Основы общей и физической химии

Допущено Учебно-методическим объединением
по классическому университетскому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
изучающих дисциплину «Химия», по направлению подготовки ВПО 011200

Второе, исправленное издание

В.В. ЕРЕМИН, А.Я. БОРЩЕВСКИЙ
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ  
И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Â.Â. Åðåìèí, À.ß. Áîðùåâñêèé
Îñíîâû îáùåé è ôèçè÷åñêîé õèìèè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Â.Â. Åðåìèí, À.ß.
Áîðùåâñêèé – 2-å èçä. èñïðàâëåííîå – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», 2018. – 848 ñ.
ISBN 978-5-91559-250-5

Ó÷åáíîå ïîñîáèå ñîçäàíî íà îñíîâå ãîäè÷íîãî êóðñà «Îáùàÿ è ôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ» äëÿ
ñòóäåíòîâ ÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà.
Âñå ìíîãîîáðàçèå ïðîáëåì, êîòîðûå ðåøàåò õèìèÿ, ìîæíî ñâåñòè ê ñëåäóþùèì îñíîâíûì âîïðîñàì:
– êàêèå áûâàþò âåùåñòâà?
– êàê îíè óñòðîåíû?
– êàê ñâÿçàíî ñòðîåíèå âåùåñòâ ñ èõ ñâîéñòâàìè?
– êàê èç îäíèõ âåùåñòâ ïîëó÷èòü äðóãèå, áîëåå ïîëåçíûå èëè èíòåðåñíûå?
Õèìèÿ êàê íàóêà è êàê ñïîñîá ïîçíàíèÿ ïðèðîäû îáëàäàåò íåîáû÷íûìè ñâîéñòâàìè. Ó
íåå íåò ñîáñòâåííûõ çàêîíîâ. Âñå çàêîíû õèìèè, âêëþ÷àÿ Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí, ñëóæàò
ëèøü ÷àñòíûìè ïðîÿâëåíèÿìè îáùèõ çàêîíîâ, êîòîðûìè çàíèìàåòñÿ ôèçèêà. Ïîýòîìó íåêîòîðûå íàó÷íûå ðàáîòíèêè ñ÷èòàþò õèìèþ ÷àñòüþ ôèçèêè. Ðàçóìååòñÿ, ýòî ãëóáîêî îøèáî÷íàÿ òî÷êà çðåíèÿ. À ÷òî æå åñòü â õèìèè ñâîåãî?  ïåðâóþ î÷åðåäü, êîëîññàëüíîå ìíîãîîáðàçèå èçó÷àåìûõ îáúåêòîâ. Îäíèõ òîëüêî ÷èñòûõ èíäèâèäóàëüíûõ âåùåñòâ â õèìèè
îõàðàêòåðèçîâàíî îêîëî 100 ìèëëèîíîâ, íå ñ÷èòàÿ ìíîãî÷èñëåííûõ ñìåñåé. À âåäü åñòü åùå
è õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ìåæäó âåùåñòâàìè. Èç âñåõ èçâåñòíûõ õèìèè âåùåñòâ ëèøü î÷åíü
íåáîëüøàÿ äîëÿ – âñåãî íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ – èìååòñÿ â ïðèðîäå, îñòàëüíûå âåùåñòâà –
ïðîäóêò äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Õèìèêè îòëè÷àþòñÿ îò ëþáûõ äðóãèõ ó÷åíûõ òåì, ÷òî ñîáñòâåííîðó÷íî òâîðÿò òå îáúåêòû, êîòîðûå ïîòîì âîñïðèíèìàþò è èçó÷àþò.  òî÷íîñòè òî æå
