В.В. Еремин, А.Я. Борщевский Основы общей и физической химии Учебное пособие Долгопрудный: Издательский Дом "Интеллект", 2012.- 848 с. ISBN 978-5-91559-092-1

В.В. Еремин, А.Я. Борщевский

Основы общей и физической химии

Учебное пособие
Долгопрудный: Издательский Дом "Интеллект", 2012.- 848 с.
ISBN 978-5-91559-092-1
Допущено Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплину "Химия", по направлению подготовки ВПО 011200

Учебное пособие создано на основе годичного курса "Общая и физическая химия" для студентов МГУ им. М.В. Ломоносова.

Все многообразие проблем, которые решает химия, можно свести к следующим основным вопросам:

какие бывают вещества?
как они устроены?
как связано строение веществ с их свойствами?
как из одних веществ получить другие, более полезные или интересные?

Химия как наука и как способ познания природы обладает необычными свойствами. У нее нет собственных законов. Все законы химии, включая Периодический закон, служат лишь частными проявлениями общих законов, которыми занимается физика. Поэтому некоторые научные работники считают химию частью физики. Разумеется, это глубоко ошибочная точка зрения. А что же есть в химии своего? В первую очередь, колоссальное многообразие изучаемых объектов. Одних только чистых индивидуальных веществ в химии охарактеризовано около 20 миллионов, не считая многочисленных смесей. А ведь есть еще и химические реакции между веществами. Из всех известных химии веществ лишь очень небольшая доля - всего несколько процентов - имеется в природе, остальные вещества - продукт деятельности человека. Химики отличаются от любых других ученых тем, что собственноручно творят те объекты, которые потом воспринимают и изучают. В точности то же самое делают писатели, художники и композиторы. Это роднит химию с искусством. Другие естественные науки - физика и биология - изучают то, что создано природой, а химия - главным образом то, что сделала сама. Химикам присущ уникальный, характерный только для них, взгляд на окружающий мир. В самом деле, их мышление - это причудливая смесь самых абстрактных и совсем наглядных представлений. Они знают о тонких квантово-механических закономерностях, определяющих свойства молекул, которые, в свою очередь, ответственны за все многообразие окружающего нас мира. Эта взаимосвязь микро- и макромира остается скрытой от ученых других специальностей. Кроме того, никто не сделал так много для улучшения условий жизни людей, как химики, но их заслуги в должной мере не оценены.

Настоящий химик всегда "чувствует вещество". Это проявляется и в лаборатории, где создаются рецепты синтеза новых веществ, и в быту, где, например, бывает нужно подобрать подходящий клей или растворитель. Современные химики умеют работать не только с большими количествами веществ, но и с отдельными атомами и молекулами. Техника манипулирования атомами достигла такой высокой степени развития, что химики могут синтезировать любую наперед заданную молекулу или надмолекулярную структуру со сложной архитектурой. Теперь главное - понять, что именно надо синтезировать. На первый план в химии выходит прикладной аспект: основная задача состоит в поиске новых веществ, обладающих полезными свойствами - катализаторов, лекарственных средств, строительных материалов, аккумуляторов энергии.

Книга состоит из 4 основных разделов, один из которых - "Общая химия" - имеет описательный характер, а три других - "Строение вещества", "Химическая термодинамика", "Химическая кинетика" - демонстрируют логику теоретической химии и показывают применение физических теорий и методов к химическим процессам, описанным в разделе "Общая химия".

Для студентов и преподавателей физических и химических факультетов.

