Преподавание химии в вузе должно отличаться от школьного не только широтой охвата материала, ной глубиной его рассмотрения; вузовский курс должен быть курсом высшей химии, читаемым на научной основе. Поэтому предшествовать курсу неорганической химии в вузе должны основополагающие сведения и прежде всего современные представления о строении вещества и главных закономерностях процессов. Основное внимание при этом следует уделить вопросам, позволяющим обобщить и объяснить материал по составу и свойствам веществ; в то же время следует разумно разгрузить описательную часть курса.
Физико-химическое введение делает курс неорганической химии научно целенаправленным, дает возможность опираться в изучении фактического материала на теоретические обобщения, приблизить изложение предмета к современному состоянию химической науки.
В природе и в искусственных условиях приходится постоянно сталкиваться с самыми разнообразными процессами, такими, как синтез, диссоциация, всевозможные химические реакции, с процессами, в которых переплетаются признаки физических и химических явлений (например, растворение) с физическими изменениями (например, с плавлением веществ). Если к тому же учесть сложность многих из них и разнообразие условий их протекания — температуры, давления, концентрации веществ, то станет очевидным, сколь непроста задача, даже хотя бы в общих чертах, разобраться во всем этом многообразии, наметить некоторые, пускай и приближенные, обобщения, охватывающие тот или иной круг явлений.
Без знания строения атомов и молекул, природы химической связи и межмолекулярного взаимодействия сделать это невозможно. Однако эти сведения лишь необходимы, но не достаточны. Ведь свойства веществ познаются прежде всего во взаимодействии с другими веществами. Поэтому, приступая к изучению химии, нужно знать общие закономерности протекания химических реакций и сопровождающих их процессов.
Одна из попыток решить первую из поставленных задач была осуществлена изданием книги М. X. Карапетьянца и
С. И. Дракина «Строение вещества» (3-е изд. М., Высшая школа, 1978).
В настоящем пособии сделана попытка наметить одно из мыслимых решений второй задачи — изложить основные закономерности химических превращений и сопутствующих им процессов.
В первой его части рассмотрен круг вопросов, связанных с энергетикой процессов; во второй изложено учение о химическом сродстве. Третья часть содержит элементы учения о скорости и механизме реакций. Свойствам растворов посвящена четвертая часть. В пятой части приведены некоторые примеры применения материала второй части к химии элементов, имея в виду, что эти сведения могут быть использованы и в описательной части курса неорганической химии. Таким образом, круг рассмотренных вопросов не совсем традиционен. Отличаются от общепринятых и характер, и последовательность изложения материала.
Так, например, наряду с обычными примерами применения закона Гесса (часть первая) рассмотрено его использование в различных термохимических циклах, включающих такие величины, как энергия ионизации, электронное сродство, энергия решетки, теплота гидратации. Это позволяет продемонстрировать студентам универсальность простого метода расчета и уже с самого начала связать излагаемый материал с вопросами строения вещества.
Во второй и третьей частях главное внимание уделено химическому сродству. Разумеется, вопросы кинетики не менее (а зачастую даже более) важны, чем вопросы статики процессов. Однако если принять во внимание специфику и большое разнообразие кинетических факторов, а также огромную сложность учета их влияния на реакционную способность веществ, изменение представлений о механизме протекания процессов по мере углубления наших знаний и, наконец, то обстоятельство, что большинство подлежащих рассмотрению вопросов связано со статикой различных процессов, то этот выбор вряд ли можно счесть спорным. Действительно, и закон действующих масс, и принцип Ле Ша-телье, и многие свойства растворов (в их числе растворимость, температуры отвердевания и кипения, давление пара), и процессы в них (диссоциация, нейтрализация, сольватация, комплексообразование, гидролиз и т. д.) — это прежде всего проблемы равновесия. Вместе с тем надо отчетливо показать, что вопросы статики и кинетики — это проблемы возможности и действительности и что значение энергетиче-
л
ского (термодинамического) и кинетического факторов неодинаково для различных типов процессов: для реакций в растворах электролитов (например, при нейтрализации), для высокотемпературных реакций и других «быстрых» процессов кинетические соотношения несущественны; наоборот, для медленных реакций и таких, продукты которых гораздо устойчивее исходных веществ (например, при горении), не играют ощутимой роли равновесные соотношения. '
Мы сочли необходимым ввести в курс понятия об энтропии 5 и ее изменении AS и об изменении энергии Гиббса AG, так как твердо уверены в том, что нельзя излагать химию в вузе, опираясь только на понятие о тепловых эффектах А//. С другой стороны, мы отдавали себе отчет в том, что на первом курсе информация о величинах AG и AS не может быть ни полной, ни строгой; она в доступной форме должна передавать лишь главное, давая общую ориентировку. Приучить студентов с первого курса пользоваться энтальпийными и энтропийными характеристиками — это означает не только привить им навыки изучения с общих позиций самых различных процессов (химическое взаимодействие, растворение и т. д.), но и подготовить их к постоянному применению этих фундаментальных характеристик — вначале на материале неорганической, а затем аналитической и органической химии. В курсе физической химии эти представления получат дальнейшее развитие, уточнение, детализацию, будут поставлены на прочный математический фундамент. Поэтому, в частности, при рассмотрении окислительно-восстановительных реакций уделено внимание не только составлению уравнений, т. е. чисто формальной стороне, но и решению вопроса о направлении этих процессов, о глубине их протекания.