ñàìîå äåëàþò ïèñàòåëè, õóäîæíèêè è êîìïîçèòîðû. Ýòî ðîäíèò õèìèþ ñ èñêóññòâîì. Äðóãèå åñòåñòâåííûå íàóêè – ôèçèêà è áèîëîãèÿ – èçó÷àþò òî, ÷òî ñîçäàíî ïðèðîäîé, à õèìèÿ
– ãëàâíûì îáðàçîì òî, ÷òî ñäåëàëà ñàìà. Õèìèêàì ïðèñóù óíèêàëüíûé, õàðàêòåðíûé òîëüêî äëÿ íèõ, âçãëÿä íà îêðóæàþùèé ìèð. Â ñàìîì äåëå, èõ ìûøëåíèå – ýòî ïðè÷óäëèâàÿ
ñìåñü ñàìûõ àáñòðàêòíûõ è ñîâñåì íàãëÿäíûõ ïðåäñòàâëåíèé. Îíè çíàþò î òîíêèõ êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòÿõ, îïðåäåëÿþùèõ ñâîéñòâà ìîëåêóë, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, îòâåòñòâåííû çà âñå ìíîãîîáðàçèå îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà. Ýòà âçàèìîñâÿçü ìèêðî- è
ìàêðîìèðà îñòàåòñÿ ñêðûòîé îò ó÷åíûõ äðóãèõ ñïåöèàëüíîñòåé. Êðîìå òîãî, íèêòî íå ñäåëàë
òàê ìíîãî äëÿ óëó÷øåíèÿ óñëîâèé æèçíè ëþäåé, êàê õèìèêè, íî èõ çàñëóãè â äîëæíîé
ìåðå íå îöåíåíû.
Íàñòîÿùèé õèìèê âñåãäà "÷óâñòâóåò âåùåñòâî". Ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ è â ëàáîðàòîðèè, ãäå ñîçäàþòñÿ ðåöåïòû ñèíòåçà íîâûõ âåùåñòâ, è â áûòó, ãäå, íàïðèìåð, áûâàåò íóæíî ïîäîáðàòü
ïîäõîäÿùèé êëåé èëè ðàñòâîðèòåëü. Ñîâðåìåííûå õèìèêè óìåþò ðàáîòàòü íå òîëüêî ñ
áîëüøèìè êîëè÷åñòâàìè âåùåñòâ, íî è ñ îòäåëüíûìè àòîìàìè è ìîëåêóëàìè. Òåõíèêà ìàíèïóëèðîâàíèÿ àòîìàìè äîñòèãëà òàêîé âûñîêîé ñòåïåíè ðàçâèòèÿ, ÷òî õèìèêè ìîãóò ñèíòåçèðîâàòü ëþáóþ íàïåðåä çàäàííóþ ìîëåêóëó èëè íàäìîëåêóëÿðíóþ ñòðóêòóðó ñî ñëîæíîé
àðõèòåêòóðîé. Òåïåðü ãëàâíîå – ïîíÿòü, ÷òî èìåííî íàäî ñèíòåçèðîâàòü. Íà ïåðâûé ïëàí â
õèìèè âûõîäèò ïðèêëàäíîé àñïåêò: îñíîâíàÿ çàäà÷à ñîñòîèò â ïîèñêå íîâûõ âåùåñòâ, îáëàäàþùèõ ïîëåçíûìè ñâîéñòâàìè – êàòàëèçàòîðîâ, ëåêàðñòâåííûõ ñðåäñòâ, ñòðîèòåëüíûõ ìàòåðèàëîâ, àêêóìóëÿòîðîâ ýíåðãèè.
Êíèãà ñîñòîèò èç 4 îñíîâíûõ ðàçäåëîâ, îäèí èç êîòîðûõ – «Îáùàÿ õèìèÿ» – èìååò îïèñàòåëüíûé õàðàêòåð, à òðè äðóãèõ – «Ñòðîåíèå âåùåñòâà», «Õèìè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà», «Õèìè÷åñêàÿ êèíåòèêà» – äåìîíñòðèðóþò ëîãèêó òåîðåòè÷åñêîé õèìèè è ïîêàçûâàþò ïðèìåíåíèå ôèçè÷åñêèõ òåîðèé è ìåòîäîâ ê õèìè÷åñêèì ïðîöåññàì, îïèñàííûì â ðàçäåëå «Îáùàÿ
õèìèÿ».
Äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ôèçè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ôàêóëüòåòîâ.
Ïåðâîå èçäàíèå ó÷åáíèêà øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â âåäóùèõ ðîññèéñêèõ óíèâåðñèòåòàõ.