Содержание

Глава 1. Основные понятия и законы химии		11
§1.1. Химия как наука. Место химии в системе познания мира		11
§ 1.2. Основные понятия химии		17
§ 1.3. Язык химии		21
§1.4. Стехиометрия. Расчеты по химическим формулам и уравнениям		26
§1.5. Периодическая система химических элементов		30
§1.6. Почему и как идут химические реакции		35
§1.7. Источники информации в химии		40
Часть I. Общая химия
Глава 2. Основные классы неорганических соединений		46
§2.1. Классификация неорганических соединений		46
§2.2. Оксиды		48
§2.3. Кислоты		52
§2.4. Основания		58
§2.5. Соли		60
§2.6. Бинарные соединения		63
Глава 3. Кислотно-основные и ионные равновесия в растворах		66
§3.1. Ионные реакции в растворах		66
§3.2. Кислотность растворов. Водородный показатель		71
§3.3. Диссоциация кислот и оснований		74
§3.4. Сопряженные кислоты и основания		79
§3.5. Буферные растворы		81
§3.6. Гидролиз		83
Глава 4. Окислительно-восстановительные реакции		87
§4.1. Окислители и восстановители		87
§4.2. Составление уравнений ОВР. Электронный и электронно-ионный баланс		93
§4.3. Количественные характеристики ОВР. Окислительно-восстановительные потенциалы		97
§4.4. Химические источники тока		104
§4.5. Электролиз		108
Глава 5. Комплексные соединения		112
§5.1. Основные понятия		112
§5.2. Геометрическая структура и изомерия комплексов		118
§5.3. Электронное строение комплексов		119
§5.4. Равновесия комплексообразования		124
Глава 6. Химия неметаллов		129
§6.1. Водород и его соединения		130
§6.2. Неметаллы III (13) и IV (14) группы - бор, углерод, кремний		136
§6.3. Неметаллы V (15) группы - азот, фосфор		143
§6.4. Неметаллы VI (16) группы - халькогены		152
§6.5. Неметаллы VII (17) группы - галогены		158
§6.6. Неметаллы VIII (18) группы - благородные газы		163
Глава 7. Химия металлов		166
§7.1. Общие свойства металлов		166
§7.2. Сплавы		171
§7.3. s-Металлы		173
§ 7.4. р-Металлы		183
§7.5. d-Металлы		189
§7.6. /-Металлы		208
Глава 8. Основные понятия органической химии		212
§8.1. Предмет и значение органической химии		212
§8.2. Классификация органических веществ		217
§8.3. Структурная теория органических соединений. Изомерия		222
§8.4. Взаимное влияние атомов в молекуле		230
§8.5. Классификация и механизмы органических реакций		235
Глава 9. Химия углеводородов		244
§9.1. Предельные углеводороды - алканы и циклоалканы		244
§9.2. Переработка нефти		252
§ 9.3. Непредельные углеводороды с двойными связями		256
§9.4. Ацетиленовые углеводороды (алкины)		265
§9.5. Ароматические углеводороды		269
§ 9.6. Полимеры		280
Глава 10. Химия кислородсодержащих органических соединений		289
§ 10.1. Спирты и фенолы		289
§ 10.2. Карбонильные соединения - альдегиды и кетоны		297
§ 10.3. Карбоновые кислоты и их производные		304
§ 10.4. Липиды		312
§ 10.5. Углеводы		316
Глава 11. Химия азотсодержащих органических соединений		332
§ 11.1. Амины		332
§ 11.2. Аминокислоты		337
§11.3. Пептиды и полипептиды		342
§11.4. Азотсодержащие гетероциклические соединения		350
§ 11.5. Нуклеиновые кислоты		355
Часть П. Строение вещества
Глава 12. Строение атомных частиц		366
§12.1. Основные характеристики частиц, важные для химии		366
§ 12.2. Атомные термы		370
§ 12.3. Электронная конфигурация атома		373
§ 12.4. Энергия атомных термов		379
§ 12.5. Электронное строение и периодичность свойств элементов		382
§ 12.6. Приближение независимых электронов		388
§12.7. Радиусы, энергии ионизации и сродство к электрону атомов		396
Глава 13. Химическая связь в молекулах и ионах		405
§13.1. Термы двухатомных молекул		406
§13.2. Теория локализованных электронных пар (валентных связей)		411
§ 13.3. Пространственная направленность ковалентной связи		420
§13.4. Длина, энергия и полярность ковалентной связи		428
§ 13.5. Теория молекулярных орбиталей (МО)		437
Глава 14. Межмолекулярные взаимодействия. Конденсированное состояние
вещества		457
§ 14.1. Силы Ван-дер-Ваальса		457
§ 14.2. Водородная связь		460
§14.3. Состояния вещества		465
Глава 15. Кристаллическое состояние		479
§15.1. Сведения из кристаллографии		480
§ 15.2. Шаровые упаковки		486
§ 15.3. Химическая связь в кристаллах		491
§ 15.4. Строение некоторых простых веществ-неметаллов		498
Глава 16. Ионные кристаллы		505
§ 16.1. Ионная модель		505
