Неорганическая химия. Т. 1. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975563), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В химии по-прежнему существуют такие области исследования, успех в которых определяется творческими способностями отдельных личностей, и в этом отношении химическое твор- чество оказывается сродни художественному. В этой связи уместен вопрос, сколько надо поэтов или художников, способных создать творение, соизмеримое с трагедиями У.
Шекспира или Тициана. Этот же вопрос можно адресовать и по отношению к открытиям М.Ломоносова и А.Лавуазье, А.Авогадро и И. Берцелиуса, Ж.Пруста и Н.Курнакова, Д.Гиббса и С.Аррениуса, Д.Менделеева и Р. Хоффмана, А.Ле Шателье и М. Кюри-Складовской, Л. Полинга и И. Пригожина и многих других химиков-исследователей. В заключение следует отметить, что в условиях дефицита энергии, минерального сырья, воды и экологически чистой окружающей среды человечество не в силах справиться с социальными проблемами без интенсивного развития химии и применения ее достижений, Достаточно сказать, что свыше 90% потребляемой энергии общество получает, используя химические превращения.
И если современная энергетика создает множество экологических проблем, то виновата в этом отнюдь не химическая наука, а неграмотное или недобросовестное использование того, что является продуктом ее деятельности, будь то химические процессы, продукты или материалы. Академик Ю.Д. Третьяков ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ТОМУ В первом томе (авторы М.Е. Тамм, Ю.Д.Третьяков) рассмотрены физико- химические основы неорганической химии, необходимые для последующего изложения химии элементов, простых веществ и соединений.
В первой главе книги изложены основы химической термодинамики и описано их применение к разнообразным физико-химическим системами и превращениям, включая фазовые равновесия, окислительно-восстановительные и кислотно-основные реакции, Впервые в учебнике по неорганической химии введен раздел, посвященный начальным представлениям о неравновесной термодинамике. Далее рассмотрены наиболее общие положения химической кинетики, в том числе и для твердофазных реакций. Лишь затем следуют разделы, посвященные современным представлениям о строении атома и химической связи. В этой части достаточно подробно для учебника по неорганической химии для студентов младших курсов изложены вопросы строения твердого тела и комплексных соединений. В книге также рассмотрены некоторые отдельные аспекты радиохимии, происхождения химических элементов и геохимии.
Принятая последовательность изложения материала соответствует многолетней практике преподавания неорганической химии на первом курсе химического факультета МГУ. Каждый раздел книги сопровождается подробным разбором задач, а в конце всех глав помещены вопросы и задания. В Приложениях приведены таблицы термодинамических величин и другие вспомогательные материалы. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ Р Р с С а К Клпсс К„ к, К, Кс й и ПР Е а,Н ЬН ~Нкпс КНисп оН ЬН ~Нлис 0 осГ л,Я Ь,сл б' р р зе 11 А, х 2 давление парциальное давление теплоемкость концентрация активность термодинамическая константа равновесия константа диссоциации константа гидролиза ионное произведение воды константа устойчивости константа кислотности константа основности константа скорости скорость реакции частота волновое число произведение растворимости электродный потенциал энтальпия образования энтальпия реакции энтальпия плавления энтальпия кипения энтальпия испарения энтальпия гнлратации энтальпия атомизации энтальпия диссоциации энергия кристаллической решетки изменение внутренней энергии изменение энтропии реакции изменение энергии Гиббса реакции молярная энергия Гиббса химический потенциал эффективный магнитный момент первый потенциал ионизации сродство к электрону электроотрицательность порядковый номер эффективный заряд ядра Глава 1 НАЧАЛА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Химическая термодинамика — раздел химии, изучающий энергетику химических и фазовых превращений, направление протекания процессов в физико-химических системах, химические и фазовые равновесия.
Термодинамика (дословно — наука о движении тепла) базируется не на постулатах, а на экспериментально подтвержденных объективных закономерностях, сформулированных в основных началах. Первое начало термодинамики является выражением закона сохранения энергии, а второе указывает направление самопроизвольного протекания процесса. На основании термодинамических расчетов можно, например, утверждать, что реакция 2Н2+ О, = 2НзО открывающая путь к созданию экологически чистой водородной энергетики, принципиально возможна при любой температуре ниже 5000 К и давлении, близком к 1 атм. Вместе с тем, хорошо известно, что смесь водорода с кислородом в широком интервале составов и температур остается химически неизменной, если не увеличить скорость взаимодействия введением катализатора, например, платины.