© 2012, Â.Â. Åðåìèí, À.ß. Áîðùåâñêèé

© 2018, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò»,
îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-250-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

От авторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9

Глава 1. Основные понятия и законы химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
§ 1.1. Химия как наука. Место химии в системе познания мира . . . . . . . . . . . . .
11
§ 1.2. Основные понятия химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
§ 1.3. Язык химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
§ 1.4. Стехиометрия. Расчеты по химическим формулам и уравнениям . . . . . . . . .
26
§ 1.5. Периодическая система химических элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
§ 1.6. Почему и как идут химические реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
§ 1.7. Источники информации в химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40

Ч а с т ь I. Общая химия

Глава 2. Основные классы неорганических соединений . . . . . . . . . . . . . . . .
46
§ 2.1. Классификация неорганических соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
§ 2.2. Оксиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
§ 2.3. Кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
§ 2.4. Основания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
§ 2.5. Соли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
§ 2.6. Бинарные соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63

Глава 3. Кислотно-основные и ионные равновесия в растворах . . . . . . . . . .
66
§ 3.1. Ионные реакции в растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
§ 3.2. Кислотность растворов. Водородный показатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
§ 3.3. Диссоциация кислот и оснований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
§ 3.4. Сопряженные кислоты и основания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
§ 3.5. Буферные растворы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
§ 3.6. Гидролиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83

Глава 4. Окислительно-восстановительные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
§ 4.1. Окислители и восстановители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
§ 4.2. Составление уравнений ОВР. Электронный и электронно-ионный баланс . . .
93
§ 4.3. Количественные характеристики ОВР. Окислительно-восстановительные потенциалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
§ 4.4. Химические источники тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
§ 4.5. Электролиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108

Оглавление

Глава 5. Комплексные соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112

§ 5.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
§ 5.2. Геометрическая структура и изомерия комплексов. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
§ 5.3. Электронное строение комплексов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
§ 5.4. Равновесия комплексообразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124

Глава 6. Химия неметаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129

§ 6.1. Водород и его соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
§ 6.2. Неметаллы III (13) и IV (14) группы — бор, углерод, кремний . . . . . . . . . .
136
§ 6.3. Неметаллы V (15) группы — азот, фосфор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
143
§ 6.4. Неметаллы VI (16) группы — халькогены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
§ 6.5. Неметаллы VII (17) группы — галогены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
§ 6.6. Неметаллы VIII (18) группы — благородные газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
163

Глава 7. Химия металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166

§ 7.1. Общие свойства металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
§ 7.2. Сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
171
§ 7.3. s-Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
173
§ 7.4. p-Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183
§ 7.5. d-Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
§ 7.6. f-Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208

Глава 8. Основные понятия органической химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212

§ 8.1. Предмет и значение органической химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212
§ 8.2. Классификация органических веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
§ 8.3. Структурная теория органических соединений. Изомерия . . . . . . . . . . . . . .
222
§ 8.4. Взаимное влияние атомов в молекуле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
230
§ 8.5. Классификация и механизмы органических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . .
235

Глава 9. Химия углеводородов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
244

§ 9.1. Предельные углеводороды — алканы и циклоалканы . . . . . . . . . . . . . . . . .
244
§ 9.2. Переработка нефти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
§ 9.3. Непредельные углеводороды с двойными связями . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256
§ 9.4. Ацетиленовые углеводороды (алкины) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
265
§ 9.5. Ароматические углеводороды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
269
§ 9.6. Полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280

Глава 10. Химия кислородсодержащих органических соединений . . . . . . . . .
289

§ 10.1. Спирты и фенолы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289
§ 10.2. Карбонильные соединения — альдегиды и кетоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
297
§ 10.3. Карбоновые кислоты и их производные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304
§ 10.4. Липиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
§ 10.5. Углеводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
316

Глава 11. Химия азотсодержащих органических соединений . . . . . . . . . . . . .
332

§ 11.1. Амины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
332

Оглавление
5

§ 11.2. Аминокислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
337
§ 11.3. Пептиды и полипептиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
342
§ 11.4. Азотсодержащие гетероциклические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
350
§ 11.5. Нуклеиновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
355

