«Общая и неорганическая химия Часть I ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, СТРОЕНИЕ АТОМА, ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Школа имени А.Н.Колмогорова Издательство Московского университета 2000 УДК 546 ББК 24.1 К 66 Коренев Ю.М., Овчаренко В.П. К 66 ...»

-- [ Страница 1 ] --

Ю.М.Коренев, В.П.Овчаренко

неорганическая химия

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, СТРОЕНИЕ АТОМА,

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Школа имени А.Н.Колмогорова

Издательство Московского университета

Коренев Ю.М., Овчаренко В.П.

К 66 Общая и неорганическая химия. Курс лекций. Часть I.

Основные понятия, строение атома, химическая связь. – М.:

Школа имени А. Н. Колмогорова, Издательство Московского университета, 2000. – 60 с.

ISBN 5-211-04200-X Настоящее методическое пособие составлено в соответствии с программой курса неорганической химии, и читаемого учащимся химико-биологического отделения Школы имени А. Н. Колмогорова Специализированного 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 I Основные понятия и определения 1.1. Строение вещества Одним из основных понятий химии и других естественных наук является атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитывает уже около 2500 лет. Впервые понятие атома зародилось в Древней Греции, примерно в V в. до н. э. Основоположниками атомистического учения были древнегреческие философы Левкипп1 и его ученик Демокрит. Именно они выдвинули идею о дискретном строении материи и ввели термин «АТОМ».

Учение Демокрита не получило широкого распространения, и в течение большого исторического периода в химии (а во времена средневековья – алхимии) господствовала теория Аристотеля (384 – 322 гг. до н. э.).

Согласно учению Аристотеля, основными началами природы являются абстрактные «принципы»: холод, тепло, сухость и влажность, при комбинации которых образуются четыре основных «элемента-стихии»:

земля, воздух, огонь и вода.

И только в начале XIX столетия английский ученый Джон Дальтон возвращается к атомам как наименьшим частицам материи и вводит в науку этот термин. Этому предшествовали работы таких замечательных ученых, как Р. Бойль (в книге «Химик-скептик» он нанес сокрушительный удар по представлениям алхимиков), Дж. Пристли и К. В. Шееле (открытие кислорода), Г. Кавендиш (открытие водорода), А. Л. Лавуазье (попытка составить первую таблицу простых веществ), М. В. Ломоносов (основные положения 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 ХХ столетий, заставили ученых совершенно иначе смотреть на атомномолекулярное учение. Оказалось, что атом обладает сложным строением и не является наименьшей частицей материи.

Здесь мы не будем приводить устаревшее определение этого понятия, а сразу дадим формулировку, базирующуюся на современных представлениях.

1 Левкипп () – древнегреч. философ. О жизни Левкиппа практически ничего не известно.

Глава I Атом (греч. µ – неделимый) – это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральную микросистему, состоящую из положительно заряженного ядра и соответствующего числа электронов.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химический элемент – это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов, характеризующихся определенным признаком – одинаковым зарядом ядра.

Электрон [др.греч. – янтарь (хорошо электризуется при трении)] – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равную 9,109 10–31 кг = 5,486 10–4 а. е. м.2, и несущая элементарный отрицательный заряд, равный 1,6 10–19 Кл.

В химии и в физике при решении многих задач заряд электрона принимают за – 1 и заряды всех остальных частиц выражают в этих единицах. Электроны входят в состав всех атомов.

Протон (греч. – первый) – элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех химических элементов, обладает массой покоя mp =1,672 10–27 кг = 1,007 а. е. м. и элементарным положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона, т. е. 1,6 10–19 Кл.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента.

Нейтрон (лат. neutrum – ни то, ни другое) – электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу покоя протона mn = 1,675 10–27 кг = 1,009 а. е. м.

Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением ядра изотопа водорода 1Н, представляющего собой один протон).

Элементарна Обозначен 2 а. е. м. – атомная единица массы, см. ниже.

Обобщающее (групповое) название протонов и нейтронов – нуклоны.

Массовое число – общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковому номеру 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 назвать только одну величину – заряд ядра, т. е. порядковый номер элемента в Периодической 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. – одинаковый + – место) – нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся массовыми числами.

Изотопы – нуклиды, занимающие одно и то же место в Периодической системе, т. е. атомы одного и того же химического элемента.

Например: 11 Na, 23 Na, 24 Na – изотопы натрия.

Изобары (греч. – равный + – вес) – нуклиды, имеющие одинаковые массовые числа, но различное число протонов (т. е.

относящиеся к различным химическим элементам), например, 90Sr, 90Y, Изотоны – нуклиды с одинаковым числом нейтронов.

Довольно долго химики не делали четкого различия между атомами и молекулами простых веществ. В 1811 г. А. Авогадро предложил гипотезу, которая позволяла однозначно определить эти понятия, однако современники ее не оценили, и она получила признание только в 1860 г., после состоявшегося в Карлсруэ (Германия) первого международного съезда химиков, когда молекула стала пониматься как мельчайшая частица вещества, участвующая в его химических превращениях. По мере развития естественных наук определение молекулы претерпело некоторые изменения.

Молекула (уменьшительное от лат. moles – масса) – это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических элементов и существует как единая система атомных ядер и электронов. В случае одноатомных молекул (например, благородных газов) понятия атома и молекулы совпадают.

Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей.

В химии, кроме атомов и молекул, приходится рассматривать и другие структурные единицы: ионы и радикалы.

Ионы (греч. – идущий) – электрически заряженные частицы, образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результате присоединения или потери электронов.

Положительно заряженные ионы называются катионами (греч. – вниз + ион), отрицательно заряженные – анионами (греч. – вверх + ион).

Например, K+ – катион калия, Fe2+ – катион железа, NH + – катион аммония, Cl– – анион хлора (хлорид-анион), S2– – анион серы (сульфиданион), SO 2 – сульфат-анион.

Радикалы (лат. radicalis – коренной) – частицы (атомы или группы атомов) с неспаренными электронами.

Они обладают высокой реакционной способностью. Например, H – радикал водорода, Cl – радикал хлора, CH3 – радикал-метил. В то же время парамагнитные молекулы, например, O2, NO, NO2, имеющие неспаренные электроны, не являются радикалами.

Простое вещество – вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.

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.

Аллотрпия (греч. – другой + – поворот) – способность химического элемента существовать в виде двух или нескольких простых веществ, отличающихся количеством атомов в молекуле (например, O2 и O3) или разной структурой кристаллов (графит и алмаз).

Полиморфизм (греч. µ – многообразный) – способность твердых веществ существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и различными же свойствами.

Такие формы называются полиморфными модификациями.

Например, FeS2 может образовывать два вещества с различными кристаллическими структурами (полиморфные модификации): одно называется пирит, а другое – марказит. Являются ли эти вещества аллотропными модификациями? Не являются.

Аллотропия относится только к простым веществам и рассматривает как различие в составе их молекул, так и различие в строении кристаллических решеток. Если речь идет о различии в строении кристаллических решеток простых веществ, то понятия полиморфизм и аллотропия совпадают, например, о графите и алмазе можно сказать, что это аллотропные формы, а можно – полиморфные формы.

Возможность образования двух и более видов молекул, Кислород. Образует две аллотропные формы: O2 и O3 – озон. Они различаются как по физическим, так и по химическим свойствам.

Кислород O2 – бесцветный газ, без запаха. Озон O3 – газ голубого цвета с характерным запахом (даже свое название он получил от греч.

(ozein) – пахнуть).

В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в бледно-голубой цвет. Озон в жидком состоянии интенсивно окрашен в фиолетовый цвет, в твердом состоянии имеет черно-фиолетовый цвет.

Кислород парамагнитен, озон диамагнитен.

По химической активности кислород и озон резко различаются. Озон более реакционноспособен, чем кислород, и проявляет более сильные окислительные свойства.

Несмотря на то, что кислород взаимодействует почти со всеми элементами в свободном виде, во многих случаях эти реакции протекают только при повышенной температуре. Озон же реагирует со многими веществами в таких условиях, когда кислород остается инертным, например, Озон окисляет ртуть и серебро в оксиды.

Фосфор. Известны две аллотропные формы фосфора: белая и красная.

Белый фосфор состоит из тетраэдрических молекул P4. Красный фосфор можно рассматривать как полимерные молекулы P. Безусловно, в твердом состоянии эти модификации отличаются и строением кристаллических решеток, и физическими свойствами.

Все аллотропные формы фосфора также проявляют значительное различие и в химических свойствах, которые, прежде всего, заключаются в их различной реакционной способности. Белый фосфор – более активная, а красный – менее активная формы.

Белый фосфор медленно окисляется на воздухе уже при обычной температуре (чем обусловлено свечение белого фосфора), в то время как красный устойчив на воздухе и загорается только при нагревании.

Образование различных кристаллических решеток Этот случай аллотропии можно рассматривать также и как полиморфизм простых веществ.

Углерод. Для углерода известно несколько аллотропных модификаций:

графит, алмаз, карбин, фулерены.

Графит и алмаз образуют атомные кристаллические решетки, различающиеся по строению. Эти два вещества резко различаются и по своим физическим свойствам: алмаз бесцветный, прозрачный, графит черно-серого цвета, непрозрачный, алмаз – самое твердое вещество, графит – мягкий, алмаз не проводит электрический ток, графит проводит электрический ток. При обычных условиях алмаз является метастабильной (менее устойчивой) формой. При нагревании алмаза (t > 1 000°С) он необратимо переходит в графит. Переход графита в алмаз протекает при более высокой температуре и обязательно при очень высоком давлении.

Олово. Хорошо известны две аллотропные формы олова – серое и белое.

Серое олово (-олово) существует при температуре ниже 13,2°С, проявляет полупроводниковые свойства, очень хрупкое вещество с плотностью 5,846 г/см3.

Белое олово (-олово) – по физическим свойствам типичный металл серебристо-белого цвета, хорошо проводит тепло и электрический ток, пластичный, плотность 7,295 г/см3 устойчиво в интервале температур 13,2 – 173°С. Выше этой температуры -олово переходит в другую модификацию – -олово, которое имеет другое строение кристаллической решетки и плотность 6,54 г/см3.

Многие полиморфные (или аллотропные) модификации могут находиться в метастабильном состоянии, т. е. существовать продолжительное время при условиях для них не характерных («в чужой области»).

Например, белое олово может переохлаждаться и существовать продолжительное время при температуре ниже 13,2°С, однако его состояние при этих условиях неустойчиво, поэтому механические повреждения, резкое сотрясение и т. п. могут вызвать резкий переход в форму. Это хорошо известное явление назвали «оловянной чумой».

Примеси также оказывают существенное влияние на переход из одной формы в другую. Например, незначительная примесь висмута практически предотвращает переход белого олова в серое, а добавка алюминия, наоборот, ускоряет этот переход.

Для каждой аллотропной (или полиморфной) формы существует свой определенный интервал температур и давлений, где эта модификация устойчива. Например, при температурах до 95,6°С устойчива ромбическая сера (-форма), а при более высокой температуре – моноклинная (форма). Эти две аллотропные формы отличаются друг от друга строением кристаллических решеток.

Сложное вещество, или соединение – вещество, состоящее из атомов разных химических элементов.

Изоморфизм (греч. – равный, подобный + µ – форма) – способность сходных по составу веществ образовывать смешанные кристаллы, в которых близкие по размеру атомы, ионы или атомные группировки случайным образом замещают друг друга.

Например, в кристаллах алюмокалиевых квасцов KAl(SO4)2 12 H2O ионы калия могут быть замещены ионами рубидия или аммония, а ионы Al3+ ионами Cr3+ или Fe3+. В этом случае говорят, что катионы калия изоморфны катионам рубидия или аммония, а катионы алюминия изоморфны катионам хрома или железа.

1.2. Количественные соотношения в химии Массы атомов и молекул очень малы, и использовать для численного выражения их величин общепринятую единицу измерения – килограмм – неудобно. Поэтому для выражения масс атомов и молекул используют другую единицу измерения – атомную единицу массы (а. е. м.).

Атомная единица массы (а. е. м.) – единица измерения масс атомов, молекул и элементарных частиц.

За атомную единицу массы принята 1 / 12 массы нуклида углерода 12C.

Масса этого нуклида в единицах СИ равна 1,9927 10–26 кг.

Относительная атомная масса (устаревший термин – атомный вес) – масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а. е. м.).

Обозначается Ar.

Большинство природных химических элементов представляют собой смесь изотопов. Поэтому за относительную атомную массу элемента принимают среднее значение относительной атомной массы природной смеси его изотопов с учетом их содержания в земных условиях. Именно эти значения и приведены в Периодической системе.

Например, кислород имеет три изотопа 16O, 17O и 18O, их атомные массы и содержание в природной смеси приведены в таблице 3.

Среднее значение атомной массы с учетом вклада каждого изотопа вычисляется по следующей формуле:

где Ar, j – атомные массы соответствующих изотопов, ni – содержание их в природной смеси (в мольных долях). Подставляя в эту формулу соответствующие значения из таблицы 3 для атомной массы кислорода, получим:

Ar = 15,995 0,99759 + 16,999 0,00037 + 17,999 0,0024 = Обратите внимание на то, что атомная масса и массовое число – совершенно различные понятия: первое – масса атома, выраженная в а. е. м., а второе – число нуклонов в ядре. Атомная масса – дробная величина (имеет целое значение только для изотопа 12C), в отличие от массового числа, которое является всегда целым.

Численно эти величины очень близки; например, для водорода атомная масса равна 1,0078, а массовое число равно 1, для гелия атомная масса равна 4,0026, а массовое число – 4.

Относительные атомные массы имеют дробные значения по следующим причинам:

1) большинство элементов, существующих в природе, представляют смесь нескольких изотопов, и в Периодической системе указывается среднее значение относительной атомной массы смеси природного изотопного состава.

2) для моноизотопных элементов (например, 23Na) это значение будет также дробным, т. к. масса нуклонов, выраженная в а. е. м., не является целым числом (см. табл. 3) и при образовании ядра часть массы нуклонов переходит в энергию, в соответствии с уравнением Eсвязи = m c2, где c = 3 108 м/с – скорость света в вакууме.

При образовании любой связи всегда выделяется энергия, на что и расходуется часть массы связывающихся частиц. В случае образования химических связей эта величина очень мала, поэтому изменением массы здесь пренебрегают и считают, что масса образовавшейся частицы равна сумме масс частиц, участвующих в ее образовании. При образовании же ядра выделяется очень большая энергия, и «дефект массы» хорошо заметен.

Молекулярная масса – масса молекулы, выраженная в а. е. м. Масса молекулы практически равна сумме относительных атомных масс входящих в нее атомов.

Если же вещество состоит не из молекул, а, например, из ионов (NaCl), или является олигомером [(H2O)n], то относительную молекулярную массу указывают для формульной единицы вещества. Под формульной единицей вещества следует понимать химический состав наименьшего количества данного вещества.

Моль – единица измерения количества вещества. Обозначается.

1 моль – это такое количество вещества, в котором содержится столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, радикалов), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12C, а именно – Молярная масса вещества (М) равна отношению массы этого вещества (m) к его количеству ():

Прежнее определение: масса одного моля вещества, численно равна его молекулярной массе, но выражается в единицах г/моль. Возможно, оно, на первых порах, облегчит решение расчетных задач.

Обратите внимание на различие в понятиях: «молярная масса» и «молекулярная масса», похожих по звучанию, но относящихся к разному числу объектов: первое – это масса одного моля вещества (т. е. масса 6,022 1023 молекул), а второе – масса одной молекулы, и выражены они в разных единицах – г/моль и а. е. м. соответственно.

Понятие «количество вещества» и, соответственно, единица его измерения – моль используются в большинстве химических расчетов. Эта величина однозначно связана с массой, числом структурных единиц и объемом (если это газ или пары) вещества. Если задано количество вещества, то эти величины легко рассчитать.

Массовая доля вещества A в системе – отношение его массы к массе всей системы (часто эту величину выражают в %):

Все задачи, связанные с расчетами по массовым долям, следует решать, используя эту формулу. Чтобы избежать досадных технических ошибок, рекомендуем при проведении расчетов сразу же % перевести в доли.

Объемная доля компонента – отношение объема компонента к объему всей системы:

Мольная доля компонента – отношение количества вещества (моль) компонента A к общему количеству молей всех компонентов системы:

Закон сохранения энергии – энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, но отдельные ее виды могут переходить друг в друга по строго определенным эквивалентным соотношениям.

Так, если энергия химических связей в продуктах реакции больше, чем в реагентах, то освобожденная энергия выделяется в виде тепла, света, либо за счет нее произойдет работа (например, взрыв или движение поршня).

