Химия

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Современная промышленность, строительство, транспорт, связь, энергетика, сельское хозяйство и медицина используют почти все химические элементы и их соединения.
      Проблема создания химических материалов является самой важной в революционном преобразовании радиоэлектронной и ракетной техники, строительной техники, машиностроения и приборостроения, транспорта и техники связи.
      Создание все более и более совершенной аппаратуры для искусственных спутников земли и космических кораблей ставит новые проблемы перед химией и химической промышленностью в создании полимерных и полупроводниковых материалов, не меняющих свойств в широком температурном интервале и устойчивых к радиации.
      Новые достижения химии в получении сверхчистых монокристаллов привели к созданию транзисторной техники.
      Новые достижения химии в производстве ферритов открыли пути развития кибернетической и радиолокационной техники.
      В паши дни химическая технология, постепенно вытесняя из большинства отраслей промышленности механическую технологию, открывает большие перспективы в повышении производительности общественного труда.
      Химия создает новые формы минеральных удобрений и новые средства селекции для получения высокоурожайных видов сельскохозяйственных растеий.
      Большой вклад внесла химия в познание процессов, протекающих в живой материи, и законов наследственности.
      Химические вещества и их превращения подчиняются периодическому закону химических элементов Д. И. Менделеева и теории химического строения А. М. Бутлерова.
      Важнейшие разделы химии — электролитическая диссоциация, окислительно-восстановительные реакции, электролиз, коррозия металлов — тесно увязаны авторами с теми сведениями, которые учащиеся получили в средней школе по физике.
      В пособии кратко излагаются все вопросы программы по химии для поступающих в вузы и приведены решения задач по всем ее разделам. Настоящее пособие обобщает на новой основе материал по химии средней школы и является переходной ступенью к изучению курса химии в высшей школе.
      Разделы «Основные законы и понятия химии» и «Неорганическая химия» написаны кандидатом химических наук А. Л. Мака-реня, раздел «Органическая химия» написан кандидатом химических наук П. М. Завлиным.
      В пособии учтен опыт преподавания химии на подготовительных курсах Ленинградского университета имени А. А. Жданова и Ленинградского электротехнического института связи имени профессора М. А. Бонч-Бруевича.
      Редактор и авторы благодарны рецензентам проф. В. И. Семишину, кафедре методики преподавания химии ЛГПИ им. А. И. Герцена (зав. каф. проф. А. Д. Смирнов), а также проф. Я. М. Слободину, доц. Я. М. Веприку, В. Е. Майоровой, канд. хим. наук. В. И. Артемьеву, засл. учительнице школ РСФСР К. Г. Колосовой за ценные замечания по рукописи.
      Замечания и советы, направленные на улучшение пособия просьба присылать в адрес издательства «Высшая школа».
      Профессор В. В. Разумовский
     
      ЧАСТЬ I
      ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ и понятия ХИМИИ
     
