Ю.М. Коренев, В.П. Овчаренко - Общая и неорганическая химия

Ю.М.Коренев, В.П.ОвчаренкоОбщая инеорганическая химияЧасть IОСНОВНЫЕПОНЯТИЯ, СТРОЕНИЕ АТОМА,ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬШкола имени А.Н.КолмогороваИздательство Московского университета2000УДК 546ББК 24.1К 66К 66Коренев Ю.М., Овчаренко В.П.Общая и неорганическая химия. Курс лекций. Часть I.Основные понятия, строение атома, химическая связь.

– М.:Школа имени А. Н. Колмогорова, Издательство Московскогоуниверситета, 2000. – 60 с.ISBN 5-211-04200-XНастоящее методическое пособие составлено в соответствии спрограммой курса неорганической химии, и читаемого учащимсяхимико-биологического отделения Школы имени А. Н. КолмогороваСпециализированного учебно-научного центра МГУ.Книга знакомит с основными классами неорганических соединений,их свойствами и способами получения.ISBN 5-211-04200-X© Ю.М.Коренев, В.П.Овчаренко, 1998 г.© И.Н.Коровин – оформление, 2000 г.Глава IОсновные понятия и определения1.1. Строение веществаОдним из основных понятий химии и других естественных наукявляется атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитываетуже около 2500 лет.

Впервые понятие атома зародилось в Древней Греции,примерно в V в. до н. э. Основоположниками атомистического учения былидревнегреческие философы Левкипп1 и его ученик Демокрит. Именно онивыдвинули идею о дискретном строении материи и ввели термин «АТОМ».Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицуматерии.Учение Демокрита не получило широкого распространения, и втечение большого исторического периода в химии (а во временасредневековья –алхимии) господствовала теория Аристотеля (384 – 322 гг. до н.

э.).Согласно учению Аристотеля, основными началами природы являютсяабстрактные «принципы»: холод, тепло, сухость и влажность, прикомбинации которых образуются четыре основных «элемента-стихии»:земля,воздух,огоньи вода.И только в начале XIX столетия английский ученый Джон Дальтонвозвращается к атомам как наименьшим частицам материи и вводит внауку этот термин. Этому предшествовали работы таких замечательныхученых, как Р. Бойль (в книге «Химик-скептик» он нанес сокрушительныйудар по представлениям алхимиков), Дж.

Пристли и К. В. Шееле (открытиекислорода), Г. Кавендиш (открытие водорода), А. Л. Лавуазье (попыткасоставить первую таблицу простых веществ), М. В. Ломоносов (основныеположения атомно-молекулярного учения, закон сохранения массы),Ж. Л. Пруст (закон постоянства состава) и многие другие.Открытия в области физики, сделанные в конце XIX – первой трети ХХстолетий, заставили ученых совершенно иначе смотреть на атомномолекулярное учение. Оказалось, что атом обладает сложным строением ине является наименьшей частицей материи.Здесь мы не будем приводить устаревшее определение этого понятия, асразудадимформулировку,базирующуюсянасовременныхпредставлениях.1 Левкипп (Λεθκιπποζ) – древнегреч.

философ. О жизни Левкиппа практическиничего не известно.3Глава IАтом (греч. ατοµοζ – неделимый) – это наименьшая частица химическогоэлемента, способная к самостоятельному существованию и являющаясяносителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральнуюмикросистему, состоящую из положительно заряженного ядра исоответствующего числа электронов.Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.Химический элемент – это понятие, а не материальная частица.

Это неатом, а совокупность атомов, характеризующихся определеннымпризнаком – одинаковым зарядом ядра.Электрон [др.греч. ηλεκτρον – янтарь (хорошо электризуется притрении)] – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя,равную 9,109 ⋅ 10–31 кг = 5,486 ⋅ 10–4 а. е. м.2, и несущая элементарныйотрицательный заряд, равный 1,6 ⋅ 10–19 Кл.В химии и в физике при решении многих задач заряд электронапринимают за – 1 и заряды всех остальных частиц выражают в этихединицах. Электроны входят в состав всех атомов.Протон (греч. πρωτοσ – первый) – элементарная частица, являющаясясоставной частью ядер атомов всех химических элементов, обладаетмассой покоя mp =1,672 ⋅ 10–27 кг = 1,007 а. е. м. и элементарнымположительным электрическим зарядом, равным по величине зарядуэлектрона, т. е.

1,6 ⋅ 10–19 Кл.Число протонов в ядре определяет порядковый номер химическогоэлемента.Нейтрон (лат. neutrum – ни то, ни другое) – электрически нейтральнаяэлементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массупокоя протона mn = 1,675 ⋅ 10–27 кг = 1,009 а. е. м.Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (заисключением ядра изотопа водорода 1Н, представляющего собой одинпротон).Элементарная частицаОбозначениеЭлектронe–Таблица 1Некоторые характеристики элементарных частиц,входящих в состав атомаМассаЭлектрический зарядв ед. СИ(кг)в а. е.