Закон сохранения массы (М. В. Ломоносов, 1748 г.) – масса всех веществ, вступивших в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

С точки зрения атомно-молекулярного учения закон сохранения массы объясняется так: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка. Так как число атомов до реакции и после остается неизменным, то их общая масса также не изменяется.

На основании этого закона проводятся все расчеты по уравнениям химических реакций.

Закон постоянства состава (Пруст, 1806 г.) – каждое химическое соединение имеет вполне определенный и постоянный состав.

Как следствие из этого закона вытекает, что состав химического соединения не зависит от способа его получения.

Вещества, состав которых подчиняется этому закону, получили название дальтониды. Вещества, состав которых зависит от способа получения, называются бертоллидами (например, оксиды переходных металлов).

Закон кратных отношений (Дальтон) – если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон Авогадро (1811 г.) – в равных объемах различных идеальных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Следствия из закона Авогадро 1°. 1 моль любого идеального газа при одинаковых условиях (температуре и давлении) занимает один и тот же объем.

При нормальных условиях (н. у.):

- p = 101325 Па = 101,325 кПа = 1 атм = 760 мм рт. ст.

- молярный объем любого идеального газа равен 22,4 л/моль (22,4 10–2 м3).

2°. Плотности идеальных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) прямо пропорциональны их молярным массам:

т. к. из закона Авогадро следует, что при одинаковых условиях (p и t) для любых идеальных газов отношение / V = const.

Для газов вводят понятие относительной плотности одного газа по другому. DA(X) – относительная плотность газа Х по газу А:

В химии, как и в каждой науке, есть своя система условных знаков, знание которой необходимо для понимания этого предмета.

Химическая символика – это своеобразный алфавит, с помощью которого записывают «слова» – формулы соединений и «фразы» – уравнения химических реакций, в той или иной мере отражающие реально происходящие процессы.

Еще в средневековье известные тогда химические элементы обозначали условными символами, такими же, какие использовали для обозначения небесных тел. Дело в том, что, по представлениям алхимиков, каждому из известных в то время элементов соответствовало свое небесное тело.

Некоторые представления алхимиков отражены в стихотворной форме:

Обозначения небесных тел и «соответствующих» им химических элементов, принятые в средние века, представлены в таблице 4.

Элемент Небесное тело Символ Безусловно, такие символы для обозначения химических элементов были не очень удобны. Более того, к 1800 году было известно около химических элементов (правда, некоторые еще не были выделены как простые вещества, а были известны преимущественно в виде оксидов), и использование подобной символики стало невозможным.

Д. Дальтон предложил другие обозначения химических элементов, ниже приведены некоторые примеры этой символики:

Символы химических элементов, предложенные Д. Дальтоном Как видно из этих примеров, в некоторых случаях Дальтон использовал начальные буквы английских названий элементов (например: железо – Iron, медь – Copper, свинец – Lead), обведенные кружком. Известный шведский химик XIX столетия Йенс Якоб Берцелиус, внесший большой вклад в разработку атомистической теории Дальтона, предложил совершенно новую символику для обозначения химических элементов. Он решил, что каждому химическому элементу должен соответствовать свой особый знак, который одновременно был бы и символом химического элемента и обозначал бы один атом. В качестве такого символа было предложено использовать начальную букву латинского названия элемента (например, водород – Hidrohenium – символ H, сера – Sulfur – S и т. п.). В тех случаях, когда названия двух элементов начинаются с одной и той же буквы, добавлялась вторая буква, входящая в название этого элемента, например, C – углерод, Cu – медь, Cd – кадмий. Так появились символы химических элементов, которыми пользуются во всем мире и поныне.

Некоторые элементы (например, железо, золото, свинец) известны с глубокой древности, и их названия имеют историческое происхождение.

В основу названий элементов, открытых за последние 300 лет, были положены различные принципы: по минералу, из которого впервые был выделен этот элемент, например, бериллий (по названию минерала – берилла), по названию страны – родины первооткрывателя, например, германий (нем. химик К. Винклер) в честь Германии, по некоторым свойствам, например, хлор (от греч. – зеленый), фосфор (от греч.

– свет, – несу). Искусственные элементы получили свои названия в честь известных ученых, например, менделевий, эйнштейний.

Если символ химического элемента мысленно вписать в квадрат, то углы этого квадрата используют, при необходимости, для дополнительной информации:

С помощью химических символов элементов записывают химические формулы веществ. Например, формула серной кислоты H2SO4 показывает, что молекула этого соединения состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода. Используя химические формулы, записывают уравнения химических реакций, например:

В левую часть уравнения записывают вещества, вступающие в химическую реакцию (исходные вещества), а в правую – вещества, образующиеся в результате реакции (продукты реакции), причем число атомов каждого элемента в левой части уравнения должно быть равно числу атомов этого элемента в правой части (закон сохранения массы веществ).

Любая химическая формула – это условная запись, которая несет определенную информацию о данном веществе, и в зависимости от того, какую информацию хотят сообщить, пользуются различными формулами.

1°. Молекулярная формула (или брутто-формула) отражает только качественный и количественный состав соединения, т. е. показывает, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав данного вещества, и ничего не говорит о его строении, например:

2°. Графическая формула (ее ошибочно часто называют структурной формулой) дает дополнительную информацию: кроме качественного и количественного состава она показывает, в какой последовательности атомы связаны друг с другом, а также указывает кратности связей (простая, двойная, тройная):

Однако эти формулы ничего не говорят о структуре молекул, т. е. не отражают относительное расположение атомов в пространстве.

3°. Электронная формула несет дополнительную информацию по сравнению с графической (хотя, по сути, очень на нее похожа) – показывает, какие из валентных электронов участвуют в образовании связей, а также наличие неспаренных электронов и неподеленных электронных пар:

4°. Структурная формула изображается в масштабе, в соответствующей проекции, дающей объемное представление о молекуле и показывает относительное расположение атомов в пространстве. При необходимости к структурным формулам прилагаются таблицы, в которых указывают длины связей (расстояния между центрами связанных атомов) и валентные углы (углы между связями).

5°. Возможно использование и других вариантов формул для передачи соответствующей информации о молекуле или облегчающих восприятие информации, например показывает наличие свободной орбитали 1. Сколько атомов водорода содержится в 1 л водорода при н. у.?

Решение. Т. к. 1 моль любого идеального газа занимает при н. у. 22,4 л, то в 1 л водорода (мы можем считать его приближенно идеальным газом) будет содержаться = 0,045 моль молекул водорода. Каждая молекула водорода состоит из двух атомов, значит, количество атомов в два раза больше: 2 0,045 = 0,09 моль. Чтобы найти, сколько атомов находится в этом количестве вещества, умножим его на число Авогадро:

2. Какова масса 1 молекулы NaOH?

Решение. Рассчитаем сначала молекулярную массу NaOH в единицах а. е. м., исходя из значений атомных масс натрия, кислорода и водорода.

А теперь переведем в единицы СИ:

3. Какая энергия выделяется при образовании атома гелия из элементарных частиц?

Решение. Атомная масса гелия 4,0026 а. е. м. Рассчитаем суммарную массу элементарных частиц, составляющих гелий:

2mp + 2mn + 2me = 2(1,007 + 1,009 + 5,5 10–4) = 4,0331 а. е. м.

Дефект массы составляет или 4. А г СаО растворили в избытке воды массой В г. Выразите массовую долю вещества в полученном растворе.

Решение. Для решения этой задачи необходимо помнить, что при растворении оксида кальция в воде происходит реакция СаО + Н2О = Са(ОН)2, поэтому растворенным веществом будет гидроксид кальция.

Массу вещества найдем по уравнению реакции:

Масса раствора складывается из массы веществ, образовавших этот раствор (поскольку в результате реакции не выпадает осадок и не выделяется газ, ничего вычитать не требуется) A + B. Таким образом, = (100%).

5. Смешали 11,2 л хлора и 22,4 л водорода. Найдите объемные доли газов в смеси после прохождения реакции.

Решение. Протекает реакция H2 + Cl2 = 2 HCl. Так как объемы газов пропорциональны их количествам веществ, то 1 объем водорода будет реагировать с 1 объемом хлора, при этом образуются 2 объема хлороводорода. Хлор в недостатке, он прореагирует полностью; 11,2 л водорода вступит в реакцию и еще 11,2 л останется. Хлороводорода получится 2 11,2 = 22,4 л.

Суммарный объем системы 11,2 + 22,4 = 33,6 л. Объемная доля водорода 11,2 / 33,6 = 0,33 (33%), хлороводорода 22,4 / 33,6 = 0,67 (67%), или 6. В сплаве содержится 40 % K и 60 % Na. Найдите мольные доли компонентов.

Решение. М(K) = 39, M(Na) = 23. Если в 100 г сплава содержится 40 г K, то это составляет 40 / 39 = 1,03 моль. 60 г натрия – это 60 / 23 = 2,61 моль.

Общее количество вещества в 100 г сплава 1,03 + 2,61 = 3,64 моль. Отсюда мольные доли: калия 1,03 / 3,64 = 0,28 (28%), натрия 2,61 / 3,64 = 0,72 (72%), или 100 – 28 = 72%.

7. Соединение углерода с водородом содержит 75 % углерода по массе.

Решение. Напишем формулу в общем виде: СхНу. Масса углерода в молекуле этого вещества пропорциональна 12х, водорода – у. Т. к. массовая доля углерода 75%, получаем: 12х: у = 75: 25, отсюда х: у = 6,25: 25 = 1: 4.

Искомая формула СН4.

8. Плотность газа по воздуху 0,55. Что это за газ?

Решение. Средняя молярная масса воздуха 29. Чтобы найти молярную массу газа, умножим 29 на плотность газа: 29 0,55 = 16. Эта молярная масса соответствует метану СН4, других вариантов нет.

1. Суммарный заряд какого количества электронов составляет 1 Кл?

Какова масса 1 моль электронов?

2. Сколько атомов водорода содержится в 3 л воды а) при 20°С и 1 атм;

б) при 150°С и 1 атм?

3. Какая энергия выделится при образовании из элементарных частиц 1 моль нуклидов 16О?

4. В избытке воды объемом 1 л растворили х г калия. Какова массовая доля вещества в полученном растворе?

5. 16,8 л хлороводорода и 5,6 л бромоводорода растворили в 100 мл воды. Найдите массовые доли веществ в растворе.

6. При 2000°С степень термической диссоциации (т. е. мольная доля молекул, распавшихся под действием тепла) воды составляет около 2%.

Рассчитайте мольные и объемные доли всех компонентов в равновесной смеси при этой температуре.

7. Рассчитайте массовую долю спирта в водном растворе с объемной долей 40%, если плотность спирта (при 20°С) 0,79 г/мл.

8. Слили два раствора: 10 г 20% хлорида бария и 20 г 10% сульфата калия. Найдите массовые доли всех растворенных веществ.

9. В соединении азота с водородом содержится 87,5% азота по массе.

Найдите формулу этого соединения.

10. Некий газ имеет плотность по водороду 8,5. Что это за газ?

11. Изобразите графические формулы азота, оксида железа (III), фосфорной кислоты.

Изучение прохождения электрического тока через различные среды (газы, растворы, расплавы), проводившееся в прошлом столетии, дало первые экспериментальные факты, натолкнувшие на мысль о сложном строении атома.

В 30-х годах XIX века английский физик Майкл Фарадей установил, что электрохимические процессы характеризуются определенными соотношениями, которые указывают на то, что электрические заряды, так же как и материя, имеют дискретный характер, и существует некий минимальный заряд.

Эксперименты с газоразрядными трубками, проведенные во второй половине прошлого века, с очевидностью показали, что в состав атомов должны входить отрицательно заряженные частицы, которые впоследствии были названы электронами3. Эти опыты с разреженными газами имели достаточно простое оформление. В стеклянную трубку впаивали два электрода, затем трубку вакуумировали до давления примерно 10 мм рт. ст.

(0,013 Па). На электроды подавали высокое напряжение (несколько киловольт) и по свечению стенок трубки и остаточных газов наблюдали поток частиц, которые перемещались от отрицательного электрода к положительному. Если на пути этого пучка устанавливали какое-либо препятствие, например, вертушку, то она начинала вращаться, указывая, что частицы имеют конечную массу. Если газоразрядную трубку помещали между пластинами плоского конденсатора, то поток частиц отклонялся к одной из них, а именно к той, которая заряжена положительно, что говорило об отрицательном заряде частиц.

В 1896 году Анри Беккерель, работая с соединениями урана, открыл явление радиоактивности – самопроизвольного распада атомов одного элемента и превращения их в атомы другого химического элемента. При этом было обнаружено, что такие превращения сопровождаются испусканием невидимых глазом излучений.

Несколько позже супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри обнаружили, что невидимое излучение испускают не только соединения 3 Электрон был первой из открытых элементарных частиц. В 1874 г.

Дж. Дж. Стоней предположил, что электрический ток представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, названных им электронами. Однако приоритет открытия электрона почти повсеместно признается за Дж. Дж. Томсоном, который экспериментально доказал наличие электрона и определил отношение его заряда к массе.

урана, но и другие вещества. В результате кропотливой работы ими были открыты два новых химических элемента, которые были названы “радий” и “полоний”.

В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что радиоактивные элементы испускают два вида излучений, которые он назвал - и -лучи. Позже было установлено, что радиоактивные вещества могут испускать три вида излучений:, и. -излучение представляет собой поток ядер атомов гелия и, соответственно, -частицы имеют массу 4 а. е. м. и электрический заряд +2, -лучи – это поток электронов, а -лучи – электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны4.

Все эти экспериментальные факты говорили о том, что атом имеет сложное строение и в его состав должны входить электроны. А т. к. атом в целом является электронейтральной частицей, то отрицательный заряд электронов должен компенсироваться положительным зарядом.

Около 1900 г. Дж. Дж. Томсон предлагает первую модель атома, согласно которой положительный заряд равномерно заполняет весь объем атома, а отрицательный, представленный электронами, вкраплен в эту положительно заряженную сферу. Эта модель получила название «пудинг Томсона». Все полученные к тому времени экспериментальные данные модель объяснить не могла. Она в какой-то мере объясняла опыты Фарадея и эксперименты с газоразрядными трубками, но не могла ответить на самый главный вопрос: «как вообще может существовать такая система электрических зарядов?»5 Несмотря на это, ученые некоторое время пользовались этой моделью.

4 Впоследствии были открыты и другие типы радиоактивного распада: +-распад (испускание позитронов), электронный захват (захват ядром орбитального электрона), испускание запаздывающих нейтронов, спонтанное деление ядер, а в 1961 г. под руководством академика Флерова – протонный распад.

5 Одной из основных теорем электростатики является теорема, сформулированная в XIX веке английским физиком и математиком С. Ирншоу:

всякая равновесная конфигурация покоящихся точечных электрических зарядов неустойчива, если на них, кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания, никакие другие силы не действуют. Эта теорема вытекает из утверждения, что потенциальная энергия статической системы электрических зарядов не может иметь минимума. Наличие же минимума потенциальной энергии является необходимым условием устойчивого равновесия.

Рис. 1. Опыт по прохождению -частиц через вещество.

В 1910 г. студенты Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден проводили эксперименты по бомбардировке -частицами тонких металлических пластинок. Они обнаружили, что большинство -частиц проходят через фольгу, не изменяя своей траектории. И это было неудивительно, если принять правильность модели атома Томсона.

Удивительным было как раз то, что некоторые частицы отклонялись от первоначальной траектории и к всеобщему удивлению примерно 1 из 20 000 -частиц отклонялась на угол близкий к 180°, т. е. отскакивала обратно (см. рис. 1).

Из результатов этого эксперимента можно было сделать следующие выводы:

1) в атоме есть некоторое «препятствие», которое было названо ядром;

2) ядро имеет положительный заряд (иначе положительно заряженные -частицы не отражались бы назад);

3) ядро имеет очень маленькие размеры по сравнению с размерами самого атома (лишь незначительная часть -частиц изменяла направление движения);

4) ядро имеет большую массу, по сравнению с массой -частиц.

Эксперименты по рассеянию -частиц позволили также оценить размеры ядер и атомов:

- ядра имеют диаметры порядка 10–15 – 10–14 м, - атомы имеют диаметры порядка 10–10 м.

Для объяснения полученных результатов Резерфорд выдвинул идею планетарного строения атома. Он рассматривал атом как подобие Солнечной системы: в центре – ядро, содержащее основную массу и весь положительный заряд атома, а вокруг, по разным орбитам, вращаются электроны. Эта модель довольно хорошо объясняла накопившийся к тому времени экспериментальный материал, но страдала двумя недостатками:

1) В соответствии с уравнениями классической электродинамики заряженная частица, движущаяся с ускорением (а электрон в атоме движется с центростремительным ускорением), должна излучать энергию.

При этом потеря энергии должна приводить к уменьшению радиуса орбиты и падению электрона на ядро.