§ 16.2. Ионные радиусы		510
§ 16.3. Важнейшие структурные типы ионных соединений		512
Часть III. Химическая термодинамика
Глава 17. Основные понятия и постулаты термодинамики		520
§17.1. Термодинамические величины, системы и их контакты		520
§17.2. Исходные положения термодинамики		524
§ 17.3. Уравнения состояния		529
§ 17.4. Аддитивность термодинамических величин		534
Глава 18. Первое начало термодинамики. Термохимия		537
§ 18.1. Энергия, работа и теплота		537
§ 18.2. Калорические коэффициенты		541
§ 18.3. Энтальпия		543
§18.4. Термохимическая теплота реакции		546
§ 18.5. Стандартные состояния		548
§ 18.6. Энтальпия образования соединения		550
§ 18.7. Закон Гесса. Термохимические циклы		552
§ 18.8. Важнейшие термохимические величины		554
Глава 19. Второе и третье начала термодинамики		563
§ 19.1. Энтропия		563
§ 19.2. Термодинамическая температура		564
§ 19.3. Неравенство Клаузиуса		567
§ 19.4. Фундаментальное уравнение		568
§ 19.5. Третье начало термодинамики		570
§ 19.6. Стандартная энтропия химических соединений		571
Глава 20. Термодинамические потенциалы		579
§20.1. Свободная энергия		579
§20.2. Термодинамические соотношения		581
§20.3. Химический потенциал		584
Глава 21. Фазовые равновесия в системах с одним компонентом		590
§21.1. Условия равновесия фаз		590
§21.2. Фазовые диаграммы		592
§21.3. Фазовые переходы 1-го рода		594
§21.4. Полиморфные превращения		599
§21.5. Испарение и плавление		603
Глава 22. Термодинамика многокомпонентных систем		605
§22.1. Компоненты и составляющие вещества		605
§22.2. Фундаментальные уравнения термодинамики		607
§22.3. Характеристические функции		609
§22.4. Парциальные мольные величины		613
§22.5. Гетерогенные системы		618
§22.6. Диаграммы плавкости и растворимости бинарных систем		622
Глава 23. Растворы		634
§23.1. Общие сведения о растворах		634
§23.2. Термодинамическая активность		637
§23.3. Функции смешения и классификация растворов		641
§23.4. Зависимость состав-свойство. Фазовые диаграммы жидкость-пар		648
§23.5. Растворимость газов		654
§23.6. Коллигативные свойства		656
Глава 24. Химические реакции		662
§24.1. Термодинамическое описание реакций		662
§24.2. Константа равновесия реакции		667
§24.3. Изотерма химической реакции		672
§24.4. Связь теплового эффекта реакции с константой равновесия		675
Глава 25. Растворы электролитов		680
§25.1. Электролитическая диссоциация		681
§25.2. Химические потенциалы и активности ионов		683
§25.3. Термодинамические функции ионов в растворе		687
§25.4. Термодинамические составляющие процесса растворения		690
Глава 26. Электрохимические равновесия		700
§26.1. Электрохимический потенциал		700
§26.2. Электроды и полуреакции		702
§26.3. Электрохимические цепи		710
Глава 27. Термодинамика поверхностных явлений и адсорбции		721
§27.1. Различные определения величины адсорбции		721
§27.2. Изотерма мономолекулярной адсорбции Ленгмюра		726
§27.3. Теория капиллярности Гиббса		729
Часть IV. Химическая кинетика
Глава 28. Основные понятия и законы химической кинетики		742
§28.1. Химическая кинетика и химическая термодинамика		742
§28.2. Основные понятия химической кинетики: скорость реакции, механизм реакции, элементарная стадия		745
§28.3. Закон действующих масс		750
§28.4. Кинетика реакций целого порядка		753
§28.5. Влияние температуры на скорость химических реакций		756
Глава 29. Кинетика сложных реакций первого порядка		763
§29.1. Общие способы решения кинетических уравнений первого порядка		763
§29.2. Обратимые реакции		767
§29.3. Параллельные реакции		769
§29.4. Термодинамический и кинетический контроль		771
§29.5. Последовательные реакции		773
Глава 30. Приближенные методы химической кинетики		780
§30.1. Квазистационарное приближение		780
§30.2. Квазиравновесное приближение		784
§30.3. Методы определения порядка реакции		786
Глава 31. Катализ		790
§31.1. Общие свойства катализаторов		790
§31.2. Гомогенный катализ		795
§31.3. Ферментативный катализ		798
§31.4. Гетерогенный катализ		802
§31.5. Автокатализ		804
Глава 32. Фотохимические реакции		809
§32.1. Значение и примеры фотохимических реакций		809
§32.2. Фотофизические и фотохимические процессы		813
§32.3. Кинетика фотохимических реакций		818
Приложение		824
Предметный указатель		839