м.в Клв зарядахэлектрона9,109 ⋅ 10–315,468 ⋅ 10–41,6 ⋅ 10–19–12 а. е. м. – атомная единица массы, см. ниже.4Основные понятия и определенияПротонНейтронpn1,672 ⋅ 10–271,675 ⋅ 10–271,0071,0091,6 ⋅ 10–19010Обобщающее (групповое) название протонов и нейтронов – нуклоны.Массовое число – общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковомуномеру элемента (Z), и нейтронов (N). A = Z + N, где A – массовое число.Нуклиды (лат. nucleus – ядро) – общее название атомных ядер,характеризуются определенным числом протонов и нейтронов(величиной положительного заряда и массовым числом).Для того чтобы указать химический элемент, достаточно назватьтолько одну величину – заряд ядра, т.

е. порядковый номер элемента вПериодической системе. Для определения нуклида этого недостаточно –надо указать также и его массовое число.Иногда, не совсем точно, понятие «нуклид» относят не к самому ядру,а ко всему атому.Изотопы (греч. ισοζ – одинаковый + τοποζ – место) – нуклиды, имеющиеодинаковое число протонов, но различающиеся массовыми числами.Изотопы – нуклиды, занимающие одно и то же место в Периодическойсистеме, т. е. атомы одного и того же химического элемента.2224Na , 23Например: 1111 Na , 11 Na – изотопы натрия.Изобары (греч.

ιζο – равный + βαροσ – вес) – нуклиды, имеющиеодинаковые массовые числа, но различное число протонов (т. е.относящиеся к различным химическим элементам), например, 90Sr, 90Y,90Zr.Изотоны – нуклиды с одинаковым числом нейтронов.Довольно долго химики не делали четкого различия между атомами имолекулами простых веществ. В 1811 г. А. Авогадро предложил гипотезу,которая позволяла однозначно определить эти понятия, однакосовременники ее не оценили, и она получила признание только в 1860 г.,после состоявшегося в Карлсруэ (Германия) первого международногосъезда химиков, когда молекула стала пониматься как мельчайшая частицавещества, участвующая в его химических превращениях.

По мере развитияестественных наук определение молекулы претерпело некоторыеизменения.Молекула (уменьшительное от лат. moles – масса) – это наименьшаячастица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одногоили различных химических элементов и существует как единая системаатомных ядер и электронов. В случае одноатомных молекул (например,благородных газов) понятия атома и молекулы совпадают.Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей.5Глава IВ химии, кроме атомов и молекул, приходится рассматривать и другиеструктурные единицы: ионы и радикалы.Ионы (греч. ιον – идущий) – электрически заряженные частицы,образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результатеприсоединения или потери электронов.Положительно заряженные ионы называются катионами (греч.

κατα –вниз + ион), отрицательно заряженные – анионами (греч. ανα – вверх +ион).Например, K+ – катион калия, Fe2+ – катион железа, NH +4 – катионаммония, Cl– – анион хлора (хлорид-анион), S2– – анион серы (сульфиданион), SO 24 − – сульфат-анион.Радикалы (лат. radicalis – коренной) – частицы (атомы или группыатомов) с неспаренными электронами.Они обладают высокой реакционной способностью.

Например, H ⋅ –радикал водорода, Cl ⋅ – радикал хлора, ⋅ CH3 – радикал-метил. В то жевремя парамагнитные молекулы, например, O2 , NO, NO2 , имеющиенеспаренные электроны, не являются радикалами.Простое вещество – вещество, состоящее из атомов одного химическогоэлемента.Простое вещество – это форма существования химического элемента.Многие элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ,например, углерод (графит, алмаз, карбин, фуллерены), фосфор (белый,красный, черный), кислород (озон, кислород).Известно около 400 простых веществ.Аллотрóпия (греч. αλλοσ – другой + τροπε – поворот) – способностьхимического элемента существовать в виде двух или нескольких простыхвеществ, отличающихся количеством атомов в молекуле (например, O2 иO3) или разной структурой кристаллов (графит и алмаз).Полиморфизм (греч. πολιµορϕοσ – многообразный) – способностьтвердых веществ существовать в двух или нескольких формах сразличной кристаллической структурой и различными же свойствами.Такие формы называются полиморфными модификациями.Например, FeS2 может образовывать два вещества с различнымикристаллическими структурами (полиморфные модификации): одноназывается пирит, а другое – марказит.

Являются ли эти веществааллотропными модификациями? Не являются.Аллотропия относится только к простым веществам и рассматриваеткак различие в составе их молекул, так и различие в строениикристаллических решеток. Если речь идет о различии в строениикристаллических решеток простых веществ, то понятия полиморфизм и6Основные понятия и определенияаллотропия совпадают, например, о графите и алмазе можно сказать, чтоэто аллотропные формы, а можно – полиморфные формы.Возможность образования двух и более видов молекул,содержащих различное число атомовКислород.

Образует две аллотропные формы: O2 и O3 – озон. Ониразличаются как по физическим, так и по химическим свойствам.Кислород O2 – бесцветный газ, без запаха. Озон O3 – газ голубого цветас характерным запахом (даже свое название он получил от греч. ωζειν(ozein) – пахнуть).В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в бледно-голубойцвет. Озон в жидком состоянии интенсивно окрашен в фиолетовый цвет, втвердом состоянии имеет черно-фиолетовый цвет.Кислород парамагнитен, озон диамагнитен.Таблица 2Температуры фазовых переходов О2 и О3плотность, г/см3Ткипения,°СТплавления,°СО2-182,8-218,2ж. 1,14О3-112-193ж.