Неорганическая химия - часть общей химии. Она занимается изучением свойств и поведения неорганических соединений - их структуры и способности реагировать с другими веществами. Данное направление исследует все вещества, за исключением тех, которые построены из углеродных цепочек (последние являются предметом изучения органической химии).
Описание
Химия - это комплексная наука. Ее деление на категории чисто условно. Например, неорганическую и органическую химию связывают соединения, называемые бионеорганическими. К ним относятся гемоглобин, хлорофилл, витамин B 12 и многие ферменты.
Очень часто при изучении веществ или процессов приходится учитывать различные взаимосвязи с прочими науками. Общая и неорганическая химия охватывает простые и число которых приближается к 400 000. Изучение их свойств часто включает в себя широкий спектр методов физической химии, поскольку они могут сочетать свойства, характерные для такой науки, как физика. На качества веществ влияют проводимость, магнитная и оптическая активность, воздействие катализаторов и прочие «физические» факторы.
Как правило, неорганические соединения классифицируются в соответствии с их функцией:
- кислоты;
- основания;
- оксиды;
- соли.
Оксиды часто делятся на металлы (основные оксиды или основные ангидриды) и неметаллические оксиды (кислотные оксиды или ангидриды кислот).
Зарождение
История неорганической химии делится на несколько периодов. На первоначальном этапе происходило накопление знаний посредством случайных наблюдений. С древних времен предпринимались попытки трансформировать неблагородные металлы в драгоценные. Алхимическая идея пропагандировалась еще Аристотелем через его учение об конвертируемости элементов.
В первой половине пятнадцатого века свирепствовали эпидемии. Особенно население страдало от оспы и чумы. Эскулапы предполагали, что заболевания вызваны определенными веществами, и борьба с ними должна осуществляться с помощью других веществ. Это привело к началу так называемого медико-химического периода. В то время химия стала самостоятельной наукой.
Становление новой науки
Во время Возрождения химия из чисто практической области исследования стала «обрастать» теоретическими понятиями. Ученые пытались объяснить глубинные процессы, происходящие с веществами. В 1661 году Роберт Бойл вводит понятие «химический элемент». В 1675 году Николас Леммер отделяет химические элементы минералов от растений и животных, тем самым обусловив изучение химией неорганических соединений отдельно от органических.
Позже химики пытались объяснить явление горения. Немецкий ученый Георг Сталь создал теорию флогистонов, согласно которой сгораемое тело отторгает негравитационную частицу флогистона. В 1756 году Михаил Ломоносов экспериментально доказал, что горение некоторых металлов связано с частицами воздуха (кислорода). Антуан Лавуазье также опроверг теорию флогистонов, став родоначальником современной теории горения. Им же введено понятие «соединение химических элементов».
Развитие
Следующий период начинается с работ и попыток объяснить химические законы посредством взаимодействия веществ на атомарном (микроскопическом) уровне. Первый химический конгресс в Карлсруэ в 1860 году дал определения понятий атома, валентности, эквивалента и молекулы. Благодаря открытию периодического закона и созданию периодической системы Дмитрий Менделеев доказал, что атомно-молекулярная теория связана не только с химическими законами, но и с физическими свойствами элементов.
Следующий этап в развитии неорганической химии связан с обнаружением радиоактивного распада в 1876 году и выяснением конструкции атома в 1913-м. Исследование Альбрехта Кесселя и Гильберта Льюиса в 1916 году решает проблему природы химических связей. Основываясь на теории гетерогенного равновесия Уилларда Гиббса и Хенрика Росзеба, Николай Курнаков в 1913 году создал один из основных методов современной неорганической химии - физико-химический анализ.
Основы неорганической химии
Неорганические соединения в природе встречаются в виде минералов. Почва может содержать сульфид железа, такой как пирит, или сульфат кальция в виде гипса. Неорганические соединения также встречаются как биомолекулы. Они синтезируются для использования в качестве катализаторов или реагентов. Первым важным искусственным неорганическим соединением является нитрат аммония, используемый для удобрения почвы.
Соли
Многие неорганические соединения представляют собой ионные соединения, состоящие из катионов и анионов. Это так называемые соли, являющиеся объектом исследований неорганической химии. Примерами ионных соединений являются:
- Хлорид магния (MgCl 2), в состав которого входят катионы Mg 2+ и анионы Cl - .
- Оксид натрия (Na 2 O), который состоит из катионов Na + и анионов O 2- .
В каждой соли пропорции ионов таковы, что электрические заряды равновесны, то есть соединение в целом является электрически нейтральным. Ионы описываются степенью окисления и легкостью образования, которая следует из потенциала ионизации (катионы) или электронного сродства (анионы) элементов, из которых они образуются.
К неорганическим солям относятся оксиды, карбонаты, сульфаты и галогениды. Многие соединения характеризуются высокой температурой плавления. Неорганические соли обычно представляют собой твердые кристаллические образования. Другой важной особенностью является их растворимость в воде и легкость кристаллизации. Некоторые соли (например, NaCl) хорошо растворимы в воде, в то время как другие (например, SiO2) почти не растворяются.