      ВВЕДЕНИЕ
      Физика и химия являются основными науками о строении и свойствах материи. Еще несколько десятков лет назад великий русский ученый Д. И. Менделеев писал: «Недалеко то время, когда знание физики и химии будет таким же признаком и средством образования, как за сто, двести лет тому назад считалось знание классиков. Они (физика и химия — Авт.) составляют в наше время одно из средств успеха во всех отраслях знаний и их применений». На наших глазах оправдываются эти слова. Содружество двух наук привело к раскрытию строения атома, созданию атомной энергетики, полупроводниковой техники, к замечательным открытиям в области синтетических материалов (неорганических — искусственные алмазы, полупроводники и др.; органических — каучуки, пластмассы, волокна; элементоорганических — неорганические каучуки, силоксаны и т. п.).
      Изучение химических явлений невозможно без основных представлений о строении вещества (атомно-молекулярное учение, учение о строении атомов и теория химической связи). Фундаментом при изучении свойств неорганических соединений служит периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, а при изучении свойств органических соединений — теория А. М. Бутлерова о строении органических соединений. Только глубокое осмысление этих основных теорий химии может привести к правильному пониманию многочисленных классов химических соединений, к твердому знанию их состава, строения и свойств.
      При повторении химии особое внимание следует обратить не только на раскрытие взаимосвязи между элементами, но и на выявление зависимости их свойств от строения и состава. Понять причины протекания химических реакций невозможно без учета строения атомов, ионов, молекул, радикалов, без учета типов химической связи в исходных и конечных веществах. Важной стороной учения о химическом процессе являются понятия о равновесии и энергетике химической реакции. Изложению указанных вопросов отведено в пособии соответствующее место.
      Подготовку к вступительным экзаменам по химии целесообразно начать со знакомства с «Программой вступительных экзаменов для поступающих в высшие учебные заведения СССР».
      Программа состоит из двух разделов: «Общие указания» и «Объем требований». К сожалению, абитуриенты редко обращают внимание на раздел «Общие указания». Между тем его внимательное рассмотрение позволит правильно понять требования, предъявляемые к абитуриентам на вступительном экзамене. Например, в этом разделе указывается, что по химии экзаменующийся должен показать четкие знания основных химических законов, понятий и теорий. Что это значит?
      При первоначальном изучении курса неорганической химии в средней школе рассматривается атомно-молекулярная теория, а затем — теория строения атома и некоторые представления о строении вещества. В свете теории строения атома ряд понятий атомномолекулярной теории подвергся уточнению. Эти уточнения должны быть учтены в ответе.
      При повторении курса неорганической химии целесообразно обратить внимание на развитие основных понятий.
      В «Общих указаниях» отмечается, что экзаменующийся должен показать знание терминологии предмета. К сожалению, многие абитуриенты плохо владеют терминологией. Очень часто это объясняется невнимательностью, а порою тем, что терминологии не придается должного значения, и вот что получается. Не все абитуриенты, например, четко знают названия (номенклатуру) химических соединений. На экзамене предлагают написать формулу сернистого калия, а отвечающие пишут формулу сернистокислого калия (K2S03) и даже сернокислого калия (K2S04).
      Далее. Необходимо четко знать, что называется окислителем, восстановителем. Не путать такие понятия, как валентность атома в соединении и заряд иона.
      Например в соединении HN03 валентность элементов HN03. В растворе это соединение диссоциирует на ионы Н1 и N03. Ни о каких ионах N5+ речи быть не может. Между тем, абитуриенты нередко говорят, что окислителем в этом соединении может выступать ион N5+.
      Экзаменующийся должен показать знание общей характеристики важнейших элементов и их основных соединений, т. е. четко описать положение элемента в системе и на основе закономерностей, которые изучены в средней школе, показать знание свойств важнейших соединений этого элемента.
      Рассказ о свойствах соединений, образуемых каким-либо элементом, целесообразно строить в определенной логической последовательности: положение элемента в системе, его электронная конфигурация, свойства простого вещества (тип связи), свойства его соединений (тип связи).
      Одним из требований «Общих указаний» к абитуриентам является умение пользоваться периодической системой Д. И. Менделеева в пределах объема программы. Речь идет в данном случае не только о необходимости подробно знать строение и свойства томов элементов первых трех периодов системы, но и об умении применить знание общих закономерностей к описанию свойств тех элементов, изучение которых не было предусмотрено программой по химии средней школы. Например, нужно уметь описать свойства мышьяка или олова, написать несколько характерных соединений хрома или какого-либо другого элемента дополнительной подгруппы. Разумеется, это можно сделать, исходя из знания свойств известных элементов.
      Экзаменующийся должен показать понимание важнейших химических производственных процессов. От него не требуется знании деталей аппаратуры, лабораторных приемов, особенностей течения реакций и т. п. Надо знать химическую сторону производственных процессов, а также основные принципы, на которых строится осуществление и экономическая эффективность важнейших процессов.
      Во втором разделе «Общих указаний» сказано, что от экзаменующихся требуется знание тех свойств важнейших веществ, на которых основано их применение в народном хозяйстве. Абитуриенты должны обратить внимание на такие разделы учебника по неорганической химии, как применение серной кислоты, применение соляной кислоты в народном хозяйстве и т. п.
      И, наконец, в «Общих указаниях» подчеркивается, что экзаменующийся должен показать умение решать качественные задачи применительно к материалу, указанному в программе.
      В настоящем пособии будут рассмотрены наиболее типичные задачи.
     