Ч а с т ь II. Строение вещества

Глава 12. Строение атомных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
366
§ 12.1. Основные характеристики частиц, важные для химии . . . . . . . . . . . . . . . .
366
§ 12.2. Атомные термы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
370
§ 12.3. Электронная конфигурация атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
373
§ 12.4. Энергия атомных термов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379
§ 12.5. Электронное строение и периодичность свойств элементов . . . . . . . . . . . . .
382
§ 12.6. Приближение независимых электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
388
§ 12.7. Радиусы, энергии ионизации и сродство к электрону атомов . . . . . . . . . . .
396

Глава 13. Химическая связь в молекулах и ионах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
405
§ 13.1. Термы двухатомных молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
406
§ 13.2. Теория локализованных электронных пар (валентных связей) . . . . . . . . . . .
411
§ 13.3. Пространственная направленность ковалентной связи . . . . . . . . . . . . . . . .
420
§ 13.4. Длина, энергия и полярность ковалентной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428
§ 13.5. Теория молекулярных орбиталей (МО) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
437

Глава 14. Межмолекулярные взаимодействия. Конденсированное состояние
вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
457
§ 14.1. Силы Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
457
§ 14.2. Водородная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
460
§ 14.3. Состояния вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
465

Глава 15. Кристаллическое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
479
§ 15.1. Сведения из кристаллографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
480
§ 15.2. Шаровые упаковки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
486
§ 15.3. Химическая связь в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
491
§ 15.4. Строение некоторых простых веществ-неметаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
498

Глава 16. Ионные кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
505
§ 16.1. Ионная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
505
§ 16.2. Ионные радиусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
510
§ 16.3. Важнейшие структурные типы ионных соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . .
512

Ч а с т ь III. Химическая термодинамика

Глава 17. Основные понятия и постулаты термодинамики . . . . . . . . . . . . . .
520
§ 17.1. Термодинамические величины, системы и их контакты . . . . . . . . . . . . . . .
520
§ 17.2. Исходные положения термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
524
§ 17.3. Уравнения состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
529
§ 17.4. Аддитивность термодинамических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
534

Оглавление

Глава 18. Первое начало термодинамики. Термохимия . . . . . . . . . . . . . . . . .
537

§ 18.1. Энергия, работа и теплота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
537
§ 18.2. Калорические коэффициенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
541
§ 18.3. Энтальпия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
543
§ 18.4. Термохимическая теплота реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
546
§ 18.5. Стандартные состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
548
§ 18.6. Энтальпия образования соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
550
§ 18.7. Закон Гесса. Термохимические циклы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
552
§ 18.8. Важнейшие термохимические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
554

Глава 19. Второе и третье начала термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
563

§ 19.1. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
563
§ 19.2. Термодинамическая температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
564
§ 19.3. Неравенство Клаузиуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
567
§ 19.4. Фундаментальное уравнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
568
§ 19.5. Третье начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
570
§ 19.6. Стандартная энтропия химических соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
571

Глава 20. Термодинамические потенциалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
579

§ 20.1. Свободная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
579
§ 20.2. Термодинамические соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
581
§ 20.3. Химический потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
584

Глава 21. Фазовые равновесия в системах с одним компонентом . . . . . . . . . .
590

§ 21.1. Условия равновесия фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
590
§ 21.2. Фазовые диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
592
§ 21.3. Фазовые переходы 1-го рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
594
§ 21.4. Полиморфные превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
599
§ 21.5. Испарение и плавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
603

Глава 22. Термодинамика многокомпонентных систем . . . . . . . . . . . . . . . . .
605

§ 22.1. Компоненты и составляющие вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
605
§ 22.2. Фундаментальные уравнения термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
607
§ 22.3. Характеристические функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
609
§ 22.4. Парциальные мольные величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
613
§ 22.5. Гетерогенные системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
618
§ 22.6. Диаграммы плавкости и растворимости бинарных систем . . . . . . . . . . . . . .
622

Глава 23. Растворы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
634

§ 23.1. Общие сведения о растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
634
§ 23.2. Термодинамическая активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
637
§ 23.3. Функции смешения и классификация растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
641
§ 23.4. Зависимость состав–свойство. Фазовые диаграммы жидкость–пар . . . . . . . .
648
§ 23.5. Растворимость газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
654
§ 23.6. Коллигативные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
656