Металлы и сплавы
Металлы, такие как железо, медь, бронза, латунь, алюминий, представляют собой группу химических элементов в нижней левой части периодической таблицы. К этой группе относятся 96 элементов, которые характеризуются высокой теплопроводностью и электропроводностью. Они широко используются в металлургии. Металлы могут быть условно разделены на черные и цветные, тяжелые и легкие. Кстати, наиболее используемым элементом является железо, оно занимает 95 % мирового производства среди всех видов металлов.
Сплавы представляют собой сложные вещества, получаемые путем плавления и смешивания двух или более металлов в жидком состоянии. Они состоят из основания (доминирующих элементов в процентном соотношении: железа, меди, алюминия и т. д.) с небольшими добавками легирующих и модифицирующих компонентов.
Человечеством применяется около 5000 типов сплавов. Они являются основными материалами в строительстве и промышленности. Кстати, существуют также сплавы между металлами и неметаллами.
Классификация
В таблице неорганической химии металлы распределены по нескольким группам:
- 6 элементов находятся в щелочной группе (литий, калий, рубидий, натрий, франций, цезий);
- 4 - в щелочноземельной (радий, барий, стронций, калий);
- 40 - в переходной (титан, золото, вольфрам, медь, марганец, скандий, железо и др.);
- 15 - лантаноиды (лантан, церий, эрбий и др.);
- 15 - актиноиды (уран, актиний, торий, фермий и др.);
- 7 - полуметаллы (мышьяк, бор, сурьма, германий и др.);
- 7 - легкие металлы (алюминий, олово, висмут, свинец и др.).
Неметаллы
Неметаллы могут быть как химическими элементами, так и химическими соединениями. В свободном состоянии они образуют простые вещества с неметаллическими свойствами. В неорганической химии различают 22 элемента. Это водород, бор, углерод, азот, кислород, фтор, кремний, фосфор, сера, хлор, мышьяк, селен и др.
Наиболее типичными неметаллами являются галогены. В реакции с металлами они образуют которых в основном ионная, например KCl или CaO. При взаимодействии друг с другом неметаллы могут образовывать ковалентно-связанные соединения (Cl3N, ClF, CS2 и т. д.).
Основания и кислоты
Основания - сложные вещества, наиболее важными из которых являются водорастворимые гидроксиды. При растворении они диссоциируют с катионами металлов и анионами гидроксидов, а их рН больше 7. Основания можно рассматривать как химически противоположные кислотам, потому что водо-диссоциирующие кислоты увеличивают концентрацию ионов водорода (H3O+), пока основание не уменьшится.
Кислоты - это вещества, которые участвуют в химических реакциях с основаниями, забирая у них электроны. Большинство кислот, имеющих практическое значение, являются водорастворимыми. При растворении они диссоциируют из катионов водорода (Н +) и кислых анионов, а их рН меньше 7.
По кнопке выше «Купить бумажную книгу» можно купить эту книгу с доставкой по всей России и похожие книги по самой лучшей цене в бумажном виде на сайтах официальных интернет магазинов Лабиринт, Озон, Буквоед, Читай-город, Литрес, My-shop, Book24, Books.ru.
По кнопке «Купить и скачать электронную книгу» можно купить эту книгу в электронном виде в официальном интернет магазине «ЛитРес» , и потом ее скачать на сайте Литреса.
По кнопке «Найти похожие материалы на других сайтах» можно искать похожие материалы на других сайтах.
On the buttons above you can buy the book in official online stores Labirint, Ozon and others. Also you can search related and similar materials on other sites.
Общая и неорганическая химия - Ахметов Н.С. - 2001
Ахметов Н.С.
Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов - 4-е изд., испр - М.: Высш. шк., Изд. центр «Академия», 2001. - 743 с, ил.
На современном уровне рассмотрены основные понятия н законы химии: строение вещества
, химическая связь
(метод молекулярных орбиталей
, метод валентных связей
, зонная теория кристаллов
), важнейшие положения химической термодинамики н химической кинетики
, методы исследования структуры веществ (3-е - 1998 г.) Химия элементов изложена на основе периодического закона Д.И. Менделеева с привлечением структурных и термодинамических представлений.
Для химико-технологических специальностей вузов, университетов и педагогических вузов.
В основу учебника положены квантово-механические, структурные, термодинамические и кинетические закономерности на уровне понимания студентов первого курса.
Книга состоит из двух частей. В первой части "Общая химия
" рассмотрены основополагающие теоретические разделы курса химии. Во второй части "Неорганическая химия
" обсуждены свойства химических элементов в соответствии с их положением в периодической системе. В заключении рассмотрены вопросы химической экологии.
Получение полноценных знаний по химии основано на конкретном представлении об изучаемых веществах и их превращениях, что в значительной мере связано с серьезным и самостоятельным выполнением лабораторных работ и решением задач и упражнений. Для этого предназначено пособие: Н.С. Ахметов, М.К. Азизова, Л.И. Бадыгина. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: -М., Высшая школа, 1998. Это пособие совместно с данным учебником составляет единый комплект.
