Химия. Справочные материалы

Книга для учащихся старших классов

*** 1989 ***

DjVu

 

От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..

Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..

Под редакцией академика Ю. Д. Третьякова Авторы: Ю. Д. Третьяков, Н. Н. Олейников («Общая химия»), Я. А. Кеслер («Неорганическая химия»), И. В. Казимирчик («Химическое производство») Оглавления и фрагменты:       ОБЩАЯ ХИМИЯ             Первоначальные химические понятия 4       Атомно-молекулярное учение в химии и основные химические законы 12       Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева 19       Химическая связь. Строение вещества 31       Химическая энергетика 45       Химическая кинетика и химическое равновесие 51       Химия растворов 63       Окислительно-восстановительные реакции 76             ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ       § 1. ПРЕДМЕТ ХИМИИ       Важнейшим разделом современного естествознания является химия — наука о веществах и превращениях их друг в друга.       Химия имеет огромное значение в жизни общества. Без достижений химии были бы невозможны такие завоевания человечества, как освоение космического пространства и использование атомной энергии в мирных целях. В «Комплексной программе химизации народного хозяйства СССР на период до 2000 года» сказано, что большая роль в развитии нашей страны отводится «комплексной химизации народного хозяйства, которая является необходимым условием достижения перспективных социально-экономических целей: неуклонного роста эффективности общественного производства, ускорения научно-технического прогресса, повышения производительности общественного труда, успешного претворения в жизнь Продовольственной программы СССР, Энергетической программы СССР, Комплексной программы развития производства товаров народного потребления и сферы услуг, улучшения условий жизни советского народа, укрепления экономической и оборонной мощи нашей страны» (Комплексная программа химизации народного хозяйства СССР на период до 2000 года.— М., Политиздат, 1985.— С. 3—4).       Химия играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К их числу относятся:       1) синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач будущего;       2) увеличение роста эффективности искусственных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственной продукции и проблема синтеза продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;       3) разработка и создание новых источников энергии;       4) охрана окружающей среды;       5) выяснение механизма важнейших биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях;       6) освоение огромных океанических источников сырья.       Приведем лишь наиболее яркий пример, свидетельствующий о значении достижений химии в одной из перечисленных областей. Речь пойдет о синтезе материалов, обладающих сверхпроводимостью, которая заключается в исчезновении у проводника электросопротивления при температурах Т меньших критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс. К 1986 г. было исследовано огромное число химических композиций и достигнута рекордная температура: Тс = 23,3 К. Практическое использование этого явления сулит много заманчивого. Так, например, одна только замена обычных проводников на сверхпроводники в мощных линиях электропередач позволила бы сэкономить те 10—15% электроэнергии, которые мы теряем при ее транспортировке из-за выделения теплоты при протекании электрического тока по обычным проводникам. Однако до сего времени столь очевидное использование явления сверхпроводимости сдерживалось ограниченными возможностями получения больших количеств жидкого гелия (Ткип = 4,2 К), необходимого для поддержания сверхпроводящего состояния.       И вот, в 1986—1987 гг. учеными ряда стран были получены уникальные оксидные материалы, которые, подобно металлам, характеризуются низким сопротивлением при комнатной температуре, но обладают сверхпроводимостью уже при 90—100 К! И это, по-видимому, далеко не предел. Важность этого открытия заключается в том, что состояние сверхпроводимости в уже синтезированных материалах может быть технически реализовано при температуре кипения жидкого азота —Ткип = 77,3 К. Для понимания масштабов открывающихся перед наукой и техникой возможностей приведем две цифры: среднее содержание азота в воздухе составляет 78,1% по объему, а гелия — 4,6*10_4%. Кроме того, работа криогенных установок для получения жидкого азота, функционирующих при температурах около 70 К, обходится намного дешевле, чем работа аналогичной аппаратуры для получения жидкого гелия.       Следовательно, уже в ближайшее время может начаться реальное техническое освоение явления сверхпроводимости и мы можем стать свидетелями революционных изменений технических возможностей человечества, базирующихся на крупных достижениях химической науки.                   НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ             Введение 94       Водород. Вода 97       Галогены 102       Подгруппа кислорода 109       Подгруппа азота       Подгруппа углерода 129       Химия металлов 141       Щелочные металлы 142       Щелочноземельные металлы 146       Элементы III группы периодической системы Д. И. Менделеева 150       Химия переходных металлов 154             ВВЕДЕНИЕ             § 31. ПРЕДМЕТ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ химии       Неорганическая химия изучает химические элементы и их соединения (кроме большинства соединений углерода, рассматриваемых в органической химии).       