Оглавление
7

Глава 24. Химические реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
662

§ 24.1. Термодинамическое описание реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
662
§ 24.2. Константа равновесия реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
667
§ 24.3. Изотерма химической реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
672
§ 24.4. Связь теплового эффекта реакции с константой равновесия . . . . . . . . . . . .
675

Глава 25. Растворы электролитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
680

§ 25.1. Электролитическая диссоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
681
§ 25.2. Химические потенциалы и активности ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
683
§ 25.3. Термодинамические функции ионов в растворе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
687
§ 25.4. Термодинамические составляющие процесса растворения . . . . . . . . . . . . . .
690

Глава 26. Электрохимические равновесия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
700

§ 26.1. Электрохимический потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
700
§ 26.2. Электроды и полуреакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
702
§ 26.3. Электрохимические цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
710

Глава 27. Термодинамика поверхностных явлений и адсорбции . . . . . . . . . .
721

§ 27.1. Различные определения величины адсорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
721
§ 27.2. Изотерма мономолекулярной адсорбции Ленгмюра . . . . . . . . . . . . . . . . . .
726
§ 27.3. Теория капиллярности Гиббса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
729

Ч а с т ь IV. Химическая кинетика

Глава 28. Основные понятия и законы химической кинетики . . . . . . . . . . . .
742

§ 28.1. Химическая кинетика и химическая термодинамика . . . . . . . . . . . . . . . . .
742
§ 28.2. Основные понятия химической кинетики: скорость реакции, механизм реакции, элементарная стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
745
§ 28.3. Закон действующих масс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
750
§ 28.4. Кинетика реакций целого порядка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
753
§ 28.5. Влияние температуры на скорость химических реакций . . . . . . . . . . . . . . .
756

Глава 29. Кинетика сложных реакций первого порядка . . . . . . . . . . . . . . . .
763

§ 29.1. Общие способы решения кинетических уравнений первого порядка . . . . . . .
763
§ 29.2. Обратимые реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
767
§ 29.3. Параллельные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
769
§ 29.4. Термодинамический и кинетический контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
771
§ 29.5. Последовательные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
773

Глава 30. Приближенные методы химической кинетики . . . . . . . . . . . . . . . .
780

§ 30.1. Квазистационарное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
780
§ 30.2. Квазиравновесное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
784
§ 30.3. Методы определения порядка реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
786

Глава 31. Катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
790

§ 31.1. Общие свойства катализаторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
790

Оглавление

§ 31.2. Гомогенный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
795
§ 31.3. Ферментативный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
798
§ 31.4. Гетерогенный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
802
§ 31.5. Автокатализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
804

Глава 32. Фотохимические реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
809

§ 32.1. Значение и примеры фотохимических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
809
§ 32.2. Фотофизические и фотохимические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
813
§ 32.3. Кинетика фотохимических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
818

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
824

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
839

ОТ АВТОРОВ

Уважаемые читатели!

Основная задача нашей книги — дать представление о химии людям, работающим или учащимся в смежных областях естествознания, в первую очередь
физикам, возможно математикам — студентам, научным сотрудникам, учителям.
Все люди, сами того не подозревая, постоянно имеют дело с химией в повседневной
жизни, так как весь окружающий мир состоит из веществ, которые и являются
предметом изучения химии. Но мы надеемся, что люди, прочитавшие и понявшие
нашу книгу, смогут использовать полученные знания и в своей научной и образовательной деятельности.

ОТ АВТОРОВ

Уважаемые читатели!

Основная задача нашей книги — дать представление о химии людям, работающим или учащимся в смежных областях естествознания, в первую очередь
физикам, возможно математикам — студентам, научным сотрудникам, учителям.
Все люди, сами того не подозревая, постоянно имеют дело с химией в повседневной
жизни, так как весь окружающий мир состоит из веществ, которые и являются
предметом изучения химии. Но мы надеемся, что люди, прочитавшие и понявшие
нашу книгу, смогут использовать полученные знания и в своей научной и образовательной деятельности.
В основе книги — годовой курс химии для физиков, который мы читаем на
физическом факультете МГУ. Наши слушатели имеют естественно-научный склад
ума, обладают хорошей математической подготовкой и понимают причинно-следственные связи в природных явлениях. Однако, большинство из них в силу специфики российской системы образования, принижающей роль естественных наук
в целом и химии в частности, обладают довольно слабой химической подготовкой
и не понимают того, как устроены вещества в окружающем нас мире, какими они
обладают свойствами, почему и как могут превращаться в другие вещества. Наша
задача — восполнить этот пробел в образовании и дать целостное представление
о химии, ее языке, структуре, логике, законах и приложениях в практической
деятельности.
Несколько лет преподавания привели нас к выводу о том, что оптимальной для

восприятия является следующая последовательность изложения: сначала дать эмпирическое описание химических явлений вместе с их обобщениями, а затем логически обосновать эти обобщения, используя теоретические основы химии. Именно
такой последовательности мы будем придерживаться и в данном учебнике.
Химия — наука исключительно многогранная, накопившая за несколько сотен лет своего существования огромное количество информации. Мы прекрасно
понимаем, что в одной книге нельзя представить даже доли процента от всех
достижений химии. Но тот материал, который мы отобрали для изложения, представляется нам, несмотря на всю его неполноту, наиболее важным для понимания
законов химии, ее принципиальных проблем и возможностей их решения. Книга
рассчитана на людей со слабой химической подготовкой, но хорошими знаниями
физики и математики, поэтому чисто химические разделы, посвященные описанию
свойств элементов и их соединений, более просты для восприятия, а теоретические
разделы, в которых физические теории применяются для объяснения химических

В основе книги — курсы общей химии и физической химии, которые мы читаем на физическом факультете МГУ. Наши слушатели имеют естественно-научный 
склад ума, обладают хорошей математической подготовкой и понимают причинноследственные связи в природных явлениях. Однако, большинство из них в силу 
специфики российской системы образования, принижающей роль естественных 
наук в целом и химии в частности, обладают довольно слабой химической подготовкой и не понимают того, как устроены вещества в окружающем нас мире, 
какими они обладают свойствами, почему и как могут превращаться в другие вещества. Наша задача — восполнить этот пробел в образовании и дать целостное 
представление о химии, ее языке, структуре, логике, законах и приложениях в 
практической деятельности.

От авторов

явлений, более сложны и требуют логики и хорошей математической техники. Но
и то, и другое, — химия, разные ее аспекты. Все это лишний раз подчеркивает
многогранный характер химической науки.
Много раз в своей жизни мы слышали от школьников, студентов и многих
более взрослых людей вопрос: «А зачем нам эта химия?». На это мы подготовили
универсальный ответ, который выдержал проверку временем: «Без химии может
прожить любой человек, но с химией эта жизнь богаче и интереснее. Новые знания делают нас более свободными, помогают глубже, более многомерно понимать
окружающий мир и принимать правильные решения». Как было написано в одной
из шумерских табличек около четырех тысяч лет назад, «знающий может показать
табличку знающему, но не незнающему». Стремитесь стать людьми знающими!
Желаем вам успехов в изучении химии и надеемся, что вы получите удовольствие от чтения данной книги. Мы будем очень признательны за любые конструктивные замечания и предложения, которые помогут сделать книгу лучше, а ее
авторов и читателей — умнее.