2) Непрерывное изменение траектории электрона должно способствовать и непрерывному изменению частоты излучения и, следовательно, непрерывному спектру испускания. Но эксперименты показывали, что спектр испускания водорода, а также других атомов, находящихся в газообразном состоянии, состоит из нескольких полос, т. е.

имеет дискретный характер.

Выход из создавшегося положения был найден в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, который предложил свою теорию строения атома. При этом он не отбрасывал полностью прежние представления о планетарном строении атома, но для объяснения устойчивости такой системы сделал предположение, что законы классической физики не всегда применимы для описания таких систем, как атомы, и сформулировал два постулата.

Первый постулат Бора. Электроны могут вращаться вокруг ядра по строго определенным стационарным орбитам, при этом они не излучают и не поглощают энергию.

Второй постулат Бора. При переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или испускает квант энергии.

Бор предположил, что момент импульса для электрона в атоме может принимать дискретные значения, равные только целому числу квантов действия, что математически может быть записано так:

где m – масса электрона, v – линейная скорость его вращения, r – радиус орбиты, n – главное квантовое число, принимающее целочисленные значения от 1 до бесконечности, а h = 6,625 10–34 Дж/с – постоянная Планка. Уравнение (7) представляет собой математическое выражение первого постулата Бора.

Энергия электрона на соответствующей орбите определяется выражением:

В этом уравнении, все величины, кроме n, являются константами.

Таким образом, энергия электрона в атоме определяется значением главного квантового числа. Для атома водорода при n = 1, E = 2,176 10– Дж, или 13,6 эВ (1 электронвольт – это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 вольт, и равна 1,6 10–19 Дж).

Используя приведенные выше уравнения, Бор рассчитал спектр излучения атома водорода.

В атоме водорода электрон имеет минимальную энергию на первой орбите. Такое состояние электрона называется основным, или не возбужденным. Если этому электрону сообщить достаточную энергию, то он может перейти на другую орбиту с большим радиусом, например на орбиту № 2, 3 и т. д., в зависимости от сообщенной энергии. Такое состояние называется возбужденным, оно является неустойчивым.

Электрон может находиться на этих орбитах непродолжительное время, а затем переходит на другую орбиту с меньшей энергией, в конечном итоге возвращаясь в основное состояние. При этих переходах происходит испускание энергии в виде электромагнитного излучения.

В 1900 г. Планк предположил, что излучение и поглощение энергии может происходить только строго определенными порциями, названными им квантами. Частота излучения связана с энергией уравнением:

где c – скорость света в вакууме равная 3 108 м/с. Поэтому частота этого излучения зависит от разности между энергиями уровней (). В зависимости от длины волны это излучение может относиться к различным областям спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной. На рис. 2 схематически показаны переходы электрона в возбужденном атоме водорода, которые вызывают излучение в различных областях спектра.

Рис. 2. Электронные переходы в атоме водорода, Расчеты Бора оказались в великолепном согласии с результатами, полученными экспериментально (см. табл. 6).

Длины волн спектральных линий в серии Бальмера (видимая область) При детальном изучении спектральных линий оказалось, что некоторые из них представляют собой не одну, а несколько близко расположенных линий. Это указывало на то, что существуют различные орбиты, на которых электроны имеют близкие значения энергий. Для объяснения этого факта Зоммерфельд предположил, что электроны могут вращаться не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам.

Однако теория Бора не являлась универсальной. С ее позиций нельзя было описать поведение атома водорода в магнитном поле. Не удается также объяснить образование молекулы водорода, возникают непреодолимые трудности принципиального характера при описании многоэлектронных атомов. Боровская теория в химии практически не используется.

Указанные трудности можно преодолеть, если подходить к описанию строения атома с позиций более широкой теории – квантовой механики, рассматривающей поведение частиц в микромире. Законы, которые описывают явления, происходящие в микромире, существенно отличаются от законов, описывающих поведение макротел. Квантовое число n, которое было искусственно введено в теории Бора, оказывается с точки зрения квантовой теории неизбежным следствием более общих законов.

Двойственная природа микромира была впервые установлена для света. С одной стороны, для света характерны такие явления как интерференция и дифракция, которые могут быть объяснены только с позиций его волновой природы. С другой стороны, явление фотоэффекта с позиций этой теории описать невозможно. Это можно сделать, предположив для света корпускулярную (от лат. corpusculum – частица) природу. В 1905 г. Эйнштейн высказал мысль, согласно которой свет испускается в виде частиц, названных фотонами или квантами. Каждый фотон обладает энергией, определяемой уравнением (11).

Из корпускулярной природы света следовало, что фотоны должны обладать определенной массой. Масса покоя фотона равна нулю, а при движении фотон приобретает динамическую массу. Для вычисления этой массы Эйнштейн предложил уравнение эквивалентности массы и энергии:

Объединяя уравнения (11) и (12) получим:

или где p – импульс фотона.

В 1924 г. французский физик де Бройль исходя из представления о двойственной природе микромира, предположил, что электрон имеет определенную длину волны, которая укладывается на орбите целое число раз. Это означает, что 2r = n.

Предположение де Бройля в 1927 году получило экспериментальное подтверждение. Американские физики Девисон и Джермер наблюдали дифракцию электронов на кристаллах хлорида натрия.

В теорию Бора принцип квантования был введен произвольно. В ней в основном использовались законы классической механики. Открытие волновых свойств электрона, фотоэффект, опыты с абсолютно черным телом привели к созданию нового раздела физики – квантовой механики.

Большую роль в ее создании сыграли Э. Шредингер и В. Гейзенберг.

Квантовомеханическая модель атома не такая наглядная, как модель, предложенная Бором, а математический аппарат квантовой механики квантовомеханической модели строения атома будут рассмотрены чисто качественно, без использования математического аппарата. Многое из того, что будет изложено в следующем разделе, читателю придется принять «на веру», без доказательств. Квантовые числа будут просто введены для описания поведения электрона в атоме, в то время как они являются следствием решения уравнения Шредингера.

2.2. Квантовомеханическая модель строения атома Гейзенберг указал на принципиальные различия в наблюдении за микро- и макрообъектами. Наблюдение за любым объектом, в принципе, сводится к двум случаям:

1) Объект сам подает какие-либо сигналы. Например, шум от работающего двигателя, тепловое излучение и т. п.

2) На наблюдаемый объект оказывается какое-то воздействие, например, облучение светом, радиоволнами и т. п., и регистрируется отраженный сигнал (как это широко используется в радиолокации, в эхолокации). Причем, чем сильнее воздействие на наблюдаемый объект, тем сильнее (при прочих равных условиях) отраженный сигнал и надежнее регистрация объекта.

Если ведется наблюдение за привычными для нас макрообъектами, то действие на них электромагнитного излучения (свет, радиоволны и т. д.) не изменяют ни их положения, ни их скорости. Совершенно иначе обстоит дело при наблюдении объектов микромира, например, электронов. При действии кванта света на электрон скорость последнего не остается без изменения. Поэтому, определив при действии фотона положение электрона в какой-то момент времени, мы не в состоянии в это же мгновение определить его скорость – она уже изменилась.

Гейзенберг предложил соотношение, которое получило название «соотношение неопределенностей»:

где p – неопределенность в значении импульса частицы, а x – неопределенность в ее координатах. Из этого соотношения следует, что чем точнее определены координаты электрона, тем с меньшей точностью будет определен его импульс и наоборот. Иными словами, говорить о траектории электрона не имеет смысла, так как для описания последней необходимо точно знать и координаты электрона и его импульс в каждый момент времени (что было заложено в модель атома Бора). Соотношение неопределенностей показывает, что столь точное описание движения такой маленькой частицы, как электрон, невозможно, т. е. само понятие орбита (траектория) электрона оказывается несостоятельным. Необходим совершенно иной метод описания поведения электрона в атоме, который дает квантовая механика. В квантовой механике для описания поведения электрона исходными являются два положения:

1) движение электрона носит волновой характер;

2) наши знания о поведении электрона имеют вероятностный (или статистический) характер.

Некоторые разъяснения по первому положению были уже даны (на стр. 25). Прокомментируем второе положение. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга никогда нельзя точно установить место нахождения частицы. Лучшее, что можно сделать в этом случае, это указать вероятность, с которой частица будет находиться в области пространства V = x y z.

В 1926 г. Шредингер предложил уравнение, в которое для описания поведения электрона в атоме была введена волновая функция. Уравнение имеет обманчиво простой вид:

где E – полная энергия частицы, – волновая функция, H Гамильтона. Гамильтониан показывает, какие математические операции нужно произвести с волновой функцией, чтобы решить уравнение относительно энергии. Физический смысл волновой функции определить трудно, а вот квадрат модуля ее | |2 определяет вероятность нахождения электрона в данной области пространства.

Уравнение Шредингера точно решается для водорода и водородоподобных атомов (т. е. для систем, состоящих из ядра и одного электрона). Из решения этого уравнения для атома водорода вытекало, что поведение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами.

1°. Главное квантовое число n. Оно может принимать значения от до бесконечности, которые определяют:

а) номер энергетического уровня (в теории Бора – номер орбиты);

б) интервал энергий электронов, находящихся на этом уровне;

в) размеры орбиталей (в теории Бора – радиусы орбит);

г) число подуровней данного энергетического уровня (первый уровень состоит из одного подуровня, второй – из двух, третий – из трех и т. д.).

д) в Периодической системе Д. И. Менделеева значению главного квантового числа соответствует номер периода.

Иногда пользуются буквенными обозначениями главного квантового числа, т. е. каждому численному значению n соответствует определенное буквенное обозначение:

2°. Орбитальное или азимутальное квантовое число l. Орбитальное квантовое число определяет момент количества движения (момент импульса) электрона, точное значение его энергии и форму орбиталей.

Новое понятие «орбиталь» по звучанию напоминает слово «орбита», но имеет совершенно иной смысл. Орбиталь – это область пространства, в которой вероятность нахождения электрона имеет определенное значение (90 – 95 %). Иногда орбиталью называют граничную поверхность этой области, а на рисунках, как правило, изображают сечение этой области плоскостью, проходящей через начало координат и лежащей в плоскости рисунка. В начало координат помещают центр ядра атома. Понятие орбиталь, в отличие от орбиты, не подразумевает знания точных координат электрона. Орбитальное квантовое число зависит от главного квантового числа и принимает следующие значения:

причем каждому значению главного квантового числа n соответствует n значений орбитального квантового числа l. Например, если n = 1, то l принимает только одно значение (l = 0) при n = 2 величина l принимает два значения: 0 и 1 и т. д. Каждому численному значению l соответствует определенная геометрическая форма орбиталей и приписывается буквенное обозначение. Первые четыре буквенныx обозначения имеют историческое происхождение и связаны с характером спектральных линий, соответствующих электронным переходам между этими подуровнями: s, p, d, f – первые буквы английских слов, использованных для названия спектральных линий sharp (резкий), principal (главный), diffuse (диффузный), fundamental (основной). Обозначения других подуровней идут в алфавитном порядке: g, h, ….

Значение l Буквенное обознач. l Число подуровней Любой подуровень определяется двумя квантовыми числами – главным (при записи обычно указывают численное значение) и орбитальным (при записи обычно используют буквенное обозначение). Например, энергетический подуровень, для которого n = 2 и l = 1 следует записать так:

2p-подуровень. Все орбитали с одинаковыми значениями l имеют одинаковую геометрическую форму и, в зависимости от значений главного квантового числа различаются размерами, т. е. являются подобными фигурами. Например, все орбитали, для которых l = 0 (s-орбитали) имеют форму сферы, но различаются радиусами, в зависимости от значения главного квантового числа n. Чем больше значение n, тем больше размеры орбиталей, например, 1s-орбиталь имеет наименьшие размеры, радиус 2sорбитали больше, 3s-еще больше.

3°. Магнитное квантовое число ml. Вращение электрона вокруг ядра можно сравнить с движением тока по замкнутому контуру. При этом возникает магнитное поле, напряженность которого направлена перпендикулярно плоскости вращения электрона. Если атом находится во внешнем магнитном поле, то, согласно квантовомеханическим представлениям, его электроны должны расположиться так, чтобы проекции их магнитных моментов на направление этого поля были целочисленными (см. рис. 3). При этом они могут принимать как отрицательные, так и положительные значения, включая нулевое.

Численное значение проекции магнитного момента и является магнитным квантовым числом. Если значение орбитального квантового числа равно l, то магнитное квантовое число будет принимать значения от – l до + l, включая ноль. Общее количество значений будет равно 2l + 1.

Рис. 3. Физический смысл магнитного квантового числа Таким образом, магнитное квантовое число определяет расположение орбиталей в пространстве относительно выбранной системы координат.

Общее число возможных значений ml показывает, сколькими способами можно расположить орбитали данного подуровня в пространстве, т. е.

общее число орбиталей на подуровне.

орбиталей на подуровне Орбитальному квантовому числу l = 0 соответствует единственное значение магнитного квантового числа ml = 0. Эти значения характеризуют все s-орбитали, которые имеют форму сферы. Т. к. в этом случае магнитное квантовое число принимает только одно значение, каждый s-подуровень состоит только из одной орбитали. Рассмотрим любой p-подуровень: при l = 1 орбитали имеют форму гантелей (объемные «восьмерки»), магнитное квантовое число принимает следующие значения ml = – 1, 0, + 1 (три значения), следовательно, p-подуровень состоит из трех орбиталей, и эти орбитали располагаются вдоль трех осей координат и, соответственно, обозначаются px, py, pz. Для d-подуровня l = 2, ml = – 2, – 1, 0, + 1, + 2 (значений), и любой d-подуровень состоит из пяти орбиталей, которые определенным образом расположены в пространстве (см. рис. 6) и соответственно обозначаются dxy, dxz, dzy, d z 2 и d x 2 y 2. Четыре из пяти dорбиталей имеют форму четырехлепестковых розеток, каждая из которых образована двумя гантелями, пятая орбиталь представляет собой гантель с тором в экваториальной плоскости (d z 2 -орбиталь) и расположена вдоль оси z. «Лепестки» орбитали d x 2 y 2 расположены вдоль осей x и y. Орбитали dxy, dxz и dyz расположены между соответствующими осями.

Рис. 4. Пространственные конфигурации s-, p- и d-орбиталей Четвертый энергетический уровень состоит из четырех подуровней – s, p, d и f. Первые три из них аналогичны рассмотренным выше, а четвертый – f-подуровень состоит уже из семи орбиталей, пространственные конфигурации которых достаточно сложны, и рассматривать их мы не будем.

4°. Спиновое квантовое число (спин электрона), ms. В 1926 г.

Уленбек и Голдсмит показали, что помимо орбитального движения электрон должен участвовать во вращении вокруг собственной оси, проходящей через центр. Поэтому электрон должен иметь собственный момент импульса, а так как он является заряженной частицей, то и магнитный момент. Это представление довольно примитивно, но используется для наглядности, поэтому мы будем им пользоваться.

Возможны только два направления вращения электрона вокруг своей оси:

по и против часовой стрелки. Следовательно, спиновое квантовое число принимает лишь два значения: + 1 и 1.

Рис. 5. Возникновение спина электрона (согласно Уленбеку и Голдсмиту) Таким образом, состояние электрона в атоме определяется набором значений четырех квантовых чисел. Понятие «орбиталь» было дано выше (см. стр. 29). Определим четче некоторые термины, которые использовались при разъяснении физического смысла квантовых чисел и будут использоваться в дальнейшем.

Группа орбиталей, имеющих одинаковое значение орбитального квантового числа, образует энергетический подуровень.

Совокупность всех орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа, т. е. орбиталей с близкими значениями энергий, образует энергетический уровень.

Если при описании строения атома водорода не возникает особых проблем – всего один электрон, который в основном состоянии должен занимать орбиталь с минимальной энергией, то при описании строения многоэлектронных атомов необходимо учитывать взаимодействие электрона не только с ядром, но и с другими электронами. Отсюда возникает проблема последовательности заполнения электронами различных подуровней в атоме. Эта последовательность определяется тремя «правилами».

1. Принцип Паули. В одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором значений всех четырех квантовых чисел.

Это означает, что электроны должны отличаться значением хотя бы одного квантового числа. Первые три квантовых числа характеризуют орбиталь, на которой находится электрон. И если два электрона имеют одинаковый их набор, то это означает, что они находятся на одной и той же орбитали. В соответствии с принципом Паули они должны отличаться значением спина. Из этого следует, что на одной орбитали могут находится только два электрона с противоположными по знаку значениями спина.

Для определения «емкости» энергетического уровня, т. е.