А 95
ISBN 5-06-003363-5 (Высшая школа)
ISBN 5-7695-0704-7 (Изд. центр «Академия»)
Р А 3 Д Е Л I. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА - 5
Глава 1. Химические элементы. Периодический закон - 6
§ 1. Понятие химического элемента - 6
§ 2. Космическая распространенность химических элементов - 8
§ 3. Радиоактивное превращение химических элементов - 9
§ 4. Ядерные реакции - 11
§ 5. Синтез элементов - 14
§ 6. Ядерные реакции в природе - 15
Глава 2. Электронная оболочка атома химического элемента - 16
§ 1. Исходные представления квантовой механики - 16
§ 2. Электронное облако - 18
§ 3. Атомные орбитали - 21
Глава 3. Периодическая система Д.И.Менделеева как естественная классификация элементов по электронным структурам атомов - 27
§ 1. Электронная структура атомов - 27
§ 2. Структура периодической таблицы химических элементов - 35
Глава 4. Периодичность свойств химических элементов - 38
§ 1. Энергия ионизации атомов - 38
§ 2. Сродство атома к электрону. Электроотрицательность - 40
§ 3. Атомные и ионные радиусы - 43
§ 4. Вторичная периодичность - 45
РАЗДЕЛ II. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ - 46
Глава 1. Основополагающие представления о химической связи - 47
§ 1. Некоторые параметры молекулы - 47
§ 2. Природа химической связи - 48
§ 3. Кривая полной энергии для молекулы - 50
Глава 2. Теория молекулярных орбиталей - 51
§ 1. Молекулярные орбитали - 51
§ 2. Двухатомные гомоядерные молекулы - 54
§ 3. Двухатомные гетероядерные молекулы - 65
§ 4. Трехатомные линейные молекулы - 67
§ 5. Пятиатомные тетраэдрические молекулы - 72
§ 6. Сопоставление энергетических диаграмм орбиталей молекул разного строения - 75
Глава 3. Теория валентных связей - 77
§ 1. Насыщаемость ковалентной связи - 77
§ 2. Направленность ковалентной связи - 81
§ 3. Кратность (порядок) связи - 90
§ 4. Полярность и поляризуемость связи - 94
§ 5. Типы ковалентных молекул - 96
Глава 4- Ионная связь. Невалентные типы связи - 100
§ 1. Ионная связь - 101
§ 2. Металлическая связь - 102
§ 3. Межмолекулярное взаимодействие - 104
§ 4. Водородная связь - 106
Глава 5. Комплексообразование. Комплексные соединения - 107
§ 1. Комплексообразование - 107
§ 2. Координационные (комплексные) соединения - 108
§ 3. Описание комплексных соединений с позиций теории валентных связей - 111
РАЗДЕЛ III. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ. РАСТВОРЫ - 114
Глава 1. Твердое состояние. Твердые растворы - 115
§ 1. Кристаллы - 115
§ 2. Типы химической связи в кристаллах - 117
§ 3. Основные структурные типы неорганических веществ - 120
§ 4. Характерное координационное число элемента и структура его соединений - 129
§ 5. Зонная теория кристаллов - 133
§ 6. Полупроводники - 136
§ 7. Твердые растворы - 137
Глава 2. Жидкое состояние. Жидкие растворы - 139
§ 1. Жидкое состояние - 139
§ 2. Ионизация молекул жидкости - 140
§ 3. Аморфное состояние - 141
§ 4. Жидкие растворы - 142
Глава 3. Газовое и другие, состояния Газовые растворы - 149
§ 1. Газовое состояние - 149
§ 2. Газовые растворы - 150
§ 3. Плазма - 150
§ 4. Другие состояния вещества - 151
Глава 4. Физико-химический анализ - 152
§ 1. Термический анализ - 152
§ 2. Типы диаграмм плавкости - 153
РАЗДЕЛ IV. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВ 157
Глава 1. Спектроскопические методы исследования - 157
§ 1. Электромагнитный спектр и атомные или молекулярные процессы - 157
§ 2. Рентгеновская спектроскопия - 159
§ 3. Оптическая спектроскопия - 161
§ 4. Радиоспектроскопия - 164
§ 5. Гамма-спектроскопия - 166
Глава 2. Дифракционные методы исследования. Магнитные измерения - 169
§ 1. Рентгеноструктурный анализ - 169
§ 2. Электронографический и нейтронографический методы. - 172
§ 3. Исследование веществ в магнитном поле - 174
РАЗДЕЛ V. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ - 175
Глава 1. Энергетика химических превращений. - 176
§ 1. Тепловой эффект реакции - 176
§ 2. Термохимические расчеты - 178
Глава 2. Направленность химической реакции - 189
§ 1. Энтропия - 189
§ 2. Энергия Гиббса - 192
Глава 3. Химическое равновесие - 197
§ 1. Константа химического равновесия - 197
§ 2. Принцип Ле Шателье - 200
§ 3. Константа ионизации - 201
§ 4. Константа образования комплекса - 206
§ 5. Константа автопротолиза воды - 208
§ 6. Равновесие в гетерогенных системах - 210
Глава 4. Химическая кинетика. - 212
§ 1. Скорость химической реакции - 212
§ 2. Энергия Гиббса активации - 214
§ 3. Механизм химических реакций - 218
§ 4. Физические методы стимулирования химических превращений - 220
§ 5. Катализ - 223
Глава 5. Реакция без изменения степеней окисления элементов - 225
§ 1. Условия одностороннего протекания реакций - 225
§ 2. Гидролиз - 227