Ваши,
Вадим Еремин и Андрей Борщевский

Г Л А В А
1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ
ХИМИИ

§ 1.1.
ХИМИЯ КАК НАУКА. МЕСТО ХИМИИ
В СИСТЕМЕ ПОЗНАНИЯ МИРА

Наука — это способ познания мира. Он не единственный и даже не
единственно правильный, существуют и другие способы. Наука имеет рациональный характер и делает умозаключения о реальном мире. То же самое, но в мире
идей делает философия. К иррациональным, или эмоциональным путям познания
относятся искусство и религия. Все способы познания так или иначе связаны друг
с другом, даже такие казалось бы далекие, как наука и религия. О взаимоотношениях науки и религии говорил один из высших католических священников на
встрече с учеными: «Наука и религия занимаются одним и тем же — познают
мир. Но у науки для этого есть все средства, а религии — никаких. Поэтому
наука должна быть снисходительна к религии». В науке есть вопросы, на которые
логическое мышление пока не позволяет найти ответ, тогда в дело включается
вера. Не случайно, среди крупных ученых есть немало верующих людей.
Способность людей, занимающихся наукой, к творческой деятельности роднит
науку и искусство. Французский химик Марселен Бертло сказал еще в XIX в.,
что химики сами создают объекты, которые другие исследователи будут изучать,
исследовать и оценивать. Американский химик Роальд Хоффман в XX в. добавил,
что то же самое можно сказать о деятельности писателей, композиторов и художников, поэтому именно способность к творчеству — наиболее важная сторона
деятельности химиков. К творческому процессу в науке относится не только синтез
не существовавших ранее молекул, но и создание новых гипотез, моделей и теорий. Процесс их рождения и появления нового научного знания имеет отчетливо
выраженный иррациональный характер, он редко подчиняется логике. Когда одного из крупных специалистов по каталитическим процессам спросили: «Что такое
катализ — наука или искусство?», он ответил, что это — скорее искусство, чем
наука, так как поиск новых эффективных катализаторов часто приводит к успеху
в совершенно неожиданных случаях, не подчиняющихся существующим научным
закономерностям.
Перейдем к науке и обсудим место химии в ней. Согласно определению американского математика и философа Уильяма Хэтчера,

современная наука — способ познания реального мира, включающего в себя
как ощущаемую органами чувств человека реальность, так и реальность невидимую, способ познания, основанный на построении проверяемых моделей этой
реальности.

Гл. 1. Основные понятия и законы химии

В этом определении два ключевых слова — «реальность» и «модель». Наука
всегда описывает реальные явления — или существующие в природе, или созданные человеком. Главный способ описания — модель, которая создается на основе
эмпирического материала (экспериментальных данных) и представляет собой идеализированный образ изучаемого явления, отражающий некоторые его черты. Так,
например, моделью молекулы можно считать ее структурную формулу, которая
показывает порядок соединения атомов в молекуле. Объекты построения моделей
в разных науках сильно отличаются друг от друга, а способы построения моделей
одного и того же объекта могут быть очень различными даже в пределах одной
науки.
Науки, изучающие природные явления, называют естественными. К ним относят, в первую очередь, физику, химию и биологию. Физика изучает наиболее общие
свойства и законы движения объектов материального мира, химия — вещества,
а биология — живые системы. Различие между естественными науками состоит,
главным образом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. В окружающем нас
мире довольно условно можно выделить четыре уровня организации Природы.
1. Крупномасштабная организация Вселенной — это астрономический уровень,
расстояния от миллионов световых лет до миллионов километров. Взаимодействие
галактик, звездных скоплений, звезд и отдельных планет вызвано, в первую очередь, гравитационным притяжением сверхмассивных тел. Внутренняя структура и
свойства конкретных тел на этом уровне не играют, как правило, никакой роли —
все определяется только массами и расстояниями.
2. Процессы, происходящие на отдельном небесном теле, образуют макроскопический уровень. Масштаб макроскопических явлений соизмерим с масштабом
деятельности человека и составляет от сотен тысяч километров до миллиметров.
Вихри в атмосфере, волны в океане, разрушение горных пород, полет птиц —
это примеры макроскопических явлений. Можно сказать, что макроскопический
уровень — это мир человека и окружающих его тел.
3. Внутренняя структура всех макроскопических тел определяется атомно-молекулярными процессами, которые составляют микроскопический уровень. Взаимодействия и превращения атомов и молекул, движения атомных ядер и электронов
происходят под действием электрических сил на расстояниях от сотых долей до
нескольких сотен нанометров (1 нм = 10−9 м). Законы движения частиц на этом
уровне определяются только электромагнитным взаимодействием.
4. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Внутренняя структура протонов и нейтронов, их взаимодействие, а также взаимодействие других элементарных частиц определяются процессами, которые происходят на расстояниях менее 10−15 м. Эти процессы включают электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и образуют фундаментальный уровень организации Природы. Фундаментальным его называют потому, что современное состояние и будущее Вселенной
зависят от взаимодействий на этом уровне в первые мгновения после Большого
Взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная.
Процессы на сверхбольших и сверхмалых расстояниях изучают астрофизика и
физика элементарных частиц. Макроскопическими процессами в живой природе
занимается биология, в неживой — классическая физика. Явления, происходящие
на микроскопическом, или атомно-молекулярном, уровне, — это предмет изучения
современной химии.