максимального числа электронов, которые могут находиться на уровне с главным квантовым числом n, составим следующую таблицу:

Максимальная электронная емкость первых трех энергетических уровней Из таблицы видно, что число орбиталей на данном энергетическом уровне в зависимости от значения n образует арифметическую прогрессию, где первый член a1 = 1, а последний – an = 2l + 1. Разность прогрессии равна 2, а число членов – n. Сумма Sn прогрессии в этом случае будет равна:

а с учетом l = n – Таким образом, общее число орбиталей на энергетическом уровне со значением главного квантового числа n равно n2. А так как на одной орбитали может находиться лишь два электрона, получаем, что максимальная электронная емкость энергетического уровня составляет 2n2.

Существует определенная форма записи состояния электрона в атоме.

Например, для основного состояния атома водорода она выглядит так:

Это означает, что на первом энергетическом уровне на s-подуровне находится один электрон. Существует и другая форма записи распределения электронов по подуровням – с помощью квантовых ячеек.

Орбиталь в этом случае принято условно обозначать квадратами, а электроны – стрелками или, в зависимости от знака спина. Тогда электронное строение атома водорода можно изобразить так:

Электронное строение атома с бльшим числом электронов, например атома бора, можно записать следующими способами:

2. Правило Хунда. Это правило определяет последовательность заполнения орбиталей электронами в пределах одного подуровня.

Правило Хунда формулируется так: «В пределах одного подуровня электроны располагаются по орбиталям таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальным, т. е. на подуровне должно быть максимальное число неспаренных электронов». Рассмотрим выполнение этого правила на примере заполнения p-подуровня.

1 вариант суммарный спин 2 вариант суммарный спин В соответствии с правилом Хунда заполнение орбиталей происходит по первому варианту, т. е. сначала электроны занимают все свободные орбитали и только потом происходит их спаривание.

3. Принцип наименьшей энергии (правило Клечковского).

Заполнение энергетических уровней в водородоподобных атомах (микросистема, состоящая из ядра и одного электрона) происходит в соответствие с монотонным ростом главного квантового числа n (n = 1, 2, 3, … и т. д.). При каждом значении n заполнение подуровней должно осуществляться в порядке возрастания орбитального квантового числа l, которое принимает значения от 0 до (n – 1). И заполнение следующего энергетического уровня начинается только в том случае, когда предыдущий уровень заполнен полностью. Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется формулой 2n2 и, следовательно, максимальные числа электронов в периодах должны быть следующими:

Реально же в Периодической системе наблюдается другая картина:

Как видно из этой таблицы, периоды располагаются парами, исключение составляет только первый период, содержащий всего два элемента, у которых заполняется первый энергетический уровень, состоящий из одного подуровня, и нет внутренних электронов, которые могли бы повлиять на строение внешнего уровня. В остальных же случаях наблюдается следующая картина: строение третьего периода подобно строению второго (и оба содержат по 8 элементов), строение пятого периода подобно строению четвертого (и в обоих по 18 элементов), – седьмого подобно строению шестого (по 32 элемента).

Значительно лучшее совпадение с действительностью дает распределение электронов по группам, предложенное В. М. Клечковским: «В атоме каждый электрон занимает тот подуровень, на котором его энергия будет минимальной».

Выше указывалось, что энергия электрона определяется не только значением главного квантового числа, но и значением орбитального, поэтому для того, чтобы определить, какой подуровень будет заполняться электронами в первую очередь, необходимо учитывать значения обоих квантовых чисел.

Для практического применения правило Клечковского можно сформулировать так:

последовательности увеличения суммы соответствующих им значений главного и орбитального квантовых чисел».

б) «В случае одинаковых значений этой суммы для нескольких подуровней, заполняется сначала тот подуровень, для которого главное квантовое число имеет наименьшее значение».

Рассмотрим конкретное применение этого правила:

Для первых двух значений сумм (n + l), равных соответственно 1 и 2, нет альтернативных вариантов, и заполнение подуровней происходит в следующей последовательности: 1s и затем 2s. Начиная со значения суммы, равной 3, возникают два варианта: заполнять 2p-подуровень или 3sподуровень. В соответствии с правилом Клечковского, выбираем тот подуровень, для которого n имеет меньшее значение, т. е. 2p-подуровень.

Затем заполняется 3s-подуровень. Далее значение n + l = 4. Таких значений опять два: для 3p-подуровня и для 4s-подуровня (случай, аналогичный предыдущему). Сначала будет заполняться 3p-, а затем 4s-подуровень. 3dподуровень остается свободным, так как сумма n + l для него больше, чем для 4s.

последовательность заполнения энергетических подуровней:

Но такое заполнение происходит до определенного момента. Если рассмотреть изменение энергии подуровней с увеличением заряда ядра атома (см. рис. 8), то можно увидеть, что энергия всех подуровней снижается. Но скорость понижения энергии у разных подуровней не одинакова. Поэтому, если до кальция 3d-подуровень был по энергии выше 4s, то начиная со скандия и последующих элементов, его энергия резко снижается, о чем говорит, например, электронное строение иона Fe2+ (1s22s22p63s23p63d6). Из приведенного электронного строения иона видно, что два валентных электрона железа ушли с менее энергетически выгодного 4s-подуровня. Аналогичная инверсия энергий наблюдается у 5sи 4f-, а также у 6s- и 5f-подуровней.

Рис. 6. Схема изменения энергии подуровней с ростом заряда ядра.

В дальнейшем было установлено, что полностью и наполовину заполненные подуровни обладают повышенной устойчивостью. Так, для dподуровня устойчивыми электронными конфигурациями являются d 10 и d 5, а для f-подуровня – соответственно f 14 и f 7. Этим объясняются аномалии в строении внешних энергетических уровней некоторых элементов, например, у хрома валентные электроны должны были располагаться 3d 44s2, а реально – 3d 54s1, у меди должно быть 3d 94s2, а на самом деле 3d 104s1. Аналогичные переходы электронов с s-подуровня на d-подуровень наблюдаются у молибдена, серебра, золота, а также и у f-элементов.

Есть также и некоторые другие аномалии в строении внешних энергетических уровней, в основном у актиноидов, которые здесь рассматриваться не будут.

Состояние электрона в атоме определяется набором значений четырех квантовых чисел, каждое из которых отражает определенную физическую величину. Для первых трех квантовых чисел можно ввести и геометрическую интерпретацию:

главное квантовое число n определяет размеры орбиталей, орбитальное квантовое число l определяет геометрическую форму орбиталей, магнитное квантовое число ml определяет расположение орбиталей в пространстве относительно выбранной системы координат.

Заполнение энергетических подуровней атомов электронами в невозбужденном состоянии подчиняется трем правилам:

принципу Паули, правилу Хунда и правилу Клечковского.

1. Могут ли электроны иона Rb+ находиться на следующих орбиталях:

1) 4р; 2) 3f; 3) 5s; 4) 5p?

Решение. Элемент Rb находится в главной подгруппе I группы V периода таблицы Менделеева, значит, у него начинает заполняться электронный уровень с главным квантовым числом n = 5: 5s1. У иона Rb+ внешний электрон потерян. Значит, ни на 5р, ни на 5s-орбиталях невозбужденного иона Rb+ электронов нет. Однако электроны могут переходить на эти орбитали при возбуждении атома.

Изобразим предпоследний уровень (n = 4): 4s2p6d 0f 0. На нем находится 8 электронов, как и у любого s-элемента (т. е. элемента главной подгруппы I или II группы Периодической таблицы, у которого заполняется sподуровень). Почему 4d и 4f-подуровни пустые? Дело в том, что энергия 4d-подуровня выше, чем 5s, а 4f – даже выше, чем 6s, а сначала заполняются подуровни с меньшей энергией (правило Клечковского). Итак, электроны Rb+ могут находиться на 4р-орбиталях.

Осталось понять, могут ли они находиться на 3f-орбиталях. При n = орбитальное квантовое число l принимает значения 0,1,2, которые соответствуют s, p и d-подуровням. А 3f-подуровня попросту не существует.

2. Приведите примеры трех частиц (атомы, ионы) с электронной конфигурацией 1s22s2p63s2p6.

Решение. Подходящий элемент Периодической системы – Ar (электронов на третьем – внешнем – электронном уровне). Ясно, что других атомов с такой электронной конфигурацией нет. Но мы знаем, что элементы, у которых не хватает, как правило, 1 – 3 электронов до устойчивой 8-электронной оболочки, стремятся приобрести их и стать отрицательными ионами, а имеющие 1 – 3 электрона на следующем уровне – отдать их и стать положительными ионами. Таким образом, это могут быть Cl–, S2–, P3–, K+, Ca2+, Sc3+... Выберите любые три частицы на ваш вкус.

3. Сколько элементов было бы в V периоде, если бы спиновое квантовое число имело единственное значение – 1?

Решение. В реальности спиновое квантовое число, как известно, принимает два разных значения: + 1 и – 1. Если же оно имело бы единственное значение, то электронная оболочка могла бы вместить вдвое меньшее число электронов, т. к. все они должны отличаться друг от друга набором квантовых чисел (принцип Паули), а, следовательно, элементов в периоде было бы в 2 раза меньше.

4. Какие квантовые числа и как должны, по вашему мнению, измениться при переходе от нашего мира к 1) одномерному;

2) пятимерному?

Решение. Для ответа на этот вопрос необходимо уяснить, какие из 4 квантовых чисел имеют отношение к размерности пространства.

Главное квантовое число n определяет число электронных уровней (оболочек, слоев) и характеризует в основном размер электронного облака:

Понятно, что размерность пространства (ненулевая) не влияет на эту характеристику.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму электронного облака. Кроме трехмерного, мы можем наглядно представить себе лишь двух- и одномерный миры. В двухмерном мире электронные облака, как и все остальное, станут плоскими, но понятие формы сохранится. В сущности, изображение объемных электронных облаков на бумаге, проецирование их в плоскость листа, и есть в какой-то мере переход к двухмерному миру. Что же касается одномерного, то здесь понятие формы стирается, остается лишь размер (протяженность). Вероятно, орбитальное квантовое число при этом потеряет смысл.

Если рассматривать пространство большей размерности, чем наше, то понятие «формы» здесь становится гораздо шире, и нельзя исключать, что для описания всего многообразия форм электронных облаков при данном n потребуется больше различных значений l.

Магнитное квантовое число ml характеризует пространственную ориентацию электронного облака, а значит, зависит от размерности напрямую. При l = 0 ml может принимать единственное значение 0, что отражает единственную возможность ориентации в пространстве сферически симметричного s-облака. При l = 1 ml принимает 3 различных значения: – 1, 0, 1 – гантелеобразные p-облака могут быть вытянуты вдоль разных координатных осей: px, py, pz. Если размерность пространства, т. е.

число координатных осей, меняется, то изменится и число возможностей для расположения электронных облаков, а значит, набор ml будет другим.

Поскольку же количество разных значений ml при данном l определяет количество орбиталей на данном подуровне, это приводит к существенным изменениям в химии.

ms – спиновое квантовое число – принимает два значения: + и -. Это отражает тот факт, что на орбитали может находиться два «противоположно закрученных» электрона. Обычно спин связывается с собственным моментом импульса электрона и, как таковой, может изменяться при переходе к иной размерности пространства.

1. Найдите в Периодической системе как можно больше случаев нарушения Периодического закона в формулировке Д. И. Менделеева:

«химические и физические свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов». Чем объяснить эти нарушения?

2. Могут ли электроны а) невозбужденного, б) возбужденного иона Na+ находиться на 2s, 2d, 3f, 4s, 5d-орбиталях? Обоснуйте.

3. Напишите электронное строение атомов элементов I и II периодов Периодической системы.

4. Приведите два примера сложных веществ, в состав которых входят только частицы с электронным строением 1s22s2p6.

5. Какие значения имеют квантовые числа для самого внешнего электрона невозбужденного атома лития?

6. Допустим, что некая вселенная Y имеет набор квантовых чисел:

Сколько элементов было бы в III периоде периодической системы вселенной Y?

Как вы думаете, сколько измерений может быть во Вселенной Y?

7. Как изменилось бы число элементов во втором периоде нашей периодической системы, если бы при прочих неизменных квантовых числах спин имел бы значения ms = ± 1 ?

8. Сколько протонов и нейтронов содержится в ядрах атомов а) 7Li;

б) 119Sn; в) 235U?

Молекулы химических веществ представляют собой сложную систему атомных ядер и электронов. Атомы в молекуле удерживаются преимущественно силами электростатического характера. В этом случае говорят, что они связаны химической связью. Химическая связь осуществляется s- и p-электронами внешнего и d-электронами предвнешнего слоя. Эта связь характеризуется следующими параметрами:

1. Длиной связи – межъядерным расстоянием между двумя химически связанными атомами.

2. Валентным углом – углом между воображаемыми линиями, проходящими через центры химически связанных атомов.

3. Энергией связи – количеством энергии, затрачиваемой на ее разрыв в газообразном состоянии.

4. Кратностью связи – числом электронных пар, посредством которых осуществляется химическая связь между атомами.

Атом в молекуле – понятие условное, т. к. его энергетическое и электронное состояние в корне отличается от изолированного атома, строение которого было разобрано в предыдущей главе. Рассмотрим, какие силы возникают между частицами в простейшей системе, состоящей из двух протонов и одного электрона (см. рис. 9). Если мы будем сближать два протона, то между ними возникнут силы отталкивания, и о получении устойчивой системы говорить не приходится. Поместим в их поле один электрон. Здесь могут возникнуть два случая.

Рис. 9. Распределение сил взаимодействия между ядрами и электроном в H +.

Первый, когда электрон находится между протонами (а), и второй, когда он располагается за одним из них (б). В обоих случаях возникают силы притяжения. В первом случае составляющие этих сил (проекции) на ось, проходящую через центры протонов, направлены в противоположные стороны с силами отталкивания (см. рис. 9а) и могут их компенсировать.

При этом возникает энергетически устойчивая система. Во втором случае составляющие сил притяжения направлены в разные стороны (см. рис. 9б) и трудно говорить об уравновешивании сил отталкивания между протонами. Отсюда следует, что для возникновения химической связи с образованием молекулы или иона электроны должны находиться преимущественно в межъядерном пространстве. Эта область называется связывающей, т. к. при нахождении там электронов образуется химическая связь. Область, находящаяся за ядрами, называется разрыхляющей, т. к. при попадании в нее электронов химическая связь не образуется. Здесь был рассмотрен простейший случай образования химической связи в ионе H +. Применив аналогичные рассуждения к молекуле водорода, можно прийти к выводу, что появление второго электрона в связывающей области еще более стабилизирует систему. Следовательно, для образования устойчивой химической связи необходима, по меньшей мере, одна электронная пара.

Спины электронов в этом случае должны быть антипараллельны, т. е.

направлены в разные стороны. Образование химической связи должно сопровождаться понижением полной энергии системы.

Рис. 10. Изменение потенциальной энергии системы из двух атомов водорода как Рассмотрим изменение потенциальной энергии системы на примере сближения двух атомов водорода. Когда атомы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, они не взаимодействуют и энергия такой системы близка к нулю. По мере их сближения возникают силы притяжения между электроном одного атома и ядром другого и наоборот.

Эти силы увеличиваются обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Энергия системы понижается. По мере сближения атомов начинают играть роль силы отталкивания между их ядрами и электронами.

Увеличение сил отталкивания обратно пропорционально уже шестой степени расстояния. Кривая потенциальной энергии проходит через минимум, а затем резко уходит вверх (рис. 10).

Расстояние, соответствующее положению минимума на кривой, является равновесным межъядерным расстоянием и определяет длину химической связи. Так как атомы в молекуле участвуют в колебательном движении относительно положения равновесия, расстояние между ними постоянно меняется, т. е. атомы не жестко связаны друг с другом.

Равновесное расстояние соответствует при данной температуре некоторому усредненному значению. С повышением температуры амплитуда колебания увеличивается. При какой-то достаточно большой температуре атомы могут разлететься на бесконечно большое расстояние друг от друга, что будет соответствовать разрыву химической связи. Глубина минимума по оси энергии определяет энергию химической связи, а величина этой энергии, взятая с обратным знаком, будет равна энергии диссоциации данной двухатомной частицы. Если сближаются атомы водорода, электроны которых имеют параллельные спины, между атомами возникают лишь силы отталкивания, а потенциальная энергия такой системы будет возрастать (рис.10).

Рис. 11. Результаты сложения двух синусоид.

Как уже отмечалось выше, в образовании химической связи участвуют s-, p- и d-электроны, имеющие различную геометрическую конфигурацию электронных облаков и различные знаки волновых функций в пространстве. Для возникновения химической связи необходимо перекрывание частей электронных оболочек с одинаковым знаком волновой функции. В противном случае химическая связь не образуется.

Это утверждение легко объяснить на примере наложения двух синусоид, которые в первом приближении могут отождествляться с волновыми функциями (см. рис. 11):

В случае наложения двух синусоид с разными знаками в одной и той же области (рис. 11а) суммарная составляющая их будет равна нулю – связи нет. В противоположном случае происходит сложение амплитуд колебаний и образуется новая синусоида – химическая связь образовалась (рис. 11б).

В зависимости от симметрии электронных облаков, в результате перекрывания которых образуется химическая связь, суммарное электронное облако будет иметь различную симметрию, в соответствии с которой они распадаются на три вида:

И - связи.

Связь осуществляется при перекрывании облаков вдоль линии, соединяющей центры атомов, при этом максимальная электронная плотность достигается в межъядерном пространстве и имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, соединяющей центры атомов. Как видно из рис. 12, в образовании -связи в силу своей шаровой симметрии всегда принимают участие s-электроны. Они образуют -связь в результате перекрывания со следующими электронами другого атома: s–, pX–, d X 2 Y 2 –электронами. С электронами, находящимися на других орбиталях, например, pY или pZ, возникновение химической связи невозможно, так как происходит перекрывание в областях, где электронная плотность имеет противоположные знаки. Возможность образования связи s-электронами не исчерпывается, она может образоваться в случае перекрывания и других электронных облаков, таких, как двух pX или pX и Рис. 12. Некоторые примеры образования -связей.

Связи возникают при перекрывании электронных облаков над и под линией, соединяющей центры атомов. Суммарные электронные облака также симметрично расположены относительно этой оси, но они не имеют цилиндрической симметрии, как в случае -связи. В силу своего пространственного расположения -связь образуют электроны на таких парах орбиталей как pY – pY, pZ – pZ, pY – dXY.

Связь образуют только d-электроны за счет перекрывания всех четырех своих лепестков электронных облаков, расположенных в параллельных плоскостях. Такое возможно, когда в образовании связи участвуют dXY – dXY, dXZ – dXZ, dYZ – dYZ-электроны.

Выше была рассмотрена классификация химических связей, исходившая из симметрии электронных облаков. Существует и другой подход к классификации химической связи, основанный на характере распределения электронной плотности между атомами в молекуле, т. е.

химическая связь рассматривается с точки зрения принадлежности электронной пары тому или иному атому. Возможны три случая. Первый:

электронная пара связывает в молекуле два одинаковых атома. В этом случае она в равной мере принадлежит им обоим. В молекуле нет разделения центров тяжести положительного и отрицательного зарядов.

Они совпадают, и такая связь называется ковалентной неполярной. Если же электронная пара связывает два различных атома, то она смещается в сторону более электроотрицательного атома. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов разделяются, связь становится полярной и носит название ковалентной полярной связи.

Третий случай связан с полной передачей электронной пары во владение одного из атомов. Это происходит при взаимодействии двух атомов, резко отличающихся по электроотрицательности, т. е. способности удерживать электронную пару в своем электрическом поле. При этом атом, отдавший электроны, становится положительно заряженным ионом, а атом, принявший их, – отрицательным. В этом случае связь носит название ионной.

Характер связи во многом определяет физико-химические свойства веществ.

Вещества, молекулы которых характеризуются ковалентной неполярной связью, могут в твердом состоянии образовывать молекулярные и атомные кристаллические решетки. В молекулярных решетках наблюдается очень слабое межмолекулярное взаимодействие. В узлах кристаллической решетки молекулы удерживаются за счет образования в них мгновенных и наведенных диполей. Разделение центров тяжести отрицательных и положительных зарядов в молекуле происходит вследствие вращения пары электронов и расположения ее в какой-то момент времени за одним из ядер. Такое состояние в молекуле наблюдается очень малое время. Поэтому такой диполь носит название мгновенного. Однако этого времени бывает достаточно для того, чтобы индуцировать диполь на другой молекуле. Силы, связывающие молекулы за счет образования мгновенных и наведенных диполей, часто называют ван-дер-ваальсовыми. В общем случае к ван-дер-ваальсовым силам относят любые силы межмолекулярного взаимодействия: диполь-дипольного, ориентационного, дисперсионного и т. п. Ван-дер-ваальсовы силы являются очень слабыми, вследствие чего кристаллическую решетку легко разрушить незначительным нагреванием. Все вещества, имеющие молекулярные кристаллические решетки, обладают низкими температурами плавления и кипения. Ван-дер-ваальсова сила растет с увеличением количества электронов в молекуле, так как повышается вероятность образования мгновенных диполей. В молекуле водорода присутствует одна пара электронов, поэтому он и является самым низкокипящим. Молекулы кислорода и азота отличаются содержанием электронов на одну пару. Их температуры кипения отличаются на 13 C.

Простые вещества, обладающие атомной кристаллической решеткой, наоборот, характеризуются очень высокими температурами плавления и кипения. В этом случае бесконечное число атомов соединено неполярными ковалентными связями в гигантскую молекулу. Энергия разрыва ковалентной неполярной связи велика. Поэтому, чтобы разрушить такую кристаллическую решетку, требуются большие энергетические затраты. В то же время, если вещество характеризуется одним межатомным расстоянием в кристаллической решетке, оно будет обладать и очень высокой твердостью. Примером может служить алмаз.

Температуры плавления и кипения веществ, атомы в молекуле которых связаны ковалентной полярной связью, и обладающие молекулярной решеткой, также низки, но выше чем у веществ с неполярными молекулами. В большинстве своем это газы при комнатной температуре.

Примером может служить хлористый водород, сероводород и т. п. Прямой зависимости между величиной дипольного момента и температурой кипения не наблюдается. Скорее всего, она определяется молекулярной массой соединения, за исключением аммиака, воды и фтористого водорода.

Эти соединения в ряду им подобных обладают наивысшими температурами плавления и кипения, резкое их увеличение объясняется образованием между молекулами водородных связей.

электроотрицательными атомами. Они сильно смещают электронную плотность в молекуле на себя. В результате этого у водорода образуется практически свободная орбиталь, а, например, у атома фтора имеется свободная электронная пара. Появляется возможность образовывать между молекулами дополнительные связи по донорно-акцепторному механизму, что приводит к существованию не только в жидкой, но и газовой фазе молекул состава (HF)n и (H2O)n. Наличие таких молекул приводит к повышению температур кипения и плавления по сравнению с теми же величинами у аналогов.

Наибольшими температурами плавления и кипения обладают вещества, в узлах кристаллической решетки которых расположены ионы.

Это объясняется сильным электростатическим взаимодействием положительных и отрицательных ионов. Силы же отталкивания одноименных ионов значительно меньше, т. к. расположены на больших расстояниях друг от друга. Вследствие этого все вещества, имеющие ионные кристаллические решетки, обладают высокими значениями ее энергий образования. Ионная связь осуществляется в галогенидах, оксидах и в солях типа нитратов, сульфатов и т. п. Для разрушения ионных кристаллов требуется значительная тепловая энергия, что и определяет высокие температуры плавления и кипения, которые, в свою очередь, будут зависеть от заряда ионов, их радиусов и электронной подкладки. Чем выше заряд и меньше радиус иона, тем выше температура плавления. Другим свойством ионных веществ является способность образовывать расплавы, хорошо проводящие электрический ток.

Таким образом, можно сделать вывод, что физико-химические свойства соединений сильно зависят от природы химической связи в них.

Электронная пара, образующая химическую связь, как уже отмечалось, находится в общем пользовании двух ядер. В этом случае движение каждого электрона будет описываться новой волновой функцией, являющейся решением уравнения Шредингера для этой системы. Эта волновая функция отличается от атомных функций и называется молекулярной функцией, соответствующей определенной молекулярной орбитали. Молекулярные орбитали характеризуются определенными значениями полной энергии системы. В молекуле, как и в атоме, существует последовательность энергетических уровней. Однако строгое решение уравнения Шредингера для них получить не представляется возможным и поэтому прибегают к приближенным методам расчета, отличающимся друг от друга способом задания молекулярной волновой функции. Наиболее широкое распространение получили два метода: метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.

В методе валентных связей химическая связь рассматривается как двухэлектронная и двухцентровая, т. е. пара электронов, образующих связь, локализована в пространстве между двумя атомами и находится в их общем пользовании. Возможны два механизма образования общей электронной пары. Первый называется обменным и заключается в спаривании двух электронов, принадлежащих разным атомам и имеющим противоположные спины. Его можно выразить следующей схемой:

Второй механизм, называемый донорно-акцепторным, приводит к образованию химической связи за счет предоставления одним атомом в общее пользование пары электронов, а другим – свободной орбитали.

Атом, предоставляющий электронную пару, называется донором, а атом, имеющий свободную орбиталь, – акцептором. Схема образования связи в этом случае выглядит так:

Рассмотрим возможности предсказания состава химических соединений между водородом и элементами второго периода Периодической системы: Li, Be, B, C, N, O, F, так как в атоме водорода имеется только один электрон, и образование связи будет происходить по обменному механизму.

Атом лития на 2s-подуровне имеет один неспаренный электрон и, следовательно, соединение должно иметь состав LiH. У атома бериллия этот подуровень заполнен и нет ни одного неспаренного электрона, следовательно, бериллий не должен образовывать ни одной химической связи. У бора и следующих за ним элементов (C, N, O, F) происходит последовательное заполнение 2p-подуровня, и атомы этих элементов будут иметь определенное число неспаренных электронов. Если при образовании связей учитывать только наличие неспаренных электронов, то для этих элементов должны образоваться следующие водородные соединения: BH, CH2, NH3, H2O, HF. Отсюда видно, что, применяя только обменный механизм образования химической связи, можно вступить в противоречие с экспериментальными данными: бериллий образует соединение с водородом состава BeH2, водородные соединения бора также имеют другой состав, а простейшее соединение углерода с водородом имеет состав CH4.Устранить это противоречие можно, предположив, что атомы элементов второго периода в образовании молекул участвуют в возбужденном состоянии, т. е. происходит распаривание s-электронов и переход их на p-подуровень. Но тут возникает другое несоответствие с опытными данными. Поскольку энергии s- и p-электронов различны, то и энергии образуемых ими химических связей должны отличаться, а, следовательно, подобные связи Э–Н должны иметь разную длину (в зависимости от того, орбитали какого типа принимают участие в их образовании). Согласовать теорию и эксперимент можно, введя предположение об усреднении энергий s- и p-подуровней и образовании новых уровней, на которых энергии электронов, находящихся уже на орбиталях другого типа, одинаковы. А раз это так, то по правилу Хунда, в атоме появляется максимальное число неспаренных электронов. Эта гипотеза получила название явления гибридизации, а орбитали, образующиеся в результате усреднения энергий подуровней, называются гибридными. Естественно, что при этом меняются и форма электронных облаков, и их расположение в пространстве. В зависимости от того, какие орбитали участвуют в образовании гибридных орбиталей, рассматривают различные типы гибридизации и пространственные конфигурации образовавшихся гибридных орбиталей (см. рис. 14.). Число получившихся гибридных орбиталей должно быть равно общему числу орбиталей, вступивших в гибридизацию. В зависимости от того, какие орбитали взаимодействуют между собой, рассматривают несколько типов гибридизации:

sp-гибридизация. В этом явлении принимают участие s- и одна pорбитали, и в результате образуются две орбитали нового типа, которые называются sp-гибридными. Эти орбитали имеют форму, показанную на рисунке, оси их лежат на одной прямой, образуя угол 180°. В образовании связей в молекуле BeH2 принимают участие sp-гибридные орбитали атома бериллия и молекула имеет линейное строение;

Рис. 14. Пространственное расположение электронных облаков для различных sp2-гибридизация. Во взаимодействие вступают s- и две p-орбитали, в результате чего образуются три орбитали нового типа, которые называются sp2-гибридными (см. рис. 14.). Оси этих орбиталей лежат в одной плоскости, и углы между ними равны 120°. Например, атом бора в молекуле BF3 находится в sp2-гибридном состоянии, и эта молекула имеет форму правильного треугольника с атомом бора в центре;

sp3-гибридизация. В этом случае исходными являются s- и три pорбитали. В результате гибридизации образуются четыре новые орбитали – sp3-гибридные (см. рис.14.). Оси этих орбиталей направлены от центра к вершинам тетраэдра, углы между осями равны 109°28. CH4 – молекула метана, где реализуется этот тип гибридизации, имеет тетраэдрическое расположение атомов водорода. В молекуле аммиака (NH3) атом азота тоже находится в sp3-гибридном состоянии, три пары электронов являются общими с атомами водорода и участвуют в образовании связей, а одна электронная пара (неподеленная электронная пара) принадлежит только атому азота. Для предсказания геометрии молекулы аммиака атом азота следует поместить в центр тетраэдра, атомы водорода – в три вершины, а неподеленную электронную пару – в четвертую вершину. Естественно, положение этой электронной пары экспериментальными методами зафиксировать невозможно, находят лишь положения атомов водорода и азота. Все это приводит к тому, что молекула аммиака имеет пирамидальную форму. Аналогично можно рассмотреть строение молекулы воды. В ней две неподеленные электронные пары кислорода занимают две вершины тетраэдра, а две другие заняты атомами водорода, что приводит к угловой форме молекулы воды. Описывать геометрию молекулы HF с этих позиций не имеет смысла, т. к. ясно, что она будет линейна, поскольку через две точки можно провести одну прямую линию.

Неподеленная электронная пара образует более размытое «электронное облако», чем связывающая (обобществленная, общая), поэтому она занимает больший объем, приводя к уменьшению валентных углов по сравнению с тетраэдрическими.

Валентные электроны располагаются не только на s- и p-орбиталях, но и на d. Последние также принимают участие в образовании гибридных орбиталей. Осуществляются два случая гибридизации с участием dорбиталей: sp3d2 и sp3d. В первом случае молекула реализует октаэдрическое строение, а во втором образуется тригональная бипирамида.

Предположение об образовании гибридных орбиталей было большим достижением теории валентных связей, но не описывало все возможные пространственные конфигурации молекул, встречающиеся в природе.

Более общую теорию пространственного строения молекул предложил Гиллеспи, исходя из чисто электростатических представлений. Она базировалась на большом экспериментальном материале, обобщенном Сидвиком и Пауэллы. Основные положения теории заключаются в следующем:

1. Геометрия молекулы или иона определяется исключительно числом электронных пар на валентной оболочке центрального атома.

2. Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т. е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались. Геометрические многогранники, реализующиеся при этом, подчиняются формуле Декарта-Эйлера: «число вершин + число граней – число ребер равно двум».

3. Область пространства, которую занимает несвязывающая неподеленная пара электронов имеет большие размеры, чем та область, которая занята связывающей электронной парой.

4. Размер области пространства, занятой связывающей парой электронов, уменьшается с увеличением электроотрицательности лиганда и с уменьшением электроотрицательности центрального атома.

5. Две электронные пары двойной связи занимают большую область пространства, чем одна электронная пара простой связи.

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра философии ФИЛОСОФИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ и темы контрольных заданий для студентов (бакалавров) заочной формы обучения всех направлений подготовки МГТУ Мурманск 2012 -1УДК 1(075) ББК 87 я 73 Ф56 Авторы – Ольга Дмитриевна Мачкарина, док. филос. наук, профессор Наталья Николаевна Никулина, канд. филос. наук, доцент Наталия Владимировна...»

« Селезнев А.Д. Пронякин Исполнительное производство Учебно-методический комплекс Москва 2009 1 УДК 347.9 ББК 67.410 С 29 Селезнев В.А., Пронякин А.Д. ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО: УчебноС 29 методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ, 2009. – 216 с. ISBN 978-5-374-00010-8 Учебно-практическое пособие подготовлено в соответствии с...»

«Государственное бюджетное учреждение культуры Иркутская областная государственная универсальная научная библиотека им. И.И. Молчанова-Сибирского С Е Р И Я БИБЛИОТЕКАРЬ И В Р Е М Я. XXI век. Выпуск № 144 УДК 025.5+025.6 Б Б К 78.349.2+78.379 Б83 Ответственный редактор серии О.Р. БОРОДИН Бородина, В.А. Информационное обслуживание: описание, таблицы, схемы: спецкурс Б83 для методиста. - М.: Либерея-Бибинформ, 2013. - 80 с. ISBN 978-5-8167-0054-2 В пособии рассматриваются все аспекты...»

«ЛИТЕРАТУРА ЛИТЕРАТУРА ЛИНИЯ УЧЕБНО МЕТОДИЧЕСКИХ КОМПЛЕКТОВ ПОД РЕДАКЦИЕЙ В. Ф. ЧЕРТОВА Программы 5–11 Учебники Методические пособия КЛАССЫ Чертов В. Ф., Трубина Л. А., Ипполитова Н. А. и др. Программы общеобразовательных Линия реализует деятельностный формирование общекультурных учреждений: Литература: 4 подход в обучении и задачу последо и коммуникативных компетенций. 5-11 классы (базовый и профильный вательного формирования у учащих Основу учебно методических ком уровни) / Под ред. В. Ф....»

«А. А. Ивин ЛОГИКА Рекомендовано Научно методическим советом по философии Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия по дисциплине Логика для студентов гуманитарных и социально экономических специальностей и направлений подготовки высших учебных заведений Москва ОНИКС Мир и Образование 2008 УДК 16 (075.8) ББК 87.4я73 И17 Р е ц е н з е н т ы: Никифоров А. Л. - д р филос. наук, проф., ведущий научн. сотрудник Института философии РАН; Переверзев В. Н. - д р...»

«Министерство образования Республики Беларусь УО ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра уголовного права и криминалистики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению курсовых работ по дисциплине Уголовное право. Общая часть для специальности 24-01-02 Правоведение г. Новополоцк, 2012 УДК Рассмотрены и рекомендованы к утверждению на заседании кафедры уголовного права и криминалистики Протокол № от, _2012 г. Зав. кафедрой И.В. Вегера Одобрены и рекомендованы к изданию методической комиссией...»

«УПРАВЛЕНИЕ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Под редакцией кандидата экономических наук, доцента Р.Ж. Сираждинова Допущено Советом Учебно-методического объединения по образованию в области менеджмента в качестве учебного пособия по дисциплине специализации специальности Государственное и муниципальное управление УДК 365(075.8) ББК 65.44я73 О-64 Рецензенты: А.Н. Кириллова, Московский городской университет управления Правительства Москвы, д-р экон. наук, проф., Т.Г. Морозова, Всероссийский заочный...»

«Утверждаю Экспертного совета В.Д. Шадриков 28 февраля 2014 г. ОТЧЕТ О РЕЗУЛЬТАТАХ НЕЗАВИСИМОЙ ОЦЕНКИ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 060201 Стоматология ГБОУ ВПО Тюменская государственная медицинская академия Разработано: Менеджер проекта: А.Л. Дрондин/ Эксперты АККОРК: И.А. Солоп/ Н.В. Ушакова/ Москва – Оглавление I. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ВУЗЕ II. ОТЧЕТ О РЕЗУЛЬТАТАХ НЕЗАВИСИМОЙ ОЦЕНКИ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ 1 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ТРЕНДЫ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО...» образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Юридический факультет Кафедра уголовного, гражданского права и процесса СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ Декан ЮФ Проректор по УР В.Г. Крашенина _ О.А.Гончарова __ 2008 г. _ 2008 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ Трудовое право по специальности 030501 Юриспруденция Составитель...»

«НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК (4 й год обучения) НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК ЛИНИЯ УЧЕБНО МЕТОДИЧЕСКИХ КОМПЛЕКТОВ НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК И.Л. БИМ И ДР. Серия Академический школьный учебник Программы 2–11 Учебники Рабочие тетради 2 класс Контрольные задания Сборник упражнений Книги для чтения КЛАССЫ Книги для учителя Аудиоприложения Бим И.Л., Рыжова Л.И. (кассеты, CD MP3) Немецкий язык: 2 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений: В 2 ч.: Ч. 1. Линия, созданная авторским кол сийского образования на период до -...»

«Сведения об учебно-методической, методической и иной документации, разработанной образовательной организацией для обеспечения образовательного процесса по направлению подготовки 110800.62 Агроинженерия № Наименование дисциплины по Наименование учебно-методических, методических и иных материалов (автор, место издания, год п/п учебному плану издания,тираж) 1) Учебно-методический комплекс по дисциплине История, 2013г. 2) Символы России: история и современность. Хоружая С.В., Салчинкина...»

«СОДЕРЖАНИЕ 1. Определение сторон 5 2. Преамбула 5 3. Общие положения 6 4. Цели коллективного договора 6 5. Трудовые отношения 7 5.1. Прием на работу 7 5.1.1. Общие положения 7 5.1.2. Порядок приема на работу лиц из числа ППС 8 5.1.3. Порядок приема на работу научных работников 8 5.1.4. Порядок приема на работу руководителей структурных подразделений Университета 5.1.5. Должностные инструкции 5.2. Оплата труда 5.2.1. Общие требования 5.2.2. Организация выдачи денежных средств 5.2.3. Сроки...»

«Учебно-методическое обеспечение Название реализуемой программы Предмет Класс Учебники и учебные пособия Кол-во Развитие певческого голоса у детей на начальном этапе обучения. Эстрадно-джазовое искусство Эстрадное пение 1-3 2 Методическая разработка. 1990 г. (вокальное исполнительство) О. Степанов. Белые облака. 2 Примерная учебная программа В. Цветков. Мне купили попугая. Эстрадное пение для ДМШ и Ю. Верижников. Осенние мелодии. музыкальных отделений школ Ю. Верижников. Рябиновая гроздь....»

«С. Бйішев атындаы Атбе университетіні кітапханасы Апаратты бюллетень №6 Жаа кітаптар тізімі Атбе 2012 рметті оырмандар! Сіздерді кітапханаа желтосан айында келіп тскен жаа дебиеттермен таныстырамыз. Библиографиялы сипаттама № Блім Авторы. Атауы. Жылы. Оу Абонезалы мент Экономика 1 346 1 Нурпеисова А.К., Жандыкеева Г.Е., Тлеубекова А.Д. Н86 Ксіпорын экономикасы жне ксіпкерлік ыыты негізгі аспектілері. –Алматы: LEM, 2012.-336 б. Ксіпорын экономикасы жне ксіпкерлік ыыты негізгі аспектілері оу ралы...»

«Конкурс ЗОЛОТАЯ ПСИХЕЯ Номинация Проект года в психологической практике Мониторинг образовательных результатов учащихся: диагностический комплект Школьный старт, Учимся учиться и действовать Авторы: М.Р. Битянова, Т.В. Беглова, Т.В. Меркулова, А.Г. Теплицкая (г. Москва) Создание диагностического комплекта для 1 класса (рабочих тетрадей Школьный старт, Учимся учиться и действовать и методических пособий к ним) – это первый этап долгосрочного проекта, рассчитанного на три года с 2011 по 2014 г.г....»

« рекомендации Экспертиза ценности и отбор в состав Архивного фонда Российской Федерации документов по личному составу Москва 2014 2 Методические рекомендации Экспертиза ценности и отбор в состав Архивного фонда Российской Федерации документов по личному составу / Росархив, ВНИИДАД. – М. – 2014 – с. Методические рекомендации отражают:...»

«СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНЫЙ ПЛАН 1 2-8 ПЛАН ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МБУ ШКОЛЫ № 32 2 9-18 (1 -3 КЛАССЫ) НА 2013-2014 УЧЕБНЫЙ ГОД З СИСТЕМА УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНОЙ 19-55 ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ СТАНДАРТА 3.1. Описание кадровых условий реализации основной образовательной 22-33 программы начального общего образования 3.2. Психолого-педагогические условия реализации основной 33-34 образовательной программы начального общего образования 3.3. Финансовое обеспечение реализации...»

«Учебно-методическое объединение высших учебных заведений Республики Беларусь по химико-технологическому образованию Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет Утверждаю Ректор БГТУ профессор _И.М.Жарский __2010 г./р ЭКСПЛУАТАЦИЯ, РЕМОНТ И МОНТАЖ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ Учебная программа для специальности 1 – 36 07 01 00 Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов Факультет химической технологии и техники Кафедра машин и...»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

По дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Сборник лекций по общей и неорганической химии

Общая и неорганическая химия: учебное пособие/ автор Е.Н.Мозжухина;

ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж». - Курган: КБМК, 2014. - 340 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГАОУ ДПО «Институт развития образования и социальных технологий»

Рецензент: Н.Е. Горшкова- кандидат биологических наук, заместитель директора по ИМР ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж»

Введение.
РАЗДЕЛ 1. Теоретические основы химии	8-157
1.1. Периодический закон и периодическая система элементом Д.И. Менделеева. Теория строения веществ.
1.2.Электронное строение атомов элементов.
1.3. Виды химической связи.
1..4 Строение веществ неорганической природы
1 ..5 Классы неорганических соединений.
1.5.1. Классификация, состав, номенклатура оксидов, кислот, оснований Способы получения и их химические свойства.
1.5.2 Классификация, состав, номенклатура солей. Способы получения и их химические свойства
1.5.3. Амфотерность. Химические свойства амфотерных йксидов и гидроксидов. Генетическая связь между классами неорганических соединений.
1..6 Комплексные соединения.
1..7 Растворы.
1.8. Теория электролитической диссоциации.
1.8.1. Электролитическая диссоциация. Основные положения. ТЭД. Механизм диссоциации.
1.8.2. Ионные реакции обмена. Гидролиз солей.
1.9. Химические реакции.
1.9.1. Классификация химический реакций. Химическое равновесие и смещение.
1.9.2. Окислительно-восстановитьельные реакции. Их электронная сущность. Классификация и составление уравнений ОВР.
1.9.3. Важнейшие окислители и восстановители. ОВР с участием дихромата, перманганата калия и разбавленных кислот.
1.9.4 Методы расстановки коэффициентов в ОВР
РАЗДЕЛ 2. Химия элементов и их соединений.
2.1. Р -элементы.
2.1.1. Общая характеристика элементов VII группы периодической системы. Галогены. Хлор, его физические и химические свойства.
2.1.2. Галогениды. Биологическая роль галогенов.
2.1.3. Халькогены. Общая характеристика элементов VI группы ПС Д.И. Менделеева. Соединения кислорода.
2.1.4. Важнейшие соединения серы.
2.1.5. Главная подгруппа V группы. Общая характеристика. Строение атома, физические и химические свойства азота. Важнейшие соединения азота.
2.1.6. Строение атома фосфора, его физические и химические свойства. Аллотропия. Важнейшие соединения фосфора.
2.1.7. Общая характеристика элементов IV группы главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Углерод и кремний.
2.1.8. Главная подгруппа III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Бор. Алюминий.
2.2. s - элементы.
2.2.1. Общая характеристика металлов II группы главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Щелочно­земельные металлы.
2.2.2. Общая характеристика элементов I группы главной подгруппы периодический системы Д.И. Менделеева. Щелочные металлы.
2.3. d-элементы.
2.3.1. Побочная подгруппа I группы.
2.3.2.. Побочная подгруппа II группы.
2.3.3. Побочная подгруппа VI группы
2.3.4. Побочная подгруппа VII группы
2.3.5. Побочная подгруппа VIII группы

Пояснительная записка

На современном этапе развития общества первостепенной задачей является забота о здоровье человека. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов.

Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не зная значения положительного или отрицательного влияния химических факторов на окружающую среду, не сможешь быть грамотным медицинским работником. Студенты медицинского колледжа должны иметь необходимый минимум знаний по химии.

Данный курс лекционного материала предназначен для студентов, изучающих основы общей и неорганической химии.

Целью данного курса является изучение положений неорганической химии, изложенных на современном уровне знаний; расширение объема знаний с учетом профессиональной направленности. Важным направлением является создание прочной базы, на которой строится преподавание других химических специальных дисциплин (органической и аналитической химии, фармакологии, технологии лекарств).

Предлагаемый материал предусматривает профессиональную ориентацию студентов на связь теоретической неорганической химии со специальными и медицинскими дисциплинами.

Основные задачи учебного курса данной дисциплины заключается в усвоении фундаментальных основ общей химии; в усвоении студентами содержания неорганической химии как науки, объясняющей связь свойств неорганических соединений с их строением; в формировании представлений о неорганической химии как фундаментальной дисциплине, на которой базируются профессиональные знания.

Курс лекций по дисциплине «Общая и неорганическая химия» построен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта (ФГОС-4) к минимуму уровня подготовки выпускников по специальности 060301 «Фармация» и разработан на основе учебного плана данной специальности.

Курс лекций включает в себя два раздела;

1. Теоретические основы химии.

2. Химия элементов и их соединений: (р- элементы, s- элементы, d-элементы).

Изложение учебного материала представлено в развитии: от наиболее простых понятий к сложным, целостным, обобщающим.

В разделе «Теоретические основы химии» освещены следующие вопросы:

1. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и теория строения веществ.

2. Классы неорганических веществ, взаимосвязь между всеми классами неорганических веществ.

3. Комплексные соединения, их использование в качественном анализе.

4. Растворы.

5. Теория электролитической диссоциации.

6. Химические реакции.

При изучении раздела «Химия элементов и их соединений» рассматриваются вопросы:

1. Характеристика группы и подгруппы, в которой находится данный элемент.

2. Характеристика элемента, исходя из его положения в периодической системе, с точки зрения теории строения атома.

3. Физические свойства и распространение в природе.

4. Способы получения.

5. Химические свойства.

6. Важнейшие соединения.

7. Биологическая роль элемента и его применение в медицине.

Особое внимание уделяется лекарственным средствам неорганической природы.

В результате изучения данной дисциплины студент должен знать:

1. Периодический закон и характеристику элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

2. Основы теории химических процессов.

3. Строение и реакционную способность веществ неорганической природы.

4. Классификацию и номенклатуру неорганических веществ.

5. Получение и свойства неорганических веществ.

6. Применение в медицине.

1. Классифицировать неорганические соединения.

2. Составлять названия соединений.

3. Устанавливать генетическую связь между неорганическими соединениями.

4. С помощью химических реакций доказывать химические свойства веществ неорганической природы, в том числе лекарственных.

Лекция №1

Тема: Введение.

1. Предмет и задачи химии

2. Методы общей и неорганической химии

3. Фундаментальные теории и законы химии:

а) атомно-молекулярная теория.

б) закон сохранения массы и энергии;

в) периодический закон;

г) теория химического строения.

неорганической химии.

1. 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.

п/п	Ученые	Даты жизни	Важнейшие работы и открытия в области химии
1.	Авогадро Амедо (Италия) |	1776-1856	Закон Авогадро 1
2.	Аррениус Сванте (Швеция)	1859-1927	Теория электролитической диссоциации
3.	Бекетов Н.Н. (Россия)	1827-1911	Ряд активности металлов. Основы алюмотермии.
4.	Бертолле Клод Луи (Франция)	1748-1822	Условия течения химических реакций. Исследование газов. Бертолетова соль.
5.	Берцелиус Иене Якоб (Швеция)	1779-1848	Определение атомных весов элементов. Введение буквенных обозначений для химических элементов.
6.	Бойль Роберт (Англия)	1627-1691	Установление понятия о химическом элементе. Зависимость объемов газов от давления.
7.	Бор Нильс (Дания)	1887-1962	Теория строения атома. 1
8.	Вант-Гофф Якоб Гендрик (Голландия)	1852-1911	Исследование растворов; один из основателей физической химии и стереохимии.
9.	Гей-Люссак Жозеф (Франция)	1778-1850	Газовые законы Гей-Люссака. Исследование бескислородных кислот; технология серной кислоты.
10.	Гесс Герман Иванов (Россия)	1802-1850	Открытие основного закона термохимии. Разработка русской химической номенклатуры. Анализ минералов.
11.	Дальтон Джон (Англия)	1766-1844	Закон кратных отношений. Введение химических знаков и формул. Обоснование атомной теории.
12.	Кюри-Склодовская Мария (Франция, родина Польша)	1867-1934	Открытие полония и радия; изучение свойств радиоактивных веществ. Выделение металлического радия.
13.	Лавуазье Антуан Лоран (Франция)	1743-1794	Основание научной химии установление кислородной теории горения, природы воды. Создание учебника химии на основе новых взглядов.
14.	Ле Шателье Лун Анри (Франция)	1850-1936	Общий закон смещения равновесия в зависимости от внешних условий (принцип Ле-Шателье)
15.	Ломоносов Михаил Васильевич	1741-1765	Закон сохранения массы веществ.
			Применение количественных методов в химии; развитие основных положений кинетической теории газов. Основание первой русской химической лаборатории. Составление руководства по металлургии и горному делу. Создание мозаичного производства.
16.	Менделеев Дмитрий Иванович (Россия)	1834-1907	Периодический закон и периодическая система химических элементов (1869 г.). Гидратная теория растворов. «Основы химии». Исследование газов, открытие критической температуры и др.
17.	Пристли Джозеф (Англия)	1733-1804	Открытие и исследование кислорода, хлористого водорода, аммиака, окиси углерода, окиси азота и др. газов.
18.	Резерфорд Эрнест (Англия)	1871-1937	Планетарная теория строения атома. Доказательство самопроизвольного радиоактивного распада с выделением альфа-, бета-, гамма -лучей.
19.	Якоби Борис Семенович (Россия)	1801-1874	Открытие гальванопластики и внедрение ее в практику типографского и монетного дела.
20.	И другие

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные задачи общей и неорганической химии.

2. Методы химических реакций.

3. Препаративные методы.

4. Методы физико-химического анализа.

5. Основные законы.

6. Основные теории.

Лекция № 2

Тема: «Строение атома и периодический закон Д.И. Менделеева»

План

1. Строение атома и изотопы.

2. Квантовые числа. Принцип Паули.

3. Периодическая система химических элементов в свете теории строения атома.

4. Зависимость свойств элементов от строения их атомов.

Периодический закон Д.И. Менделеева вскрыл взаимную связь химических элементов. Изучение периодического закона поставило ряд вопросов:

1. В чем причина сходства и различия элементов?

2. Чем объясняется периодическое изменение свойств элементов?

3. Почему соседние элементы одного периода значительно отличаются по свойствам, хотя их атомные массы отличаются на небольшую величину, и наоборот, в подгруппах разница в атомных массах соседних элементов большая, а свойства сходные?

4. Почему расположение элементов в порядке возрастания атомных масс нарушается элементами аргон и калий; кобальт и никель; теллур и йод?

Большинство ученых признавали реальное существование атомов, но придерживались метафизических взглядов (атом самая мельчайшая неделимая частица вещества).

В конце XIX было установлено сложное строение атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. Первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны.

Было известно, что при сильном накаливании и при освещении УФЛ с поверхности металлов отрицательное электронных и металлы заряжаются положительно. В выяснении природы этого электричества большое значение имели работы русского ученого А.Г. Столетова и английского ученого У. Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал явления электронных лучей в магнитном и электрическом полях под действием электрического тока высокого напряжения. Свойство катодных лучей приводить в движение тела и испытывать отклонения в магнитном и электрическом полях дало возможность сделать вывод, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд.

В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) исследовал эти частицы и назвал их электронами. Так как электроны могут быть получены независимо от вещества, из которого состоят электроды, то это доказывает, что электроны входят в состав атомов любого элемента.

В 1896 г. А. Беккерель (Франция) открыл явление радиоактивности. Он обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу.

В 1898 г., продолжая исследования Беккереля, М. Кюри-Складовская и П. Кюри открыли в урановой руде два новых элемента – радий и полоний, обладающие очень большой активностью излучения.

радиоактивный элемент

Свойство атомов различных элементов самопроизвольно превращаться в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием альфа -, бета - и гамма – лучей, не видимых невооруженным глазом, называется радиоактивностью.

Следовательно, явление радиоактивности является прямым доказательством сложного строения атомов.

Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Но электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены в 1911 г. Э. Резерфордом (Англия), который предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра, очень малого по размерам. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом электронейтрален, следовательно, суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра.

Исследования Г. Мозли (Англия, 1913 г.) показали, что положительный заряд атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Итак, порядковый номер элемента указывает число положительных зарядов ядра атома, а так же число движущихся в поле ядра электронов. В этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.

Согласно ядерной модели наиболее просто устроен атом водорода: ядро несет один элементарный положительный заряд и массу, близкую к единице. Оно называется протоном («простейший»).

В 1932 г. физик Д.Н. Чедвик (Англия) установил, что лучи, испускаемые при бомбардировке атома альфа-частицами, обладают огромной проницательной способностью и представляют собой поток электронейтральных частиц – нейтронов.

На основании изучения ядерных реакций Д.Д. Иваненко (физик, СССР, 1932 г.) и одновременно В.Гейзенберг (Германия) сформулировали протонно-нейтронную теорию строения ядер атомов, согласно которой ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц-протонов и нейтральных частиц-нейтронов (1 Р) - протон имеет относительную массу 1 и относительный заряд + 1. 1

(1 n) – нейтрон имеет относительную массу 1 и заряд 0.

Таким образом, положительный заряд ядра определяется числом протонов в нем и равен порядковому номеру элемента в ПС; массовое число – А(относительная масса ядра) равно сумме протонов (Z) нейтронов (N) :

A = Z + N; N = A- Z

Изотопы

Атомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра и разное массовое число – изотопы. У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Изотопы водорода:

1 Н 2 Н 3 Н 3 – массовое число

1 - заряд ядра

протий дейтерий тритий

Z = 1 Z = 1 Z =1

N = 0 N = 1 N = 2

1протон 1 протон 1 протон

0 нейтронов 1 нейтрон 2 нейтрона

Изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства и обозначаются одним химическим символом, занимают одно место в П.С. Так как масса атома практически равна массе ядра (масса электронов ничтожно мала), то каждый изотоп элемента характеризуется, как и ядро, массовым числом, а элемент атомной массой. Атомная масса элемента – это среднее арифметическое между массовыми числами изотопов элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа в природе.

Предложенная Резерфордом ядерная теория строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Согласно классической электродинамике электрон должен излучать энергию и двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и в итоге упасть на ядро.

В 20 – х годах XX в. ученые установили, что электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами волны и частицы.

Масса электрона равна 1 ___ массы водорода, относительный заряд

равен (-1) . Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента. Электрон движется по всему объему атома, создавая электронное облако с неравномерной плотностью отрицательного заряда.

Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома (1913 г. , датский ученый Н. Бор). Главный тезис квантовой механики – микрочастицы имеют волновую природу, а волны – свойства частиц. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Область наиболее вероятного нахождения электрона в атоме (≈ 90%) называется атомной орбиталью.

Каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.

Похожая информация.

• СОДЕРЖАНИЕ:
  От редакции (3).
  Андрей Николаевич Колмогоров (Биографическая справка) (4).
  1. Ряд Фурье - Лебега, расходящийся почти всюду (8).
  2. О порядке величины коэффициентов ряда Фурье - Лебега (12).
  3. Замечания к исследованию сходимости рядов Фурье (15).
  4. О сходимости рядов Фурье (16).
  5. Аксиоматическое определение интеграла (19).
  6. О границах обобщения интеграла (21).
  7. О возможности общего определения производной, интеграла и суммирования расходящихся рядов (39).
  8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье (40).
  9. О принципе tertium non datur (45).
  10. О сходимости рядов Фурье (69).
  11. Ряд Фурье - Лебега, расходящийся всюду (73).
  12. О сходимости ортогональных рядов (75).
  13. Об операциях над множествами (85).
  14. О процессе интегрирования Данжуа (93).
  15. О тополого-теоретико-групповом обосновании геометрии (94).
  16. Исследование понятия интеграла (96).
  17. Об определении среднего (136).
  18. О компактности множеств функций при сходимости в среднем (139).
  19. К толкованию интуиционистской логики (142).
  20. К обоснованию проективной геометрии (149).
  21. К теории меры (150).
  22. О точках разрыва функций двух пепеменных (167).
  23. О нормируемости общего линейного топологического пространств! (168).
  24. Продолжение исследования о точках разрыва функции двух переменных (171).
  25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам (174).
  26. Преобразование Лапласа в линейных пространствах (178).
  27. О порядке остаточного члена рядов Фурье дифференцируемых функций (179).
  28. О наилучшем приближении функций заданного функционального класса (186).
  29. О законах двойственности в комбинаторной топологии (190).
  30. Кольцо гомологии комплексов и локально бикомпактных пространств (197).
  31. Конечные покрытия топологических пространств (203).
  32. Группы Бетти локально бикомпактных пространств 2A7
  33. Свойства групп Бетти локально бикомпактных пространств (209).
  34. Группы Бетти метрических пространств (211).
  35. Относительные циклы. Теорема двойственности Александера (214).
  36. Об открытых отображениях (215).
  37. Кососимметричные величины и топологические инварианты (218).
  38. Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрастанием количества вещества, и его применение к одной биологической проблеме (221).
  39. Упрощенное доказательство эргодической теоремы Биркгофа - Хинчина (246).
  40. О неравенствах между верхними гранями последовательных производных произвольной функции на бесконечном интервале (252).
  41. О кольцах непрерывных функций на топологических пространствах (264).
  42. Кривые в гильбертовом пространстве, инвариантные по отношению к однопараметрической группе движений (269).
  43. Спираль Винера и некоторые другие интересные кривые в гильбертовом пространстве (274).
  44. Точки локальной топологичности счетнократных открытых отображений компактов (278).
  45. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса (281).
  46. К вырождению изотропной турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости (287).
  47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности (290).
  48. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости (294).
  49. Замечание по поводу многочленов П.Л. Чебышева, наименее уклоняющихся от заданной функции (296).
  50. О дроблении капель в турбулентном потоке (302).
  51. О динамических системах с интегральным инвариантом на торе (307).
  52. О сохранении условно периодических движений при малом изменении функции Гамильтона (311).
  53. Общая теория динамических систем и классическая механика (316).
  54. Некоторые принципиальные вопросы приближенного и точного представления функций одного и нескольких переменных 333.
  55. О представлении непрерывных функций нескольких переменных суперпозициями непрерывных функций меньшего числа переменных (335).
  56. О представлении непрерывных функций нескольких переменных в виде суперпозиций непрерывных функций одного переменного и сложения (340).
  57. О линейной размерности топологических векторных пространств (344).
  58. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса (348).
  59. П.С. Александров и теория bs-операций (352).
  60. Качественное изучение математических моделей динамики популяций (357).

«ОБЩАЯ и НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Часть II ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Школа имени А.Н.Колмогорова И з д а т е л ь с т в о М о с к о в с к о г о ун и в е р с и т е т а УДК...»

Ю.М.К орен ев, В.П.Овчарен к о, Е.Н.Егоров

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ

НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Школа имени А.Н.Колмогорова

И з д а т е л ь с т в о М о с к о в с к о г о ун и в е р с и т е т а

Рецензент

доцент Л.А.Куликов

(химический факультет МГУ)

Коренев Ю.М., Овчаренко В.П., Егоров Е.Н.

К 66 Общая и неорганическая химия. Курс лекций. Часть II. Основные классы неорганических соединений. - М.: Школа имени А. Н. Колмогорова, Издательство Московского университета, 2000. - 36 с.

ISBN 5-211-03933-5 Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с программой курса неорганической химии, и читаемого учащимся химикобиологического отделения Школы имени А. Н. Колмогорова Специализированного учебно-научного центра МГУ.

Пособие знакомит с основными классами неорганических соединений, их свойствами и способами получения.

УДК 546 ББК 24.1 © Ю.М.Коренев, В.П.Овчаренко, Е.Н.Егоров, 1999 г.

ISBN 5-211-03933-5 © И.Н.Коровин, А.Т.Клименко - оформление, 2001 г.

Глава 1 Оксиды ОКСИДЫ - соединения, образованные атомами двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления (– 2).

К оксидам относятся все соединения элементов с кислородом, например Fe2O3, P4O10, кроме содержащих атомы кислорода, связанные химической связью друг с другом (пероксиды, надпероксиды, озониды), например, Na2O2 - пероксид натрия: Na O O Na O] – KO2 - надпероксид калия: K+ – KO3 - озонид калия: K+, которая не существует в природе:

Fe(OH) 2 + 2 [ H Fe O2 ] = Fe O 2 + H2O.

(Fe) Fe3O 4 От гидрата оксида свинца (IV), как от кислоты, и Pb(OH)2, как основания, могут быть получены два двойных оксида - Pb2O3 и Pb3O4 (сурик), которые можно рассматривать как соли. Первый является свинцовой солью метасвинцовой кислоты (H2PbO3), а второй - ортосвинцовой кислоты (H4PbO4).

§ 2. Классификация оксидов и закономерности изменения химических свойств Cреди оксидов, особенно среди оксидов d-элементов, много соединений переменного состава (бертолиды), содержание кислорода в которых не соответствует стехиометрическому составу, а изменяется в довольно широких пределах, например, состав оксида титана (II) TiO изменяется в пределах TiO0,65 – TiO1,25.

Солеобразующими оксидами называются оксиды, которые образуют соли.

Оксиды этого типа делятся на три класса: основные, амфотерные и кислотные.

–  –  –

Кислотными оксидами называются оксиды, элемент которых при образовании соли или кислоты входит в состав аниона.

Амфотерными оксидами называются оксиды, которые в зависимости от условий реакции могут проявлять как свойства кислотных, так и свойства основных оксидов.

–  –  –

Кислоты и основания § 1. Теории кислот и оснований Понятия «кислота» и «основание» сформировались в XVII веке. Однако содержание этих терминов неоднократно пересматривалось. Существует несколько теорий кислот и оснований. Здесь будут рассмотрены только три теории, которые чаще всего используются для объяснения химических процессов.

1.1. Электролитическая теория На основании теории электролитической диссоциации (1887), предложенной шведским физико-химиком Сванте Аррениусом (1859 – 1927 гг.), можно дать следующие определения кислотам и основаниям:

Кислоты - электролиты, которые при диссоциации в водных растворах, в качестве катионов дают только катионы водорода (гидроксония - H3O+) и анионы кислотного остатка.

Например, HNO3 H+ + NO 3.

Основания - электролиты, которые при диссоциации в водных растворах в качестве анионов дают только анионы гидроксила (OH–) и катионы.

Например, KOH K+ + OH –.

–  –  –

K H 2O = K a.

Величину Ka называют константой ионизации кислоты (индекс «а» - от английского acid - кислота), в числителе обычно указывают не концентрацию катионов гидроксония, а концентрацию ионов водорода.

Качественно силу кислот можно оценить по правилу Полинга: если представить формулу оксокислоты в общем виде - HnЭOm, то по разности (m – n) можно оценить силу кислоты: у какой кислоты она больше та кислота и сильнее:

m – n = 0 - кислота очень слабая, HClO m – n = 1 - кислота слабая, HClO2 m – n = 2 - кислота сильная, HClO3 m – n = 3 - кислота очень сильная, HClO4.

Для многоосновных кислот для каждой ступени диссоциации можно записать свою константу ионизации, причем, как правило, каждая последующая константа меньше предыдущей на несколько порядков:

–13 K3 = 5, 10).

Замена одного атома кислорода в оксокислоте на атом фтора ведет к резкому увеличению силы кислоты. Примером может служить фторсульфоновая кислота HSO3F. Такие кислоты получили название суперкислот. К этому же классу кислот относятся и кислоты с комплексным анионом, например HSbF6.

5. По устойчивости. Некоторые оксокислоты существуют только в водных разбавленных растворах и являются термически неустойчивыми.

Получить их в индивидуальном виде невозможно, например H2CO3, H2SO3, HClO, HClO2. В то же время есть устойчивые к нагреванию кислоты, например, серная H2SO4 (tкип. = 296,5С).

6. По растворимости. По растворимости кислоты делятся на растворимые, такие как HNO3, H3PO4, и нерастворимые в воде - SiO2 x H2O, H2MoO4.

7. По соотношению воды и кислотного оксида. По этому признаку кислоты делятся на орто-, пиро-, мета-кислоты и кислоты переменного состава.

К орто-кислотам относятся кислоты, в которых отношение воды и кислотного оксида превышает 1. К таким кислотам относятся ортофосфорная H3PO4 [(H2O) : (P2O5) = 3: 1].

–  –  –

Однако, используя серную кислоту для этих целей необходимо учитывать и другие свойства этой кислоты, ограничивающие ее применение.

Концентрированная серная кислота является достаточно сильным окислителем, поэтому ее нельзя использовать для получения таких кислот как HBr, HI, H2S, кислотообразующие элементы которых она может перевести в другие степени окисления, например:

8 HI + H 2SO4 = 4I2 + H2S + 4 H2O.

–  –  –

1. Рассмотрим характерные свойства кислот, не являющихся окислителями.

1.1. Реакции обмена

а) Взаимодействие с основаниями (как с растворимыми, так и с нерастворимыми) - реакция нейтрализации:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

–  –  –

2 H2S + H2SO3 = 3 S + 3 H2O.

По этому принципу кислоты можно разделить на кислоты-восстановители и кислоты-окислители.

2. Свойства кислот-окислителей.

2.1. Реакции обмена. Кислоты-окислители реагируют с оксидами, гидроксидами и солями, в состав которых входят катионы металлов не проявляющих переменные степени окисления также как и кислоты, не являющиеся окислителями (см. 1.1 и 1.2 в п. 2.4).

2.2. Реакции с гидроксидами, оксидами и солями.

а) Если металл, образующий основание, может находиться в нескольких степенях окисления, а кислота проявляет окислительные свойства, то эти реакции могут протекать с изменением степеней окисления элементов, например:

Fe(OH)2 + 4 HNO3 (конц.) = Fe(NO3)3 + NO2 + 3 H2O.

б) Аналогично ведут себя в реакциях с кислотами-окислителями и оксиды металлов, проявляющих переменные степени окисления:

2 FeO + 4 H2SO4 (конц.) = Fe2(SO4)3 + SO2 + 4 H2O.

в) При реакциях кислот-окислителей с солями, содержащими анион, проявляющий восстановительные свойства, происходит его окисление:

3 Na2S + 8 HNO3 (разб.) = 6 NaNO3 + 3 S + 2 NO + 4 H2O 8 NaI + 5 H2SO4 (конц.) = 4 I2+ H2S + 4 Na2SO4 + 4 H2O.

2.3. Взаимодействие с металлами.