История развития неорганической химии тесно связана с общей историей химии. Основным законом неорганической химии является периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым (с. 20 и далее).       С середины 20-х годов XX в., после открытия всех устойчивых элементов, основное внимание в неорганической химии уделяется составу и строению химических соединений, изучению природы химической связи. Синтезируются новые классы неорганических соединений, например соединения благородных газов (II. Бартлетт, 1962 г.), соединения внедрения на основе графита и др.       Основные задачи современной неорганической химии: изучение строения неорганических соединений, установление связи их строения со свойствами и реакционной способностью, разработка методов синтеза и глубокой очистки.       Неорганические соединения находят широкое применение как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, строительства, энергетики, сельского хозяйства и транспорта, включая космическую технику (металлы, сплавы, цемент, стекло, керамика), как удобрения и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические препараты.       Неорганические соединения вместе с органическими полимерами послужили основой для создания целого ряда принципиально новых композиционных материалов (композитов).             § 32. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ       Все химические элементы традиционно делят на металлы и неметаллы.       Условная граница между металлами и неметаллами проходит по диагонали бор — астат в коротком варианте периодической таблицы элементов: металлы расположены слева, а неметаллы — справа от условной границы. Приграничные элементы (например, германий) занимают промежуточное положение, проявляя свойства как металлов, так и неметаллов.       К металлам относят электроположительные элементы, способные сравнительно легко отдавать электроны и образовывать катионы в растворах, к неметаллам — электроотрицательные элементы, способные сравнительно легко присоединять электроны и образовывать       анионы. Следовательно, неметаллами являются элементы главных подгрупп: благородные газы, галогены, халькогены (кроме полония), азот, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор и водород. Все остальные элементы — металлы.       Традиционное деление элементов на металлы и неметаллы исторически возникло из-за того, что простые вещества, образованные атомами элементов-металлов, как правило, находятся в металлическом состоянии и проявляют металлические свойства (высокую электро-и теплопроводность, блеск и т. д.), а простые вещества, образованные атомами элементов-неметаллов, при нормальных условиях этими свойствами не обладают. Однако в других условиях свойства простых веществ могут быть совершенно иными. Например, «типичный» металл натрий в газообразном состоянии образует молекулы Na2 с ковалентной связью, подобно Нг, а пары натрия не реагируют с парами воды. Почти так же любое вещество при определенном давлении может быть переведено в металлическое состояние, в том числе простые вещества, образованные атомами элементов-неметаллов.       Металлическое состояние вещества характеризуется наличием электронного газа, т. е. совокупности электронов, обобществленных совокупностью атомных остовов и способных перемещаться в пространстве между ядрами без значительных энергетических затрат. В этом случае наблюдается высокая электрическая проводимость, уменьшающаяся с повышением температуры. В противоположность металлическому состоянию вещества в изолирующем (диэлектрическом) или полупроводниковом состоянии имеют сравнительно низкую электрическую проводимость, увеличивающуюся с повышением температуры. Физически изоляторы и полупроводники качественно не различаются, отлична лишь энергия, требуемая для возбуждения связанного валентного электрона в проводящее состояние.       Таким образом следует различать понятия «металл как химический элемент» (по традиционной классификации) и «металл как вещество, находящееся в металлическом состоянии» (в физическом смысле).       Для некоторых групп химических элементов применяют групповые названия: благородные газы, галогены, халькогены, щелочные элементы, щелочноземельные элементы и т. д.       Элементы главных подгрупп I и II групп в соответствии с их электронным строением называют также s-элементами, элементы главных подгрупп III—VII групп — p-элементами, элементы побочных подгрупп, кроме лантаноидов, — d-элементами, лантаноиды — f-элементами.                   ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО             Химизация народного хозяйства и развитие химической промышленности в СССР 162       Общие научные принципы химического производства 164       Сырье 167       Энергетика химической промышленности 169       Материалы в химической промышленности 174       Основные химические производства 178       Охрана окружающей среды 196       Химические специальности 200       Приложение 203       Литература 223             ХИМИЗАЦИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В СССР       Химизация — это внедрение достижений химии в народное хозяйство с целью ускоренного развития производительных сил, повышения эффективности общественного производства и создания условий для удовлетворения материальных и культурных потребностей социалистического общества. Проблема химизации народного хозяйства в СССР была впервые поставлена В. И. Лениным, который указывал