От авторов

Уважаемые читатели!

Основная задача нашей книги - дать представление о химии людям, работающим или учащимся в смежных областях естествознания, в первую очередь физикам, возможно математикам - студентам, научным сотрудникам, учителям. Все люди, сами того не подозревая, постоянно имеют дело с химией в повседневной жизни, так как весь окружающий мир состоит из веществ, которые и являются предметом изучения химии. Но мы надеемся, что люди, прочитавшие и понявшие нашу книгу, смогут использовать полученные знания и в своей научной и образовательной деятельности.

В основе книги - годовой курс химии для физиков, который мы читаем на физическом факультете МГУ. Наши слушатели имеют естественно-научный склад ума, обладают хорошей математической подготовкой и понимают причинно-следственные связи в природных явлениях. Однако, большинство из них в силу специфики российской системы образования, принижающей роль естественных наук в целом и химии в частности, обладают довольно слабой химической подготовкой и не понимают того, как устроены вещества в окружающем нас мире, какими они обладают свойствами, почему и как могут превращаться в другие вещества. Наша задача - восполнить этот пробел в образовании и дать целостное представление о химии, ее языке, структуре, логике, законах и приложениях в практической деятельности.

Несколько лет преподавания привели нас к выводу о том, что оптимальной для восприятия является следующая последовательность изложения: сначала дать эмпирическое описание химических явлений вместе с их обобщениями, а затем логически обосновать эти обобщения, используя теоретические основы химии. Именно такой последовательности мы будем придерживаться и в данном учебнике.

Химия - наука исключительно многогранная, накопившая за несколько сотен лет своего существования огромное количество информации. Мы прекрасно понимаем, что в одной книге нельзя представить даже доли процента от всех достижений химии. Но тот материал, который мы отобрали для изложения, представляется нам, несмотря на всю его неполноту, наиболее важным для понимания законов химии, ее принципиальных проблем и возможностей их решения. Книга рассчитана на людей со слабой химической подготовкой, но хорошими знаниями физики и математики, поэтому чисто химические разделы, посвященные описанию свойств элементов и их соединений, более просты для восприятия, а теоретические разделы, в которых физические теории применяются для объяснения химических

явлений, более сложны и требуют логики и хорошей математической техники. Но и то, и другое, - химия, разные ее аспекты. Все это лишний раз подчеркивает многогранный характер химической науки.

Много раз в своей жизни мы слышали от школьников, студентов и многих более взрослых людей вопрос: "А зачем нам эта химия?". На это мы подготовили универсальный ответ, который выдержал проверку временем: "Без химии может прожить любой человек, но с химией эта жизнь богаче и интереснее. Новые знания делают нас более свободными, помогают глубже, более многомерно понимать окружающий мир и принимать правильные решения". Как было написано в одной из шумерских табличек около четырех тысяч лет назад, "знающий может показать табличку знающему, но не незнающему". Стремитесь стать людьми знающими!

Желаем вам успехов в изучении химии и надеемся, что вы получите удовольствие от чтения данной книги. Мы будем очень признательны за любые конструктивные замечания и предложения, которые помогут сделать книгу лучше, а ее авторов и читателей - умнее.

Ваши, Вадим Еремин и Андрей Борщевский

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору