6 во-первых, ее объектами являются фундаментальные проблемы, без которых невозможна современная трактовка и изучение химических (да и многих других) дисциплин. действительно, как можно говорить о свойствах веществ, не располагая знаниями о строении и свойствах атомов, обсуждать проблемы химии и, в частности, химические процессы или строение вещества без представлений о природе химической связи и т. д. второй особенностью настоящей работы является то, что ее фактический материал является прямым отражением уровня нашего современного понимания и восприятия системы мироздания в целом, то есть тематика работы напрямую связана с проблемами, которые всегда волновали лучшие умы. действительно, что может быть более интересным и захватывающим для человеческого разума в сравнении с поиском ответов на такие вопросы, как: что есть окружающий нас мир и каковы его основы? и, наконец, эта работа относится к области науки, которая особенно богата примерами того, как в процессе научного познания прокладывает дорогу, пульсирует и бьется живая творческая мысль с ее трагическими заблуждениями, обидными ошибками, удивительными находками и гениальными озарениями, то есть примерами того, как делаются открытия и как развивается процесс научного творчества. излагая материал, постараемся максимально приобщиться к тернистому историческому пути становления знаний о строении вещества и химической связи. <...> 8 модуль 1 РАЗВиТие ВЗГЛЯдоВ нА сТРоение АТомоВ Комплексная цель модуля дать понятие об основных этапах развития представлений о строении атома. <...> Это был триумф, разработанной теории. (вот за что присваиваются нобелевские премии.) в дальнейшем, в 1916–1925 гг., зоммерфельд (Германия) и другие исследователи распространили теорию бора на многоэлектронные атомы. <...> 3) она не в состоянии также объяснить ряд тонких эффектов спектров, особенно спектров многоэлектронных атомов. все это позволяет рассматривать боровские <...>
Введение_в_общую_химию.pdf
удк 542.8
ббк .24.1
Л 85
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
Рецензенты:
заведующий кафедрой химии ростовского государственного строительного
университета, доктор технических наук, профессор В. Т. Мальцев;
профессор кафедры общей и неорганической химии ЮФу А. А. Нестеров
Учебник подготовлен и издан в рамках национального проекта
«Образование» по «Программе развития федерального государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»
Лупейко Т. Г.
Л 85
введение в общую химию: учебник. – ростов н/д: изд-во ЮФу, 2010. – 232 с.
ISBN 978-5-9275-0763-4
в работе обсуждается широкий круг взаимосвязанных вопросов, в числе которых
строение атомов, квантовая механика, химическая связь, строение и свойства молекулярных
и других веществ, понятия и определения химии, методология решения химических
задач, моделирование фазовых систем.
учебник рассчитан на студентов, начинающих изучать химию в высшей школе, и
подготовлен в необычной для традиционных учебников, увлекательной форме с целью
не только научить, но и приобщить читателя к научному творчеству. Помимо студентов,
работа может быть полезна преподавателям химии средних школ, школьникам и
абитуриентам в качестве ориентира постшкольного изучения химии. а с учетом его
нетрадиционного стиля и методологической направленности может заинтересовать
других читателей, как изложение захватывающих перипетий становления химической
науки и опыта решения ее задач.
допущено умо по классическому университетскому образованию для студентов,
обучающихся по специальности 020101.65 – Химия.
ISBN 978-5-9275-0763-4
удк 542.8
ббк 24.1
© Лупейко т. Г., 2010
© оформление. макет. издательство
Южного федерального университета, 2010
Стр.2
содерЖание
Предисловие .........................................................................................................3
введение ...............................................................................................................5
модуль 1. РАЗВиТие ВЗГЛЯдоВ нА сТРоение АТомоВ ................9
1.1. Примеры опытов, доказывающих сложность строения атомов ..............9
1.2. атомные масштабы ..................................................................................... 11
1.3. основные этапы развития взглядов на строение атома ..........................13
1.4. Понятие о спектрах .....................................................................................16
1.5. спектр атома водорода ...............................................................................17
1.6. теория строения атома по бору .................................................................21
1.7. тест рубежного контроля № 1 ...................................................................24
модуль 2. осноВнЫе пРедпосЫЛки кВАнТоВой
мехАники .....................................................................................................26
2.1. Фотоэффект и его истолкование ................................................................27
2.2. кентавры микромира ..................................................................................28
2.3. тест рубежного контроля № 2 ...................................................................32
модуль 3. понЯТие о кВАнТоВой мехАнике ..............................33
3.1. уравнение Шредингера – основа квантовой механики ...........................33
3.2. обычное и необычное в квантовой механике ..........................................34
3.3. как работает и на что претендует квантовая механика ...........................36
3.4. атом водорода в квантовой механике .......................................................38
3.5. многоэлектронные атомы ..........................................................................47
3.6. тест рубежного контроля № 3 ...................................................................52
модуль 4. химиЧескАЯ сВЯЗЬ ...............................................................53
4.1. Энергия химической связи .........................................................................53
4.2. длина химической связи ............................................................................55
4.3. валентные углы и примеры строения молекул ........................................56
4.4. Электроотрицательность элементов .........................................................58
4.5. тест рубежного контроля № 4 ...................................................................59
модуль 5. осноВнЫе ЭТАпЫ РАЗВиТиЯ пРедсТАВЛений
о химиЧеской сВЯЗи .............................................................................61
5.1. ковалентная связь .......................................................................................62
5.2. ионная связь ................................................................................................64
5.3. донорно-акцепторная связь .......................................................................64
5.4. металлическая связь...................................................................................66
5.5. тест рубежного контроля № 5 ...................................................................67
228
Стр.228
модуль 6. химиЧескАЯ сВЯЗЬ с поЗиЦий кВАнТоВой
мехАники .....................................................................................................69
6.1. основные подходы к трактовке химической связи .................................69
6.2. тест рубежного контроля № 6 ...................................................................73
модуль 7. меТод ВАЛенТнЫх сВЯЗей (мВс) .................................74
7.1. Природа ковалентной связи .......................................................................75
7.2. Энергия ковалентной связи ........................................................................76
7.3. основные положения мвс ........................................................................79
7.4. тест рубежного контроля № 7 ...................................................................80
модуль 8. ВАЛенТносТЬ и сТРоение моЛекуЛ ..........................82
8.1. направленность ковалентной связи и строение молекул ........................86
8.1.1. молекулы, состоящие из двух одновалентных атомов,
σ- и π-связь ........................................................................................87
8.1.2. молекулы с центральным многовалентным атомом
и одновалентными заместителями. Гибридизация .......................89
8.2. тест рубежного контроля № 8 ...................................................................95
модуль 9. АнАЛиЗ химиЧеской сВЯЗи и сТРоениЯ
РеАЛЬнЫх моЛекуЛ ................................................................................96
9.1. методика анализа химической связи в реальных молекулах .................96
9.2. соединения углерода и его электронных аналогов .................................99
9.2.1. атом углерода с четырьмя заместителями ..................................100
9.2.2. атом углерода с тремя заместителями .........................................100
9.2.3. атом углерода с двумя заместителями.........................................102
9.2.4. атом углерода с одним заместителем ..........................................104
9.3. соединения азота и его электронных аналогов .....................................106
9.4. молекулы с центральными атомами фосфора и серы ........................... 111
9.5. тест рубежного контроля № 9 ................................................................. 113
модуль 10. меТод моЛекуЛЯРнЫх оРбиТАЛей (ммо) .......... 114
10.1. основы метода молекулярных орбиталей ............................................ 114
10.2. Примеры молекулярных орбиталей двухатомных молекул ................ 119
10.3. тест рубежного контроля № 10 .............................................................124
модуль 11. ионнАЯ сВЯЗЬ .......................................................................126
11.1. Энергия ионной связи .............................................................................127
11.2. свойства ионной связи ...........................................................................129
11.3. строение веществ с ионной связью ......................................................131
11.4. тест рубежного контроля № 11 ..............................................................132
229
Стр.229
модуль 12. меТАЛЛиЧескАЯ сВЯЗЬ и меЖмоЛекуЛЯРнЫе
ВЗАимодейсТВиЯ ...................................................................................134
12.1. металлическая связь...............................................................................134
12.2. межмолекулярные взаимодействия ......................................................136
12.2.1. ориентационные взаимодействия ..............................................137
12.2.2. индукционные взаимодействия .................................................137
12.2.3. дисперсионные взаимодействия ...............................................138
12.3. водородная связь ....................................................................................139
12.4. тест рубежного контроля № 12 .............................................................140
модуль 13. общие ВопРосЫ химии ...............................................142
13.1. науки о веществе, место химии ............................................................142
13.2. Понятия и определения химии ..............................................................144
13.2.1. Что такое химия............................................................................145
13.2.2. атом ...............................................................................................145
13.2.3. тепловое движение – фон для химических процессов ............146
13.2.4. молекулы и молекулярные вещества ........................................147
13.2.5. немолекулярные вещества ..........................................................150
13.2.6. Химические формулы ..................................................................152
13.2.7. Химическая архитектура .............................................................153
13.2.8. кристаллическое вещество .........................................................155
13.2.9. индивидуальное вещество и закон постоянства состава .........156
13.3. тест рубежного контроля № 13 .............................................................158
модуль 14. меТодоЛоГиЯ пРикЛАдной химии.
ГеомеТРиЧеское модеЛиРоВАние .............................................159
14.1. Препаративный метод .............................................................................160
14.2. квантово-химический метод. термодинамика .....................................160
14.3. Геометрическое моделирование. Физико-химический анализ ...........162
14.3.1. Что такое геометрическая модель фазовой системы ................165
14.3.2. вариантность равновесий фазовых систем ...............................166
14.3.3. как можно построить геометрическую модель системы ........167
14.3.4. Геометрические модели и термические процессы
в системах .....................................................................................171
14.3.5. три фундаментальных «кита» химии. место и возможности
физико-химического анализа ......................................................174
14.4. тест рубежного контроля № 14 .............................................................176
модуль 15. АнАЛиТиЧеский меТод .................................................178
15.1. уравнение изобары плавкости компонента двойной системы
и его анализ ..............................................................................................179
230
Стр.230
15.2. математические модели ликвидуса двойной эвтектической
системы и ее эвтектики ......................................................................................182
15.3. уравнение изотерм кристаллизации солей тройных взаимных
систем и его анализ .................................................................................187
15.3.1. краткие сведения о тройных взаимных системах ....................187
15.3.2. виды и систематика изотерм кристаллизации ..........................192
15.3.3. критерии расслаивания в твс ..................................................197
15.3.4. Параметрический дизайн фазовых равновесий
и состояний твс ..........................................................................202
15.3.5. математическое моделирование политермических
фазовых диаграмм .......................................................................209
15.4. тест рубежного контроля № 15 .............................................................214
закЛЮЧение ................................................................................................216
Приложение 1 ...................................................................................................217
Приложение 2 ...................................................................................................222
Приложение 3 ...................................................................................................225
основные литературные источники ...............................................................227
231
Стр.231