на необходимость всемерно развивать химическую промышленность как условие успешного развития социалистической экономики. Химизация народного хозяйства имеет двоякое значение. Во-первых, она усовершенствует технологию производственных процессов, заменяя механические операции химическим воздействием. Во-вторых, химия вообще и химия полимеров и керамики в частности являются важнейшим источником дешевого сырья и новых материалов. Химизация народного хозяйства включает:       1) широкое использование химических процессов во всех отраслях материального производства;       2) использование в промышленности и строительстве синтетических материалов и пластмасс вместо цветных металлов, сплавов и природных материалов;       3) развитие производства минеральных удобрений и химических средств защиты растений;       4) замену природных материалов и пищевого сырья, расходуемых химической промышленностью на синтетические продукты;       5) развитие химических производств для нужд здравоохранения;       6) использование химических продуктов и синтетических материалов в производстве товаров широкого потребления.       На рисунке представлена структура отраслей народного хозяйства СССР с примерной долей химических производств в каждой из них.       В 1985 г. в нашей стране принята Комплексная программа химизации народного хозяйства СССР на период до 2000 года, которая предусматривает:       — обеспечение потребностей народного хозяйства в химической продукции, соответствующей требованиям научно-технического прогресса;       — ускоренное развитие отраслей химической индустрии;       — повышение эффективности использования химической продукции за счет комплексного применения, рационального сочета-       ния с традиционными материалами и расширение сфер ее потребления в различных отраслях народного хозяйства;       — ускорение внедрения химических процессов и методов переработки природного, промышленного, сельскохозяйственного и вторичного сырья, утилизацию отходов для более полного извлечения полезных компонентов» (Комплексная программа химизации народного хозяйства СССР на период до 2000 года.— М.: Политиздат, 1985.— С. 6).       Основу химизации народного хозяйства составляет химическая промышленность. Поэтому темпы ее развития в нашей стране опережают темпы роста промышленного производства в целом.       Комплексной программой химизации предусматривается увеличение объема производства химической продукции в двенадцатой пятилетке на 130—131% по сравнению с 1985 г., а в последующее десятилетие — почти в 2 раза по сравнению с 1990 г., что позволит довести объем выпуска химической продукции в общем промышленном производстве до 8%.       В таблице 32 представлена информация о темпах роста производства важнейших химических продуктов и материалов.       Таблица 32. Производство важнейших продуктов химической промышленности в СССР             ОБЩИЕ НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА       Научную основу химической промышленности составляет химическая технология.       В буквальном смысле слово «технология» означает учение о мастерстве. Однако многие, и не случайно, понимают под технологией последовательность производственных операций, позволяющих сырье превратить в целевой продукт. Некоторые вкладывают в тер-       мин «технология» еще более широкий смысл, отождествляя его с последовательностью (алгоритмом) действий в любой области.       Если же говорить о химической технологии, то наиболее емкое определение было дано Д. И. Менделеевым почти 100 лет назад: «Технология — учение о выгодных (т. е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природных продуктов в продукты, потребные для применения в жизни людей... Дело, например, химии изучать получение железа из его руд.., а дело технологии изучить выгоднейшие для этого способы, выбрать из возможностей наиболее приемлемую по выгодности — к данным условиям времени и места...» (Брокгауз Ф. А., Ефрон И. А. Энциклопедический словарь.— С.-П., 1901.— Т. 33.— С. 132). Обратите внимание, что главным является не просто получение целевого продукта, чем мог бы довольствоваться химик-исследователь, а массовое получение продукта при минимальных затратах ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капиталь-ных вложениях и минимальном ущербе для человека и окружаю-щей природной среды.       В настоящее время под химической технологией мы понимаем важнейшую область знаний в практической деятельности, которая охватывает вопросы управления процессами химической переработки сырья в целевые продукты, выбранными на основании фундаментальных физико-химических закономерностей с учетом экономических и социальных факторов, ресурсообеспечения и необходимой безопасности производства. Длительное время считали, что основу химической технологии составляют сырье, энергия и аппаратура. В настоящее время выделяют по меньшей мере 10 элементов химической технологии. К ним относятся:       1) физикохимия процесса и поиски оптимальных физико-химических условий его осуществления;       2) сырье, основные и побочные продукты, отходы производства;       3) энергетика процесса, условия максимального полезного действия энергии;       4) аппаратура, среди которой наиболее важны химические реакторы, аппараты для осуществления химико-технологических процессов;       5) материалы аппаратуры и средства их защиты от коррозии, создание новых материалов;       6) аналитический контроль и управление процессом (включая автоматизацию и управление ЭВМ);       7) организация и охрана труда;       8) защита окружающей среды и создание экотехнологии, т. е. технологии, при использовании которой химическое производство не наносит ущерба окружающей среде;       9) экономика производства, включая капиталовложения, производительность труда и себестоимость продукции;       10) развитие принципиально новых химико-технологических процессов, в том числе с использованием экстремальных воздействий (космическая технология, радиационные, плазмохимические, крио-химические процессы).       