В настоящее время все чаще приходится иметь дело с процессами, происходящими как в водных, так и в неводных растворах, при низких и при повышенных температурах, кроме того, изучать все возрастающее число реакций, протекающих при высоких и сверхвысоких температурах и давлениях, в расплавах, газах. Поэтому ограничиваться рассмотрением электродных потенциалов Е°, а на их основании и э. д. с. Е означало бы искусственно сузить круг изучаемых явлений совершенно частным (хотя и практически важным) примером очень разбавленных растворов в одном растворителе при одной температуре (25 ВС) йодном давлении. В связи с этим мы уделили внимание и неводным растворам, и высокотемпературным
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................. 3
РАЗДЕЛ 1. ЭНЕРГЕТИКА ПРОЦЕССОВ
Введение............................... 7
Глава I. Энергетические эффекты............... 8
Глава II. Закон Гесса...................... 11
Глава III. Тепловые эффекты различных процессов..... 16
1. Химические реакции................. 16
2. Фазовые превращения ................ 19
3. Процессы в растворах ................ 19
Глава IV. Примеры применения закона Гесса ........ 22
Глава V. Некоторые закономерности.............. 27
1. Теплоты сходных процессов............. 27
2. Теплоты образования и структура.......... 31
РАЗДЕЛ II. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО
Введение............................... 33
Глава I. Необратимые и обратимые процессы ........ 33
Глава II. Энтропия ....................... 36
1. Энтропия — мера неупорядоченности........ 37
2. Энтропия и природа вещества............ 41
3. Изменение энтропии.................. 46
4. Энтропийный и энтальпийный факторы процесса . . 50 Глава III. Энергия Гиббса................... 62
1. Критерий направления процесса........... 52
2. Энтальпийный и энтропийный факторы и направление процесса...................... 56
3. Стандартные изменения энергии Гиббса....... 61
4. Природа вещества и изменение энергии Гиббса . . 63
5. Определение изменения энергии Гиббса процесса 67
6. Стандартные электродные потенциалы........ 69
7. Константа химического равновесия . ,....... 75
Глава IV. Влияние изменения условий на химическое равновесие ......................... 78
1. Принцип Ле Шателье................. 78
2. Влияние температуры................. 79
3. Влияние давления................... 84
4. Влияние концентрации................ 87
5. Влияние инертного газа .............., 88
6. Оптимальные условия осуществления процесса ... 88 Глава V. Окислительно-восстановительные реакции...... 90
1. Составление уравнений реакций........... 93
2. Типы окислительно-восстановительных реакций , . 98
3. Влияние среды на характер реакций........ 100
4. Направление реакций................. 104
РАЗДЕЛ III. СКОРОСТЬ И МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Введение............................... 106
Глава I. Основные понятия................... 108
Глава II. Влияние концентрации................ ПО
1. Гомогенные и гетерогенные реакции ........ ПО
2. Простые и сложные реакции............. Щ
3. Молекулярность и порядок реакции ........ 117
Глава III. Влияние температуры................ 119
1. Теория химической кинетики ............ 121
Гл а в а IV. Влияние катализатора................ 130
1. Общие сведения.................... 130
2. Элементы теории катализа.............. 132
РАЗДЕЛ IV. РАСТВОРЫ
Введение............................... 138
Глава I. Образование растворов................ 141
1. Изменение свойств при образовании растворов . . . . 144
2. Растворимость..................... 146
3. Влияние на растворимость природы компонентов 149
4. Влияние на растворимость внешних условий .... 152
5. Влияние на растворимость посторонних веществ 156
6. Некоторые закономерности.............. 156
Глава II. Разбавленные растворы неэлектролитов....... 158
1. Давление пара..................... 159
2. Температуры кипения и отвердевания...... . 161
3. Осмотическое давление................ 164
4. Определение молекулярной массы растворенного вещества........................ 166
5: Некоторые выводы .................. 167
Глава III. Растворы электролитов............... 170
1. Электропроводность.................. 170
2. 'Основы теории электролитической диссоциации . . 171
3. Образование растворов................ 175
Г л а в а IV. Ионные равновесия и обменные реакции в растворах электролитов................... 184
1. Равновесие в растворах слабых электролитов . . , . 184
2. Растворы сильных электролитов........... 186
3. Диссоциация кислот, оснований и солей в воде 188
4. Влияние одноименных ионов на диссоциацию сла-
бых электролитов .................. 191
5. Диссоциация воды .................. 192
6. Буферные растворы ................. 195
7. Произведение растворимости ............ 196
8. Диссоциация комплексных ионов.......... 198
9. Обменные реакции.................. 202
10. Гидролиз......................, . 208
Глава V. Теория кислот и оснований............. 217
1. Краткая история вопроса . ,............ 217
2. Теория сольвосистем................. 221
3. Протонная теория................... 228
4. Электронная теория.................. 240
5. Значение теории кислот и оснований........ 249
Глава VI. Физико-химический анализ............. 254
1, Термический анализ.................. 255
332
2. Вывод типа диаграмм плавкости из кривых энергии
Гиббса ......................... 266
РАЗДЕЛ V. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО И СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ
и их'СОЕДИНЕНИЙ
Введение...........•.................... 270
Глава I. Периодическая система элементов и реакционная
способность веществ.................. 270 .
1. Главные подгруппы.................. 270
2. Побочные подгруппы................. 277
3. Периоды . . . .".................... 282
Глава II. Влияние температуры на химическое сродство . . . 285
Литература.............................. 293
Приложение I. Пересчетные значения для некоторых единиц '
измерения.....................- 294
Приложение II. Стандартные изменения энергии Гиббса образования некоторых неорганических и органических веществ и их стандартные энтропии . . . 295 Предметный указатель....................., . 326
Цена: 150руб.