Глава 6. Реакции с изменением степеней окисления элементов - 234
§ 1. Окислительно-восстановительные реакции. - 234
§ 2. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций - 236
§ 3. Направление окислительно-восстановительных реакций - 240
§ 4. Химические источника тока - 245
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
РАЗДЕЛ I. ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ ЭЛЕМЕНТОВ - 248
Глава 1. Распространенность химических элементов - 248
§ 1. Геохимия и космохимия - 248
§ 2. Химические элементы в земной коре - 249
Глава 2. Простые вещества - 253
§ 1. Структура простых веществ - 253
§ 2. Свойства простых веществ - 257
§ 3. Получение простых веществ - 264
Глава 3. Двухэлементные (бинарные) соединения - 269
§ 1. Характеристика бинарных соединений по типу химической связи - 269
§ 2. Сравнение устойчивости бинарных соединений - 273
§ 3. Основно-кислотные свойства бинарных соединений - 273
§ 4. Металлические соединения - 276
Глава 4- Трехэлементные соединения - 279
§ 1. Производные анионных комплексов - 279
§ 2. Смешанные соединения, твердые растворы, эвтектика. 281
Глава 5. Нестехиометрические соединения - 284
§ 1. Соединения переменного состава - 284
§ 2. Соединения включения - 287
РАЗДЕЛ II. ХИМИЯ s- И р-ЭЛЕМЕНТОВ - 289
Глава 1. Общие закономерности - 289
§ 1. Внутренняя и вторичная периодичность - 289
§ 2. Степени окисления *- и р-элементов - 292
§ 3. Координационные числа s- и р-элементов - 295
Глава 2. Водород - 299
Глава 3. р-Элементы VII группы периодической системы Д.И.Менделеева - 309
§ 1. Фтор - 310
§ 2. Хлор - 316
§ 3. Подгруппа брома - 328
Глава 4- р-рлементы VI группы периодической системы Д.И.Менделеева - 338
§ 1. Кислород. - 338
§ 2. Сера - 351
§ 3. Подгруппа селена - 366
Глава 5. р-Элементы V группы периодической системы Д.И.Менделеева - 373
§ 1. Азот - 374
§ 2. Фосфор - 396
§ 3. Подгруппа мышьяка - 409
Глава 6. р-Элементы IV группы периодической системы Д.И.Менделеева - 421
§ 1. Углерод - 422
§ 2. Кремний - 442
§ 3. Подгруппа германия - 455
§ 4. Обзор оксосоединения р-элементов IV, V, VI и VII групп - 466
Глава 7. р-Элементы III группы периодической системы Д.И.Менделеева - 470
§ 1- Бор - 470
§ 2. Алюминий - 488
§ 3. Подгруппа галлия - 502
Глава 8. s-Элементы 11 группы периодической системы Д.И.Менделеева - 510
§ 1. Бериллий. - 511
§ 2. Магний. - 517
§ 3. Подгруппа кальция - 521
Глава 9. s-Элементы I группы периодической системы Д. И.Менделеева - 527
§ 1. Литий - 528
§ 2. Натрий. - 531
§ 3. Подгруппа калия - 534
Глава 10. s- и р-Элементы VIII группы периодической системы Д.И.Менделеева - 538
§ 1. Гелий - 538
§ 2. Неон - 539
§ 3. Аргон - 540
§ 4. Подгруппа криптона - 541
РАЗДЕЛ III. ХИМИЯ d-ЭЛЕМЕНТОВ
- 546
Глава 1. Общие закономерности - 546
§ 1. Энергия ионизации и радиусы атомов rf-элементов - 546
§ 2. Степени окисления (f-элементов - 548
§ 3. Простые вещества d-элементов - 549
Глава 2. Координационное соединение d-элементов - 550
§ 1. Описание комплексных соединений с позиций теории кристаллического поля. - 551
§ 2. Описание комплексных соединений с позиций теории молекулярных соединений - 557
§ 3. Электронная конфигурация комплесообразователя и строение комплексов - 566
§ 4. Комплексы с органическими лигандами... 567
§ 5. Изомерия комплесных соединений - 569
Глава 3. d-Элементы III группы периодической системы Д.И.Менделеева - 571
§ 1. Подгруппа скандия - 572
§ 2. Соединения элементов подгруппы скандия. - 573
Глава 4. d-Элементы IV группы периодической системы Д.И.Менделеева - 575
§ 1. Подгруппа титана - 576
§ 2. Соединения элементов подгруппы титана - 579
Глава 5. d-Элементы V группы периодической системы Д.И.Менделеева - 586
§ 1. Подгруппа ванадия - 588
§ 2. Соединения элементов подгруппы ванадия - 589
Глава 6. d-Элементы VI группы периодической системы Д.И.Менделеева - 597
§ 1. Подгруппа хрома - 598
§ 2. Соединения элементов подгруппы хрома - 600
Глава 7. d-Элементы VII группы периодической системы Д.И.Менделеева - 618
§ 1. Подгруппа марганца. - 619
§ 2. Соединения элементов подгруппы марганца - 621
Глава 8. d-Элементы VIII группы периодической системы Д.И.Менделеева - 630
§ 1. Подгруппа железа. - 631
§ 2. Соединения элементов подгруппы железа - 634
§ 3. Подгруппа кобальта - 648
§ 4. Соединения элементов подгруппы кобальта - 651
§ 5. Подгруппа никеля. - 660
§ 6. Соединения элементов подгруппы никеля - 663
§ 7. Получение платиновых металлов - 675
Глава 9. d-Элементы 1 группы периодической системы Д.И.Менделеева - 676
§ 1. Подгруппа меди - 678
§ 2. Соединения элементов подгруппы меди - 681
Глава 10. d-Элементы II группы периодической системы Д.И.Менделеева - 689
§ 1. Подгруппа цинка - 690
§ 2. Соединения элементов подгруппы цинка - 693
РАЗДЕЛ IV. ХИМИЯ f-ЭЛЕМЕНТОВ - 698