Термодинамика, отвечая на вопрос о возможности протекания процесса, ничего не говорит о его скорости. Скорость химических реакций изучает химическая кинетика, и об этом речь пойдет в гл. 2. 1.1. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ 1.1.1. Основные понятия химической термодинамики. Первый закон термодинамики Основные понятия химической термодинамики мы введем, обратившись к конкретному примеру. Представим себе, что в эластичном и герметичном резиновом баллончике находится насыщенный раствор соли, нерастворенная соль в форме кристаллов и пар над раствором (рис.
1.1, а). Содержимое баллончика является обьектом исследования, обычно называемым термодинамической системой. Тогда все, что находится вне системы, составляет окружающую среду. В более общем случае, термодинамическая система — это совокупность тел„способных обмениваться друг с другом энергией и веществом и по-разному взаимодействующих с окружающей средой.
В рассмотренном выше примере (рис. 1.2„а) система может обмениваться с внешней Рь ~н Т2 БСФС= Сь Рис. 1.2. Примеры закрытой (а), открытой (б) и изолированной (в) систем 10 средой только энергией, но не веществом. Такие системы принято называть замкнутыми, или закрытыми. В отличие от них, системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергий Рь К„т, ей„и веществом, называют открытыми (рис. 1.2, б), а те, в которых никакой обмен не возможен — изолированными (рис. 1.2, в). Примером открытой систерис. 1.1. Пример изменения в системе при мы ЯвлЯетсЯ любой живой оРганизм, поглошеиии теплоты: жизнедеятельность которого подпержиа — начальное состояние; в — конеч моты только благодари непрерывномУ обмену с окружающей средой как веществом, так и энергией (процессы дыхания, питания, биогенеза, метаболизма).
Итак, объект исследования ясен. Обратимся к рассмотрению параметров— величин, характеризующих систему. Они делятся на две группы. Первую составляют так называемые интенсивные параметры, величина которых не зависит от количества вещества. К ним относятся, в частности, температура (Т), давление (Р), молярная концентрация (С). Вторую группу составляют экстенсивные параметры, зависящие от количества вещества, например, масса (т) и объем ( К). Что произойдет, если баллончик нагреть, т.е. к системе подвести энергию в виде теплоты (рис.
1.1)? Во-первых, температура повысится от Т, до Т,. Любое изменение одного или нескольких параметров системы называют термодинамическим процессом. Повышение температуры, в свою очередь, вызовет изменение внутренней энергии системы (0). Внутренняя энергия определяется суммарным запасом составляющих систему молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.
и складывается в основном из кинетической энергии указанных частиц и энергии взаимодействия между ними. Абсолютное значение внутренней энергии ни измерить, ни рассчитать нельзя, можно определить только ее изменение в результате какого-либо процесса. Необходимо иметь в виду, что изменение внутренней энергии любой системы при переходе из одного состояния в другое не зависит от пути перехода, а определяется только начальным и конечным состоянием.
В нашем примере это значит, что можно сначала нагреть содержимое баллончика до температуры Т, > Т,, а потом снова охладить баллончик до температуры Тъ при этом изменение внутренней энергии системы будет таким же, что и при нагревании до температуры Т,. Это означает, что внутренняя энергия системы является функцией состояния, т.е. не зависит от пути процесса: (1.1) где индексы 1 и 2 — символы начального и конечного состояния системы. Заметим, что при нагревании баллончика изменяется не только температура, но и концентрация раствора — часть соли дополнительно растворяется и увеличивается количество пара, т.е. происходит перераспределение масс. За счет увеличения количества пара система совершает работу расширения: А = РьУ.
(1.2) (1.3) Полученное уравнение есть ни что иное, как выражение первого начала термодинамики, являющегося частью всеобщего закона сохранения энергии. Первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: Закон сохранения материи. Закон сохранения энергии является частным случаем всеобщего закона сохранения материи (массы и энергии). Масса (т) и энергия (Е) связаны друг с другом уравнением Эйнштейна: Е= тсз, где с — скорость света в вакууме (2,998 1О' м. с '). Энергетические эффекты, которые сопровождают химические реакции, находятся в интервале от единиц до тысяч кДж/моль. Этому соответствует чрезвычайно малое изменение массы.
Например, для диссоциации одного моля хлора иа атомы необходимо затратить 242,8 кДж. Массовый эквивалент этой энергии соответствует 2,7 10 ~ г, т.е. приблизительно 1/2ООООО части массы электрона. Поэтому в химии можно пользоваться независимо как законом сохранения массы, так и законом сохранения энергии. Дефект массы начинает сказываться в ядерных реакциях, где энергетические эффекты значительно выше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