      § 1. О ПРЕДМЕТЕ ХИМИИ
      В литературе по химии можно встретить следующие определения предмета химии:
      «Химия — наука о химических элементах» (Д. И. Менделеев).
      «Химия — наука о веществах, их превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения» (наиболее распространенное определение химии).
      «Химия XX века — это наука о синтезе материалов с определенными свойствами» (определение химии, которое приводится в последнее время).
      Нельзя сказать, что одно определение лучше, другое хуже, одно правильно, другое нет. Каждое из приведенных определений правильно, хотя и подчеркивает какую-то одну преимущественную сторону химической науки.
      Обратите внимание на второе определение и на последовательность в перечислении объектов изучения.
      Вещества. Их превращения. Явления, сопровождающие эти превращения.
      Само вещество и его превращения изучает не только химия, но и другие науки, например, смежные с химией физика и биология. Значит, каждая из этих наук изучает не все и не всякие превращения вещества. Химию интересуют только те превращения, при которых происходит изменение состава вещества, приводящее к качественному изменению свойств веществ. Плавление льда или кипение воды изучает физика, а взаимодействие воды с натрием или серной кислотой изучает химия, потому что в первом случае меняется только агрегатное состояние вещества,но не состава, а во втором — исходные и конечные вещества отличаются составом и свойствами, не только физическими, но и химическими.
      Ясно, что совершающиеся в химических процессах изменения находятся в прямой зависимости оттого, из каких элементов состоят взаимодействующие вещества.
      Степень развития любой науки определяется тем, что дает она для практики, находят ли реализацию сделанные в ней открытия. XVIII век называют веком пара, XIX — веком электричества; по аналогии XX век назвали веком атомной энергии, синтетических (искусственных) материалов и раскрытия тайн жизни. Человечество издавна стремилось к овладению энергетическими ресурсами, и наиболее ощутимые успехи в этой области были сделаны физикой. Проблема создания материалов широкого ассортимента с заданными свойствами встает только в последние десятилетия.
      Синтез новых материалов был бы невозможен без выявления специфических особенностей химии каждого элемента.
      Развитие ракетной, ядерной, полупроводниковой техники было бы невозможно без создания новых материалов.
      Третье из приведенных выше определение предмета химии подчеркивает именно эту сторону ее развития, наметившуюся в последние десятилетия.
     
      § 2. Значение химии, роль химии в создании материально-технической базы коммунизма
      Значение химии. По мере развития человеческого общества проявляется все возрастающая роль химии в овладении энергетическими и материальными ресурсами природы. Так, наряду с механической обработкой дерева и камня получила распространение их химическая обработка; выплавка металлов из руд, химический синтез и т. п.
      От примитивного использования топлива для получения тепла человечество перешло к более широкому использованию древесины, угля и нефти, на основе которых получены не только новые виды топлива (например, газообразное), но и целый ряд других важнейших продуктов. В свою очередь, энергию химического пронесен научились превращать в электрическую (гальванические апменты, аккумуляторы, топливные элементы). Наконец в настоящее время осуществляется широкое производство материалов с определенными, заранее заданными свойствами. Начинается активное вмешательство химии в деятельность живого организма.
      Широкое промышленное использование достижений химии ока-шлось возможным лишь на определенной ступени развития человеческого общества, на определенной ступени развития производиых сил общества. Для осуществления химического синтеза, химической переработки материалов необходимы соответствующие установки и аппараты, приборы для контроля, автоматизация производства, достаточные энергетические мощности, предварительная подготовка сырья.
      Роль химии в создании материально-технической базы коммунизма. В Программе Коммунистической партии Советского Союза, принятой на XXII съезде КПСС, говорится, что главная экономическая задача партии и советского народа состоит в том, чтобы в течение двух десятилетий создать материально-техническую базу коммунизма. Для создания такой базы необходимо также широкое применение химии в народном хозяйстве.
      Академик А. Е. Ферсман писал в одной из своих работ: «....идея химизации в сочетании с идеей электрификации — идея исключительной важности, ибо она переводит на более высокую ступень использование природных богатств...».
      Химизация народного хозяйства означает: 1) создание постоянной материальной базы для осуществления и совершенствования технологических процессов; 2) внедрение во все отрасли промышленности и быт химических методов переработки веществ, приводящих к коренному изменению технологии и экономики производства, бытовых и культурных условий жизни и труда населения; 3) увеличение количества и качества промышленной и сельскохозяйственной продукции.
      В результате развития химической промышленности в нашей стране в 1940 г. объем химической продукции возрос в 18 раз по сравнению с 1913 г., а в 1951 г. наша страна вышла на второе место в мире (после США) по общему объему производства химических продуктов, а по некоторым показателям (кокс, стекло, цемент) мы находимся на первом месте. За годы Советской власти советскими учеными были разработаны многие важные научные и технологические проблемы. Достаточно сказать, например, что в СССР впервые в мире был получен синтетический каучук и разработана технология его промышленного производства, получены искусственные алмазы, созданы новые материалы для космической и ядерной техники.
      Работы А. Е. Фаворского и его школы по синтезу диеновых углеводородов и на их базе новых полимеров, А. Н. Несмеянова и его школы — в области элементоорганических соединений, К. А. Андрианова — по синтезу кремнийорганических соединений, Г. А. Ра-зуваева — по химии свободных радикалов, Н. Н. Семенова и его школы в области химической кинетики, Г. Н. Флерова с сотрудниками по получению трансурановых элементов (№ 102, № 104) сыграли огромную роль в развитии отечественной и мировой химической науки, в выполнении задач коммунистического строительства в нашей стране.
      В директивах XXIII съезда КПСС предусматривается дальнейший рост темпов развития химической и нефтехимической промышленности. Так, намечается к 1970 г. рост производства минеральных удобрений, химических волокон и газа почти в 2 раза, а пластических масс и смол — почти в 3 раза.
      Современное развитие науки ставит на очередь решение ряда комплексных задач и проблем, таких, как проблемы онкологии, вирусологии, генетики, с одной стороны (связь с биологией), и. с другой стороны, химия плазмы, химия элементарных частиц, космохимия (связь с физикой).
     