В современных химических производствах широко используются общие технологические принципы: непрерывность процесса, про-       тивоток, утилизация теплоты реакции (благодаря теплообмену), комплексное использование сырья и отходов производства.       Процессы бывают непрерывные, периодические и циркуляционные. В непрерывных процессах исходное сырье непрерывно подается в реакционный аппарат, а продукты химического взаимодействия отводятся из аппарата (с. 183). Принцип непрерывности используется в производстве чугуна, при обжиге извести, в контактном способе производства серной кислоты, при синтезе аммиака и в производстве водяного газа.       В периодическом (прерывном) процессе стадии смешивания реагирующих веществ, химического взаимодействия и выделения продуктов реакции, составляющие цикл, следуют друг за другом и периодически повторяются через определенные промежутки времени. В каждом цикле условия протекания реакции непрерывно изменяются, так как с течением времени концентрация исходных веществ уменьшается, что ведет к снижению скорости реакции, изменению температуры и т. д. Вследствие этого периодические процессы менее производительны. Их используют в производстве стали, кокса, многих органических красителей, взрывчатых веществ, соляной кислоты и других химических продуктов.       В современной химической промышленности стремятся (там, где это возможно) перейти от периодических к непрерывным способам производства. Например, периодический способ получения анилина путем восстановления нитробензола чугунной стружкой с соляной кислотой в настоящее время заменен непрерывным методом — каталитическим гидрированием нитробензола водородом.       Некоторые процессы производста осуществляются полунепрерывным путем. Например, в коксохимическом производстве коксование — периодический процесс, а переработка коксового газа — непрерывный.       В циркуляционном (циклическом) процессе реакционная смесь, покидающая реактор, разделяется. Непрореагировавшие исходные смеси после обогащения реагентами снова направляют в аппарат (с. 189). Применение циркуляционного принципа способствует более полному использованию сырья и позволяет значительно повысить производительность процесса (с. 184).       В химической технологии осуществляются следующие принципы.       Принцип противотока. Противотоком называется противоположно направленное движение взаимодействующих веществ.       Движение веществ в одном и том же направлении носит название прямотока (схема 1):       Противоток (схема 2) применяют для реализации оптимальных условий массо- и теплообмена (проведение химических реакций, поглощение газов, растворение твердых тел, охлаждение продуктов реакции, нагревание исходных веществ и т. д.).       Принцип кипящего слоя, или псевдоожижения. Для образования кипящего слоя, или псевдоожижения, газообразные реагенты       продувают через отверстия снизу аппарата, а находящиеся в нем твердые исходные вещества при этом как бы кипят, находясь все время во взвешенном состоянии. Этот принцип получил широкое распространение в химической промышленности для интенсификации гетерогенных процессов, т. е. химического или физического взаимодействия веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (обжиг пирита в производстве серной кислоты, каталитический крекинг нефтепродуктов, сушка влажных материалов, сорбция из газоЕых смесей и растворов и т. д.).       Пр«шцип утилизации теплоты реакции. Утилизация теплоты реакции, т. е. использование выделяющейся при химических взаимодействиях теплоты для подогрева исходного сырья или дальнейшей тепловой обработки образующихся продуктов, позволяет резко снижать производственные энергетические затраты. Например, в производстве чугуна в домну подают воздух, нагретый за счет теплоты происходящих реакций.       Принцип использования производственных отходов (комплексное использование сырья, безотходная технология). Превращение отходов в побочные продукты производства позволяет полнее использовать сырье, что в свою очередь снижает стоимость продукции и предотвращает загрязнение окружающей среды. Например, из полиметаллических сульфидных руд при комплексной переработке получают цветные металлы, серу, серную кислоту и оксид железа (III) для выплавки чугуна. Комплексное использование сырья служит основой комбинирования предприятий. При этом возникают новые производства, перерабатывающие отходы основного предприятия, что дает высокий экономический эффект и является важнейшим элементом химизации народного хозяйства.       Организация химического производства — процесс чрезвычайно трудоемкий. Необходимо решить много проблем, связанных с выбором сырья и способов его подготовки, определить оптимальные физико-химические параметры ведения химико-технологического процесса (температура, давление, применение катализатора и т. д.). Современное химическое предприятие характеризуется высокой степенью автоматизации.       KOHEЦ ФPAГMEHTОВ КНИГИ