. Бойль понимал те простейшие тела, из которых составлены сложные тела и которые получают при разложении последних. Он впервые попытался применить атомистику к реальным химическим процессам, превратив ее из абстрактной теории в инструмент научного познания.
      Важнейший вклад в развитие химической атомистики внес великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов, корпускулярная теория которого явилась прообразом атомно-молекулярного учения. В отличие от предшественников М. В. Ломоносов ввел представление о двух качественно различных видах частиц материи — об атомах, взаимодействием которых обусловлены химические превращения, и молекулах, движение которых лежит в основе физических процессов. Основные положения этой теории следующие;
      1) Атом есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся между собой тел.
      2) Молекула1 есть собрание атомов в одну незначительную массу.
      1 В трудах М. В. Ломоносова молекулы были названы корпускулами, отсюда корпускулярная теория строения вещества.
      3) Молекулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же атомов, соединенных одинаковым образом.
      4) Молекулы разнородны, если составляющие их атомы различны и соединены различным образом или в различном числе (последнее утверждение является прообразом будущей теории химического строения).
      В трудах М. В. Ломоносова прямо указывается на различие атомов по массе, хотя слабое развитие экспериментальной химии в середине XVIII в. лишало его возможности подтвердить на опыте этот вывод.
      Задание 1
      Укажите, чем корпускулярная теория М. В. Ломоносова отличается от атомистики древних греков.
     
      § 2. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ
     
      Исключительное значение для развития химии имел открытый М. В. Ломоносовым закон сохранения массы. Благодаря ному удалось избавиться от почти векового господства так иалыпагмой флогистонной теории, утвердившейся в период интенсивного развития металлургии (конец XVIII в.) в связи с потребностью oCn«‘.ic-нить процессы горения, окисления и восстановления. Согласно флогистонной теории все горючие вещества и металлы содержат в своем составе особое вещество — флогистон, которое улетучивается при горении и окислении, например:
      железо = окалина + флогистон
      А чтобы окалину превратить снова в металл, ее следует нагревать совместно с веществом, богатым флогистоном, например углем:
      окалина + флогистон = железо
      Сторонников теории флогистона не смущало то обстоятельство, что при горении металлов происходит увеличение массы. Они утверждали, что флогистон обладает особой! легкостью и в противоположность от всех других тел не притягивается к земле, а отталкивается от нее. Поэтому тела, присоединяя флогистон (при восстановлении), теряют в массе, а отдавая флогистон (при окислении), становятся тяжелее. Любопытно, что на начальных этапах, несмотря на ошибочность, теория флогистона сыграла положительную роль, позволив естествознанию избавиться от алхимии и бесплодных поисков некоего философского камня, превращающего неблагородный металлы в золото. Однако флогистонная теория, давая неправильные объяснения химических процессов, стала тормозом на пути развития химии.
      Научная теория горения была создана М. В. Ломоносовым на основании опытов по прокаливанию металлов в запаянных сосудах. Он установил, что если сосуд взвесить до и после реакции (до и после прокаливания), не вскрывая его, то масса остается без изменения. При вскрытии же нагретого сосуда масса увеличивается за счет соединения металла с воздухом, проникающим в сосуд. Широко используя весы для количественных наблюдений химических реакций, русский ученый пришел к выводу, который в настоящее время формулируется следующим образом:
      Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
      Это положение, получившее название закона сохранения массы, стало важнейшим орудием в руках экспериментаторов, позволившим строго контролировать осуществляемые ими химические превращения.
      Следует отметить, что закон сохранения массы является следствием закона сохранения материи и движения, сформулированного М. В. Ломоносовым как всеобщий естественный закон: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому: так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения»1. При этом под материей М. В. Ломоносов фактически понимал вещество, а мерой его количества считал массу.
      Следующим шагом в развитии химии явилось открытие стехиометрических законов, включая постоянство состава, закон эквивалентов и закон кратных отношений. Именно они способствовали окончательному утверждению в химии атомно-молекулярного учения.
     
      Задание 2
      1. Экспериментально найдено, что при взаимодействии 1,07880 г серебра и 0,35457 г хлора образуется 1,43337 г хлорида серебра. Докажите, что закон сохранения массы веществ соблюдается.
      2. При нагревании известняк разлагается на оксид кальция и оксид углерода (IV). Определите массу газа, выделившегося при прокаливании 200 г чистого известняка, если в результате образовалось 112 г оксида кальция.
      3. Метан СН4 сгорает на воздухе с образованием воды и оксида углерода (IV). Для сгорания 100 г метана необходимо 400 г кислорода. При этом образуется 225 г воды. Сколько получается оксида углерода (IV)?