Глава 1. f-Элементы 6-го периода периодической системы Д.И.Менделеева - 698
§ 1. Семейство лантаноидов - 698
§ 2. Соединения лантаноидов - 703
Глава 2. f-Элементы 7-ю периода периодической системы Д.И.Менделеева - 707
§ 1. Семейство актиноидов - 710
§ 2. Соединения актиноидов - 711
РАЗДЕЛ V. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ - 717
Глава 1. Проблемы защиты окружающей среды - 717
§ 1. Охрана атмосферы - 717
§ 2. Охрана гидросферы - 720
Глава 2. Безотходная технология - 722
§ 1. Комплексное использование сырья - 722
§ 2. Ноосфера-сфера разума - 724
Заключение - 726
Список литературы - 727
Предметный указатель - 728
Общая химия. Неорганическая химия.
Предмет и задачи химии
Современная химия является одной из естественных наук и представляет собой систему отдельных дисциплин: общей и неорганической химии, аналитической химии, органической химии, физической и коллоидной химии, геохимии, космохимии и т.п.
Химия - наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава и структуры, а также взаимные переходы между этими процессами и другими формами движения материи.
Таким образом, главным объектом химии как науки является вещества и их превращения.
На современном этапе развития нашего общества забота о здоровье человека является задачей первостепенной важности. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов: лекарственных средств, заменителей крови, полимеров и полимерных материалов.
Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не понимая значения положительного или отрицательного влияния различных химических факторов на здоровье человека и окружающую его среду, нельзя стать грамотным медицинским работником.
Общая химия. Неорганическая химия.
Неорганическая химия - это наука элементов периодической системы и образованных ими простых и сложных веществ.
Неорганическая химия неотделима от общей химии. Исторически при изучении химического взаимодействия элементов друг с другом были сформулированы основные законы химии, общие закономерности протекания химических реакций, теория химической связи, учение о растворах и многое другое, что составляет предмет общей химии.
Таким образом, общая химия изучает теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний.
Неорганическая химия давно перешагнула стадию описательной науки и в настоящее время переживает свое «второе рождение» в результате широкого привлечения квантово-химических методов, зонной модели энергетического спектра электронов, открытия валентно-химических соединений благородных газов, целенаправленного синтеза материалов с особыми физическими и химическими свойствами. На основе глубокого изучения зависимости между химическим строением и свойствами она успешно решает главную задачу - создание новых неорганических веществ с заданными свойствами.
2. Методы общей и неорганической химии.
Из экспериментальных методов химии важнейшим является метод химических реакций. Химическая реакция - превращение одних веществ в другие путем изменения состава и химического строения. Химические реакции дают возможность исследовать химические свойства веществ. По химическим реакциям исследуемого вещества можно косвенно судить о его химическом строении. Прямые же методы установления химического строения в большинстве своем основаны на использовании физических явлений.
Также на основе химических реакций осуществляется и неорганический синтез, который за последнее время достиг большого успеха, особенно в получении особо чистых соединений в виде монокристаллов. Этому способствовали применение высоких температур и давлений, глубокого вакуума, внедрение бесконтейнерных способов очистки и т.п.
При проведении химических реакций, а также при выделении веществ из смеси в чистом виде важную роль играют препаративные методы: осаждение, кристаллизация, фильтрование, сублимация, перегонка и т.п. В настоящее время многие из этих классических препаративных методов получили дальнейшее развитие и являются ведущими в технологии получения особо чистых веществ и монокристаллов. Это методы направленной кристаллизации, зонной перекристаллизации, вакуумной сублимации, фракционной перегонки. Одна из особенностей современной неорганической химии это синтез и исследование особо чистых веществ на монокристаллах.
Методы физико-химического анализа широко применяются при изучении растворов и сплавов, когда образующиеся в них соединения трудно или практически невозможно выделить в индивидуальном состоянии. Тогда исследуют физические свойства систем в зависимости от изменения состава. В результате строят диаграмму состав - свойства, анализ который позволяет делать заключение о характере химического взаимодействия компонентов, образование соединений и их свойствах.