Азотная и концентрированная серная кислоты являются сильными окислителями и могут взаимодействовать с металлами, стоящими в ряду напряжений как до, так и после водорода, но водород в этом случае не выделяется, а образуются продукты восстановления азота и серы, причем, состав продуктов зависит от активности металла, концентрации кислоты и температуры:

Cu + 4 HNO3 (конц.) = Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O 3 Cu + 8 HNO3 (разб.) = 3 Сu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O 5 Co + 12 HNO3 (оч.разб.) = 5 Co(NO3)2 + N2 + 6 H2O 4 Zn + 10 HNO3 (оч.разб.) = 4 Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3 H2O.

–  –  –

3.1. Классификация оснований Основания могут быть классифицированы по следующим свойствам.

1. Кислотность основания - число групп OH- способных обмениваться на кислотный остаток. Например, NaOH - однокислотное основание, Ca(OH)2 - двухкислотное основание. По этому признаку основания бывают одно-, двух- и т. д. кислотными. Многокислотные основания диссоциируют ступенчато и могут образовывать несколько рядов солей, наприОснования мер, (MgOH)2CO3 - гидроксокарбонат (основной карбонат) магния;

MgCO3 - карбонат (средний карбонат) магния.

2. Растворимость. Гидроксиды щелочных металлов, металлов главной подгруппы второй группы, начиная с кальция, гидроксид таллия (I) и гидроксид аммония растворимы в воде. Гидроксиды других металлов в воде практически нерастворимы.

3. Сила оснований, также как и других электролитов, определяется степенью диссоциации (или констанотой диссоциации). Сильными основаниями являются гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

Сильные, растворимые в воде основания называются щелочами.

4. Термическая устойчивость оснований. При нагревании большинство оснований разлагаются на оксид металла и воду. Устойчивыми являются гидроксиды щелочных металлов, начиная с натрия, они плавятся без разложения. Гидроксиды лития, стронция, бария и радия разлагаются при температуре несколько выше температуры плавления, гидроксиды остальных металлов разлагаются до плавления.

5. По отношению к кислотам и щелочам гидроксиды металлов можно разделить на основные и амфотерные. К основным гидроксидам относятся гидроксиды, растворяющиеся только в кислотах и не реагирующие со щелочами, к амфотерным - гидроксиды, растворяющиеся как в кислотах, так и в щелочах.

Основными являются гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также гидроксид магния и гидроксиды переходных металлов в низших степенях окисления, например, Cr(OH)2, Mn(OH)2 и др.

Амфотерными являются гидроксиды Be(OH)2, Zn(OH)2, Al(OH)3, Sn(OH)2, гидроксиды переходных металлов в промежуточных степенях окисления, например, Cr(OH)3, Fe(OH)3.

–  –  –

Для получения гидроксидов этим способом необходимо разделить катодное и анодное пространства, иначе будет происходить взаимодействие хлора со щелочью с образованием других продуктов.

7. Важнейшим способом получения слабых, нерастворимых в воде оснований является осаждение их из растворов солей щелочами или раствором аммиака MgSO4 + 2 KOH = Mg(OH)2 + K2SO4 AlCl3 + 3 NH4OH = Al(OH)3 + 3 NH4Cl.

При осаждении амфотерных гидроксидов щелочами полноту осаждения можно достичь только при смешении строго эквимолярных количеств соли и щелочи. Поэтому для осаждения амфотерных гидроксидов используют раствор аммиака в воде. Аммиаком нельзя осаждать гидроксиды тех металлов, которые образуют с ним комплексные катионы.

§ 3. Основания Гидроксид аммония не может быть получен таким способом, т. к. повышение концентрации анионов OH – приводит к уменьшению растворимости аммиака в воде и выделению его из раствора в виде газа:

NH4Cl + NaOH = NH3 + H2O + NaCl.

Этот же способ применим и для получения растворимых в воде оснований:

Ca(OH)2 + Na2CO3 2 NaOH + CaCO3 (каустизация соды).

Сдвиг равновесия в сторону образования NaOH достигается за счет образования CaCO3, обладающего меньшей растворимостью, чем Ca(OH)2.

Для большего смещения равновесия в сторону образования гидроксида щелочного металла используют гидроксид бария и сульфат соответствующего щелочного металла:

Ba(OH)2 + Cs2SO4 = BaSO4 + 2 CsOH.

8. Окислением катиона, находящегося в низшей степени окисления, до высшей:

4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3.

–  –  –

Соли C точки зрения электролитической теории можно дать следующее определение этому классу соединений СОЛИ - электролиты, которые в водных растворах диссоциируют на катионы металлов или другие, более сложные, катионы, например, NH, UO 2, 2+ и анионы кислотного остатка.

–  –  –

1. Средние соли - соли, которые образуются в результате полной нейтрализации кислоты основанием (при замещении всех катионов водорода на катионы металла):

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O.

2. Кислые соли - соли, которые образуются при неполной нейтрализации кислоты основанием (замещаются не все катионы водорода на катионы металла). Соли этого типа могут быть образованы только многоосновными кислотами.

H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O.

H2SO4 - кислота двухосновная, при полной нейтрализации которой образуется средняя соль Na2SO4, а при замещении одного атома водорода на металл образуется кислая соль NaHSO4.

H3PO4 - кислота трехосновная, в которой возможно последовательное замещение одного, двух или всех трех атомов водорода на атомы металла.

И при нейтрализации этой кислоты возможно образование трех рядов солей:

NaH2PO4, Na2HPO4 и Na3PO4.

Соли В общем же случае к кислым солям относятся соли в которых мольное содержание кислотного оксида больше мольного содержания основного оксида, например, Na2B4O7, Na2Cr2O7, Na2S2O7, Na4P2O7. При реакции с основными оксидами и гидроксидами эти соли переходят в средние соли:

Na2Cr2O7 + 2 NaOH = 2 Na2CrO4 + H2O CoO + Na2B4O7 = 2 NaBO2 + Co(BO2)2.

3. Основные соли - соли, которые являются продуктом неполной нейтрализации многокислотного основания кислотой:

Mg(OH)2 + HCl = Mg(OH)Cl + H2O.

4. Двойные соли - соли, в состав которых входят анионы только одного вида и разные катионы, например, KAl(SO4)2 12 H2O.

5. Смешанные соли - соли, в состав которых входят катионы одного вида и анионы разных кислот, например, хлорная известь CaCl(OCl).

6. Комплексные соли - соли, имеющие сложные катионы или анионы, в которых связь образована по донорно-акцепторному механизму. При написании молекулярных формул таких солей комплексный катион или анион заключают в квадратные скобки, например:

K3, K, Na OH, (OH)2.

–  –  –

ГЛАВА 1. ОКСИДЫ

§ 1. Физические свойства оксидов

§ 2. Классификация оксидов и закономерности изменения химических свойств.. 4

2.1. Классификация оксидов по химическим свойствам

2.2. Закономерности изменения свойств оксидов

§ 3. Способы получения оксидов

§ 4. Химические свойства оксидов

4.1. Основные оксиды

4.2. Кислотные оксиды

4.3. Амфотерные оксиды

4.4. Общие химические свойства оксидов

ГЛАВА 2. КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ

§ 1. Теории кислот и оснований

1.1. Электролитическая теория

1.2. Протолитическая теория

1.3. Электронная теория

§ 2. Кислоты

2.1. Классификация кислот.

2.2. Способы получения кислот

2.3. Общие методы получения любых кислот

2.4. Химические свойства кислот

§ 3. Основания

3.1. Классификация оснований

3.2. Способы получения оснований

3.3. Химические свойства оснований

ГЛАВА 3. СОЛИ

§ 1. Классификация солей

§ 2. Способы получения солей

§ 3. Химические свойства солей

КОРЕНЕВ Юрий Михайлович, проф. ФНМ МГУ ОВЧАРЕНКО Валерий Павлович, ст. преподаватель химического факультета МГУ ЕГОРОВ Евгений Николаевич, ст. н. с. химического факультета МГУ

–  –  –

Подписано в печать 04.12.2000. Формат 60 84 1/16. Бумага офс. № 1.

Офсетная печать. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 2,25. Уч.-изд. л. 2,25. Тираж 150 экз.

Кафедра химии возникла вскоре после преобразования интерната №18 в Специализированный учебно-научный центр МГУ (Постановление Совета Министров СССР №1241 от 01.10.88г. и приказ Госкомобразования от 16.11.88г.).

До этого химию в интернате преподавали:

Веденеева Марина Сергеевна - с 1964 по 1980 г.
- с 1980 по 1991 г.
Табаченко Наталья Владимировна - с 1986 по 1989 г.

С 13 ноября 1989 г. к занятиям в СУНЦ приступил первый специализированный химический класс. Тогда в него было зачислено 18 школьников. Не все дошли до "финиша" - в 1991 г. в первом химическом выпуске насчитывалось только 8 человек.

Состав преподавателей кафедры химии с 1989г. существенно не менялся. На кафедре химии работали и работают:

Галин Алексей Михайлович	(к.х.н., доцент) - с 1991 г. по наст. время
Загорский Вячеслав Викторович	(д.пед.н., профессор) - с 1989 г. по наст. время
Менделеева Екатерина Александровна	(к.х.н., доцент) - с 1990 г. по наст. время
Морозова Наталья Игоревна	(к.х.н., ст.препод.) - с 1990 г. по наст. время
Колясников Олег Владимирович	(ассистент) - с 2004 г. по наст. время
Кубарев Алексей Вячеславович	(ассистент) - с 2005 г. по наст. время
Сигеев Александр Сергеевич	(к.х.н., ассистент) - с 2008 по наст. время
Алешин Глеб	(лаборант) - с 2009 по наст. время
Коренев Юрий Михайлович (10.05.1936 - 09.08.2010)	(д.х.н., профессор, зав. кафедрой) - с 1989 г. по 2010 г.
Батаева Елена Викторовна	(к.пед.н., ассист.) - с 1990 по 1993 г.
Пиркулиев Намиг Шарафеддин-оглы	(ассистент) - с 1997 по 1999 г.
Присяжнюк Валентина Викторовна
Татьянина Ирина Васильевна	(ассистент) - с 1989 по 1991 г.
Чуранов Сергей Сергеевич	(к.х.н., доцент) - с 1989 по 1997 г.
Батаев Вадим Альбертович	(к.х.н.) - с 1997 по 1998 г.

За период с 1991 по 2010 год состоялось 20 выпусков химического класса СУНЦ - всего 361 человек. Из них 298 выпускников (83%) поступили в МГУ. Большинство - 214 выпускников – поступили на химический факультет и факультет наук о материалах. Выпускники химического класса учились и учатся также на физическом (16), механико-математическом (15), биологическом (7), геологическом (6) факультетах, факультете вычислительной математики и кибернетики (9), факультете фундаментальной медицины (6), почвоведения (9). Поступают ребята и в другие ВУЗы - ВХК РАН, РХТУ, МИФИ, Медицинскую академию и т.д.

Занятия в химическом классе СУНЦ МГУ проводятся в учебном корпусе СУНЦ (лекции и семинары) и на Химическом факультете МГУ (практикумы по аналитической, органической и неорганической химии).

Занятия в химическом и физико-математических классах проводятся по оригинальным программам и учебникам, авторами которых являются преподаватели кафедры. Кроме базового курса преподаватели кафедры химии ведут факультативы:

• Термодинамика и кинематика быстрых и экзотермических реакций (Загорский В. В.)
• Химия на английском (Менделеева Е. А.)
• Человек и вещество (Менделеева Е. А.)
• Методы решения задач по химии (Галин А. М.)
• Геномика (Колясников О. В.)
• Химия белка (Колясников О. В.)
• Нанотехнологии – навстречу наномиру (Смирнов Е. А.)
• Фехтование (Колясников О. В.)
• Органический ликбез (Морозова Н. И.)
• Подготовка к ЕГЭ (Галин А.М., Кубарев А. В.)
• Вечерний клуб (Загорский В. В.)

Преподаватели кафедры химии многократно получали гранты "Соросовский учитель", они участвуют в организации и проведении химических олимпиад школьников, летних школ для старшеклассников и семинаров для школьных учителей.

Преподаватели кафедры химии издали следующие учебные пособия :

• 
  Органическая химия. Часть I. Теория строения органических веществ.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, 1997. - 48 с.
• Менделеева Е. А., Морозова Н. И.
  Органическая химия. Часть II. Углеводороды.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, Изд-во Моск. ун-та, 1999. - 64 с.
  ISBN 5-211-02588-1
• Коренев Ю. М., Овчаренко В. П.
  Общая и неорганическая химия. Часть I.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, 1998. - 63 с.
• Ю.М.Коренев, Н.И.Морозова, А.И.Жиров
  Практикум по неорганической химии.
  М.: Школа им. А.Н Колмогорова, Изд. МГУ, 1999. - 64 с.
• Коренев Ю.М., Овчаренко В.П., Менделеева Е.А., Морозова Н.И.
  Химия. Часть I.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, 2000. - 72 с.
• Коренев Ю. М., Овчаренко В. П., Егоров Е. Н.
  Общая и неорганическая химия. Часть II. Основные классы неорганических соединений.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, Издательство Московского университета, 2000. – 36 с.
  
• Пиркулиев Н. Ш.
  Олимпиадные задачи по химии. Типы задач и методы их решения.
  М.: Школа имени А. Н. Колмогорова, «Самообразование», 2000. – 160 с.
  
• Загорский В. В.
  Огни потешные. Фейерверк: история, теория, практика.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, «Самообразование», 2000. – 64 с.
• Менделеева Е.А., Морозова Н.И.
  Органическая химия. Часть III. Кислородсодержащие и азотсодержащие органические соединения.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, Издательство Московского университета, 2001. – 56 с.
  
• Коренев Ю.М., Овчаренко В.П.
  Общая и неорганическая химия. Часть III. Основы химической термодинамики и кинетики.
  М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, Издательство Московского университета, 2002. – 48 с.
  
• Морозова Н.И., Загорский В.В.
  Полезные советы.
  М: МАКС Пресс, 2003. – 31 с.
• Коренев Ю.М.
Общая и неорганическая химия. Часть IV. Физико-химические свойства растворов.
М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, Издательство Московского университета, 2004. – 49 с.
• Морозова Н.И., Загорский В.В.
  Как победить на экзамене.
  М., 2006. – 34 с.
• Коренев Ю.М., Овчаренко В.П., Морозова Н.И.
Общая и неорганическая химия. Часть I. Основные понятия, строение атома, химическая связь.
М.: Школа им. А.Н.Колмогорова, МАКС Пресс, 2008. – 81 с.
• Морозова Н.И.
  Идентификация веществ.
  М.: МАКС Пресс, 2008. – 35 с.

Методический опыт работы преподавателей кафедры химии описан в следующих публикациях :

• Вариант изложения в физико-математической школе темы "Строение атома и Периодический закон".
  Загорский В.В.
  Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И.Менделеева), 1994, т. 38, №4, с.37 - 42
• Нестандартные задачи по химии
  В.В.Загорский, А.М.Галин, Е.А.Менделеева, Н.И.Морозова
  Российский химический журнал (ЖРХО им.Д.И.Менделеева), 1994, т.38, №4, с.89 - 90
• Преподавание химии в классах физико-математического и экономического профиля СУНЦ МГУ
  Галин.А.М., Загорский В.В., Менделеева Е.А.
  Международный семинар по преподаванию химии в школе "Пущинская осень - 96" (сб. материалов), Москва, 1996. - 29 с.
• Загорский В.В.
  От "педагога" к Учителю. Как стать "звездой".
  М.: Издат. отдел УНЦ ДО МГУ, 1998 - 96с.
• Химия в выпускных классах средней школы: обратная связь посредством анонимного тестирования.
  А.М.Галин, В.В.Загорский, Е.А.Менделеева
  Материалы XLV Герценовских чтений (Всероссийской научно-практической конференции) (13 - 16 мая 1998), С.-Петербург,
  с.48 - 49.
• Правда о выпускных (Как знают химию выпускники школ)
  В.Загорский, Е.Менделеева, А.Галин, Н.Морозова
  Учительская газета, №7, 23 февраля 1999г., с.8
• Подготовка к научной деятельности одаренных старшеклассников: необходимость альтернативы научному мировоззрению
  В.В.Загорский
  В сб. тезисов докладов Международного конгресса "Наука и образование на пороге III-го тысячелетия", Минск, 3 - 6.10.2000, книга 1, стр.56-57
• Задача образования XXI века - формирование экологического мировоззрения
  Е.А.Менделеева
  В сб. тезисов докладов Международного конгресса "Наука и образование на пороге III-го тысячелетия", Минск, 3 - 6.10.2000, книга 2, стр.91-92

В.В. Загорский