      Глава I
      ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ. ВАЖНЕЙШИЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
     
      Исторически изучение вещества шло последовательными этапами: от познания видимого, доступного органам чувств и простейшим приборам, к проникновению в мир частиц и явлений, познание которых возможно с помощью очень чувствительных приборов. Еще в древности была высказана мысль об атомном строении вещества. В начале XIX в. была разработана атомно-молекулярная гипотеза, согласно которой все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атом — наименьшая частица вещества.
      Это познание вещества средствами химии можно представить схематически следующим образом:
      тела природы
      химические соединения — молекулы — атомы
      В создании основ атомно-молекулярной теории важную роль сыграли исследования реакций окисления металлов, проведенные в XVIII в. М. В. Ломоносовым и А. Лавуазье. Ими же был сформулирован закон сохранения массы реагирующих веществ.
      Однако объяснение как этого закона, так и других понятий того времени (эквиваленты), возникших в результате изучения весовых количеств реагирующих веществ, оказалось возможным в XIX в. с позиций атомной теории Дальтона и молекулярной теории Авогадро.
      Периодический закон и периодическая система химических элементов, открытые Д. И. Менделеевым в 1869 г., способствовали «акреплению атомистических представлений в химии. Открытие Д. II. Менделеева ознаменовало начало нового этапа в развитии учения о строении материи, в раскрытии сложного строения атома.
      Спектральный анализ и открытие рентгеновских лучей, открытие инертных газов и явления радиоактивности, определение заряда и массы электрона привели к экспериментальному раскрытию сложного строения атомов.
     
      § 1. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ
      Атомно-молекулярное учение — это первое учение о строении вещества, разработанное на основе количественных представлений, главным образом, двух наук — физики и химии. Само название «атомно-молекулярное учение» подсказывает, что вопросы строения вещества рассматриваются здесь на уровне атомов и молекул. Это учение указывает на качественные различия в составе вещества (молекулы и атомы) и дает количественные характеристики (вес атомов и молекул), а для веществ в газообразном состоянии и объем грамм-молекулы.
      Согласно этому учению, вещества состоят из атомов и молекул. Молекула сложнее атома. Молекула простого вещества состоит из атомов одного элемента, молекула сложного — из атомов разных элементов.
      Молекулы — наименьшие частицы вещества, сохраняющие его состав и химические свойства.
      Атомы — наименьшие материальные частицы элемента, отражающие его химические свойства в свободном состоянии.
      В то же время атомы являются составными частями молекул, которыми последние обмениваются при химических реакциях.
      Кратко сущность атомно-молекулярного учения сводится к следующему:
      1. Все вещества состоят из атомов и молекул.
      2. Атомы разных элементов отличаются весом, размерами и свойствами. Молекулы одного и того же вещества одинаковы, молекулы разных веществ отличаются составом, весом, размерами, физическими и химическими свойствами.
      1 В соответствии с современными представлениями о строении вещества, основанными на учении о типах химической связи, утверждение о том, что все вещества состоят из молекул, нуждается в уточнении (см. далее, стр. 98)