Для познания сущности явления одних экспериментальных методов недостаточно, поэтому Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории.
Теоретическое осмысление опытного материала и создание стройной системы химических знаний в современной общей и неорганической химии базируется на: 1) квантово-механической теории строения атомов и периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от «его химического строения; 3) учении о химическом равновесии, основанной на понятиях химической термодинамики.
3. Фундаментальные теории и законы химии.
К числу основополагающих обобщений химии и естествознания относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии,
Периодическая система и теория химического строения.
а) Атомно-молекулярная теория.
Создатель атомно-молекулярного изучения и первооткрыватель закона сохранения массы веществ М.В. Ломоносов по праву считается основателем научной химии. Ломоносов четко различал две ступени в строении вещества: элементы (в нашем понимании - атомы) и корпускулы (молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX века после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.
б) Закон сохранения массы и энергии.
В 1760 г. Ломоносов сформулировал единый закон массы и энергии. Но до начала XX в. эти законы рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества (масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции).
Например: 2КСlO 3 = 2 КСl + 3O 2
Слева: 2 атома калия Справа: 2 атома калия
2 атома хлора 2 атома хлора
6 атомов кислорода 6 атомов кислорода
Физика имела дело с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А. Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Е = mс 2 , где Е - энергия, m - масса; с - скорость света в вакууме.
в) Периодический закон.
Важнейшая задача неорганической химии заключается в изучении свойств элементов, в выявлении общих закономерностей их химического взаимодействия между собой. Самое крупное научное обобщение в решении этой проблемы сделал Д.И. Менделеев, открывший Периодический закон и его графическое выражение - Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии.
Периодический закон Менделеева является основой естественной
систематики химических элементов. Химический элемент - совокупность
атомов с одинаковым зарядом ядра. Закономерности изменения свойств
химических элементов определяются Периодическим законом. Учение о
строении атомов объяснило физический смысл Периодического закона.
Оказалось, что периодичность изменения свойств элементов и их соединений
зависит от периодически повторяющейся сходной структуры электронной
оболочки их атомов. Химические и некоторые физические свойства зависят от
структуры электронной оболочки, особенно ее наружных слоев. Поэтому
Периодический закон является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений: кислотно-основных, окислительно-восстановительных, каталитических, комплексообразовательных, полупроводниковых, металлохимических, кристаллохимических, радиохимических и т.п.
Периодическая система также сыграла колоссальную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии.
Периодический закон и Периодическая система беспрерывно развиваются и уточняются. Доказательством тому служит современная формулировка Периодического закона: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов. Таким образом, положительный заряд ядра, а не атомная масса, оказался более точным аргументом, от которого зависят свойства элементов и их соединений.
г) Теория химического строения.
Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Свойства вещества являются функцией его химического строения. До A.M. Бутлерова считали, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Он впервые сформулировал основное положение своей теории химического строения. Таким образом: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением. В переводе на современный язык это означает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы. Первоначально теория химического строения относилась к химическим соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее время теория, созданная Бутлеровым, считается общехимической теорией строения химических соединений и зависимости свойств их от химического строения. Эта теория - продолжение и развитие атомно-молекулярного учения Ломоносова.
4. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии общей и
неорганической химии.
Курс неорганической химии содержит множество специальных терминов, необходимых для проведения количественных вычислений. Рассмотрим подробно некоторые из ее основных разделов.
Особенности
Неорганическая химия была создана с целью определения характеристики веществ, имеющих минеральное происхождение.
Среди основных разделов данной науки выделяют:
- анализ строения, физических и химических свойств;
- взаимосвязь между строением и реакционной способностью;
- создание новых методов синтеза веществ;
- разработку технологий очистки смесей;
- методы изготовления материалов неорганического вида.
Классификация
Неорганическая химия подразделяется на несколько разделов, занимающихся изучением определенных фрагментов:
- химических элементов;
- классов неорганических веществ;
- полупроводниковых веществ;
- определенных (переходных) соединений.
Взаимосвязь
Неорганическая химия взаимосвязана с физической и аналитической химией, которые обладают мощным набором инструментов, позволяющих проводить математические вычисления. Теоретический материал, рассматриваемый в данном разделе, применяют в радиохимии, геохимии, агрохимии, а также в ядерной химии.
Неорганическая химия в прикладном варианте связана с металлургией, химической технологией, электроникой, добычей и переработкой полезных ископаемых, конструкционных и строительных материалов, очисткой промышленных стоков.
История развития
Общая и неорганическая химия развивалась вместе с человеческой цивилизацией, потому включает в себя несколько самостоятельных разделов. В начале девятнадцатого века Берцелиусом была опубликована таблица атомных масс. Именно этот период стал началом развития данной науки.
В качестве основы неорганической химии выступили исследования Авогадро и Гей-Люссака, касающиеся характеристик газов и жидкостей. Гессу удалось вывести математическую связь между количеством теплоты и агрегатным состоянием вещества, что существенно расширило горизонты неорганической химии. Например, появилась атомно-молекулярная теория, которая ответила на множество вопросов.
В начале девятнадцатого века Дэви сумел разложить электрохимическим способом гидроксиды натрия и калия, открыв новые возможности для получения простых веществ путем электролиза. Фарадей, основываясь на работе Дэви, вывел законы электрохимии.
Со второй половины девятнадцатого века курс неорганической химии существенно расширился. Открытия Вант-Гоффа, Аррениуса, Освальда внесли новые веяния в теорию растворов. Именно в этот временной период был сформулирован закон действующих масс, позволивший проводить различные качественные и количественные вычисления.
Учение о валентности, созданное Вюрцом и Кекуле, позволило найти ответы на многие вопросы неорганической химии, связанные с существованием разных форм оксидов, гидроксидов. В конце девятнадцатого века были открыты новые химические элементы: рутений, алюминий, литий: ванадий, торий, лантан, и др. Это стало возможным после введения в практику методики спектрального анализа. Инновации, появившиеся в тот период в науке, не только объяснили химические реакции в неорганической химии, но и позволили предсказывать свойства получаемых продуктов, области их применения.
К концу девятнадцатого века было известно о существовании 63 различных элементов, а также появились сведения о разнообразных химических веществах. Но из-за отсутствия их полной научной классификации, можно было решать далеко не все задачи по неорганической химии.
Закон Менделеева
Периодический закон, созданный Дмитрием Ивановичем, стал базой для систематизации всех элементов. Благодаря открытию Менделеева, химикам удалось скорректировать представления об атомных массах элементов, предсказать свойства тех веществ, которые еще не были открыты. Теория Мозли, Резерфорда, Бора, придала физическое обоснование периодическому закону Менделеева.
Неорганическая и теоретическая химия
Для того чтобы понять, что изучает химия, нужно рассмотреть основные понятия, включенные в этот курс.
Основным теоретическим вопросом, изучаемым в данном разделе, является периодический закон Менделеева. Неорганическая химия в таблицах, представленная в школьном курсе, знакомит юных исследователей с основными классами неорганических веществ, их взаимосвязью. Теория химической связи рассматривает природу связи, ее длину, энергию, полярность. Метод молекулярных орбиталей, валентных связей, теория кристаллического поля - основные вопросы, позволяющие объяснять особенности строения и свойств неорганических веществ.
Химическая термодинамика и кинетика, отвечающие на вопросы, касающиеся изменения энергии системы, описание электронных конфигураций ионов и атомов, их превращение в сложные вещества, базирующиеся на теории сверхпроводимости, дали начало новому разделу - химии полупроводниковых материалов.
Прикладной характер
Неорганическая химия для чайников предполагает использование теоретических вопросов в промышленности. Именно этот раздел химии стал основой для разнообразных производств, связанных с производством аммиака, серной кислоты, углекислого газа, минеральных удобрений, металлов и сплавов. С помощью химических методов в машиностроении получают сплавы с заданными свойствами и характеристиками.
Предмет и задачи
Что изучает химия? Это наука о веществах, их превращениях, а также областях применения. На данный временной промежуток есть достоверные сведения о существовании порядка ста тысяч разнообразных неорганических соединений. При химических превращениях происходит изменение состава молекул, образуются вещества с новыми свойствами.
Если изучается неорганическая химия с нуля, необходимо сначала познакомиться с ее теоретическими разделами, и только после этого можно приступать к практическому использованию полученных знаний. Среди многочисленных вопросов, рассматриваемых в этом разделе химической науки, необходимо упомянуть атомно-молекулярное учение.
Молекула в нем рассматривается в качестве наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами. Она делимы до атомов, являющихся самыми небольшими частицами вещества. Молекулы и атомы находятся в постоянном движении, для них характерны электростатические силы отталкивания и притяжения.
Неорганическая химия с нуля должна базироваться на определении химического элемента. Под ним принято подразумевать вид атомов, имеющих определенный ядерный заряд, строение электронных оболочек. В зависимости от строения, они способны вступать в разнообразные взаимодействия, образуя вещества. Любя молекула является электрически нейтральной системой, то есть, в полной мере подчиняется всем законам, существующим в микросистемах.
Для каждого элемента, существующего в природе, можно определить количество протонов, электронов, нейтронов. В качестве примера приведем натрий. Число протонов в его ядре соответствует порядковому номеру, то есть, 11, и равно числу электронов. Для вычисления числа нейтронов, необходимо вычесть из относительной атомной массы натрия (23) его порядковый номер, получим 12. Для некоторых элементов были выявлены изотопы, отличающиеся по количеству нейтронов в атомном ядре.
Составление формул по валентности
Чем еще характеризуется неорганическая химия? Темы, рассматриваемые в этом разделе, предполагают составление формул веществ, проведение количественных вычислений.
Для начала проанализируем особенности составления формул по валентности. В зависимости от того, какие элементы будут включены в состав вещества, существуют определенные правила определения валентности. Начнем с составления бинарных соединений. Данный вопрос рассматривается в школьном курсе неорганической химии.
У металлов, располагающихся в главных подгруппах таблицы Менделеева, показатель валентности соответствует номеру группы, является постоянной величиной. Металлы, находящиеся в побочных подгруппах, могут проявлять различные валентности.
Есть некоторые особенности в определении валентности у неметаллов. Если в соединении он располагается в конце формулы, то проявляет низшую валентность. При ее вычислении, из восьми вычитают номер группы, в которой располагается этот элемент. Например, в оксидах, кислорода проявляет валентность два.
Если же неметалл располагается в начале формулы, он демонстрирует максимальную валентность, равную номеру его группы.
Как составить формулу вещества? Есть определенный алгоритм, которым владеют даже школьники. Сначала необходимо записать знаки элементов, упоминаемых в названии соединения. Тот элемент, который в наименовании указывается последним, в формуле располагают на первом месте. Далее над каждым из них ставят, пользуясь правилами, показатель валентности. Между значениями определяют наименьшее общее кратное. При его делении на валентности, получают индексы, располагаемые под знаками элементов.
Приведем в качестве примера вариант составления формулы оксида углерода (4). Сначала располагаем рядом знаки углерода и кислорода, входящие в состав данного неорганического соединения, получаем СО. Поскольку первый элемент имеет переменную валентность, она указана в скобках, у кислорода ее считают, вычитая из восьми шесть (номер группы), получают два. Конечная формула предложенного оксида будет иметь вид СО 2 .
Среди многочисленных научных терминов, используемых в неорганической химии, особый интерес представляет аллотропия. Она поясняет существование нескольких простых веществ, имеющих в основе один химический элемент, отличающийся между собой по свойствам и строению.
Классы неорганических веществ
Существует четыре основных класса неорганических веществ, заслуживающих детального рассмотрения. Начнем с краткой характеристики оксидов. Данный класс предполагает бинарные соединения, в которых обязательно присутствует кислород. В зависимости от того, какой элемент начинает формулу, существует их подразделение на три группы: основные, кислотные, амфотерные.
Металлы, имеющие валентность больше четырех, а также все неметаллы, образуют с кислородом кислотные оксиды. Среди их основных химических свойств, отметим способность взаимодействовать с водой (исключением является оксид кремния), реакции с основными оксидами, щелочами.
Металлы, валентность которых не превышает двух, образуют основные оксиды. Среди основных химических свойств данного подвида, выделим образование щелочей с водой, солей с кислотными оксидами и кислотами.
Для переходных металлов (цинка, бериллия, алюминия) характерно образование амфотерных соединений. Их основным отличием является двойственность свойств: реакции со щелочами и кислотами.
Основаниями называют масштабный класс неорганических соединений, имеющих схожее строение и свойства. В молекулах таких соединений содержится одна либо несколько гидроксильных групп. Сам термин был применен к тем веществам, которые в результате взаимодействия образуют соли. Щелочами называют основания, имеющие щелочную среду. К ним относят гидроксиды первой и второй групп главных подгрупп таблицы Менделеева.
В кислых солях, помимо металла и остатка от кислоты, есть катионы водорода. Например, гидрокарбонат натрия (пищевая сода) является востребованным соединением в кондитерской промышленности. В основных солях вместо катионов водорода находятся гидроксид-ионы. Двойные соли это составная часть многих природных минералов. Так, хлорид натрия, калия (сильвинит) находится в земной коре. Именно это соединение в промышленности используют для выделения щелочных металлов.
В неорганической химии существует специальный раздел, занимающийся изучением комплексных солей. Эти соединения активно участвуют в обменных процессах, происходящих в живых организмах.
Термохимия
Данный раздел предполагает рассмотрение всех химических превращений с точки зрения потери либо приобретения энергии. Гессу удалось установить зависимость между энтальпией, энтропией, и вывести закон, объясняющий изменение температуры для любой реакции. Тепловой эффект, характеризующий количество выделяемой либо поглощаемой энергии в данной реакции, определяется как разность суммы энтальпий продуктов реакций и исходных веществ, взятых с учетом стереохимических коэффициентов. Закон Гесса является основным в термохимии, позволяет проводить количественные расчеты для каждого химического превращения.
Коллоидная химия
Только в двадцатом веке данный раздел химии стал отдельной наукой, занимающейся рассмотрением разнообразных жидких, твердых, газообразных систем. Суспензии, взвеси, эмульсии, отличающиеся по размерам частиц, химических параметрам, подробно изучаются в коллоидной химии. Результаты многочисленных исследований активно внедряются в фармацевтической, медицинской, химической промышленности, дают возможность ученым и инженерам синтезировать вещества с заданными химическими и физическими характеристиками.
Заключение
Неорганическая химия в настоящее время является одним из самых больших разделов химии, содержит огромное количество теоретических и практических вопросов, позволяющих получать представления о составе веществ, их физических свойствах, химических превращениях, основных отраслях применения. При владении основными терминами, законами, можно составлять уравнения химических реакций, осуществлять по ним разнообразные математические вычисления. Все разделы неорганической химии, связанные с составлением формул, записью уравнений реакций, решением задач на растворы предлагаются ребятам на выпускном экзамене.