§ 1.1. Химия как наука. Место химии в системе познания мира
13

Основные физические величины, характеризующие химические объекты и возможность их превращения друг в друга, — время, расстояние (размер) и энергия.
Сравним диапазоны изменения этих величин в химических и физических явлениях
(табл. 1.1).

Таблица 1.1. Масштабы химии и физики

Диапазон
времен, с

Диапазон
расстояний, м

Диапазон
энергий, эВ

Химия
10−14–1013

(27 порядков)

10−11–102

(13 порядков)

10−3–101

(4 порядка)

Физика
10−35–1018

(> 50 порядков)

10−15–1026

(> 40 порядков)

до 1020

(20 порядков)

Физики изучают временной диапазон от начала расширения Вселенной до настоящего времени, что составляет более 50 порядков. Временные рамки химических реакций значительно уже — от 10 фс (самые быстрые элементарные реакции)
до миллионов лет (реакции в горных породах), что составляет всего 27 порядков.
Расстояния в физике изменяются от размеров элементарных частиц до радиуса
наблюдаемой части Вселенной, т. е. в диапазоне больше 40 порядков, тогда как
геометрический диапазон химии намного скромнее — от десятков пикометров (радиус самого маленького атома — атома водорода) до сотен метров (размер промышленных химических реакторов). Наибольшая разница между химией и физикой
проявляется в диапазоне энергий: в химических явлениях — это всего 4 порядка:
от вращательных до электронных переходов, тогда как в наблюдаемых физических
процессах энергия может доходить до 1020 эВ (космические лучи).
Традиционная химия изучает явления, которые происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или в окружающем мире), и интерпретирует их на
атомно-молекулярном уровне. Известно, например, что сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это — макроскопическое явление, которое
описывается химическим уравнением:

S + O2 = SO2.

На атомно-молекулярном уровне горение серы описывается так: молекулы O2 взаимодействуют с молекулами серы на поверхности расплавленной серы и образуются
молекулы SO2, при этом электронная плотность в молекулах перераспределяется
таким образом, что разрываются связи O——O и S——S, и образуются новые связи
S——O. Часть энергии химической реакции выделяется в виде электромагнитного
излучения, которое придает цвет пламени. Наконец, ощущение резкого запаха
появляется за счет взаимодействия молекул SO2 с определенными рецепторами
нашего организма.
Главные объекты исследования в химии — атомы, молекулы, ионы и всевозможные структуры, в которые атомы или молекулы могут соединяться, образуя связи
друг с другом. Любой набор подобных объектов объединяют под общим названием «вещество». В широком понимании вещество — это любой вид материи,
обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое: вещество — это любая совокупность атомов, молекул
и ионов. Уровень современной экспериментальной техники таков, что позволяет

Гл. 1. Основные понятия и законы химии

изучать превращения отдельных молекул, поэтому можно считать, что даже однаединственная молекула образует вещество, которое обладает химическими свойствами и способно превращаться в другие вещества.

Химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Превращения одних веществ в другие называют химическими реакциями. Основные понятия химии — «вещество» и «реакция».
Все научные задачи, которые ставят перед собой химики, можно свести к следующим основным вопросам.
1. Какие бывают вещества? Мир веществ очень богат и разнообразен — их
известно более 60 млн и это количество постоянно растет. Описать вещество с
точки зрения химии — это значит определить его качественный и количественный
состав, изучить физические и химические свойства, охарактеризовать строение и
разработать способы получения.
2. Как устроены вещества? Строение вещества — предмет очень сложный и
глубокий. Даже самые простые молекулы (например, молекула воды) имеют весьма
сложное строение, поскольку состоят из большого числа частиц (H2O — 3 ядра
и 10 электронов), а из физики известно, что взаимодействие всего трех частиц
может привести к интересным и неожиданным эффектам. В первую очередь, для
описания строения вещества необходимо охарактеризовать пространственное расположение атомных ядер — параметров кристаллической решетки для твердого
вещества и равновесной ядерной конфигурации молекулы для жидких и газообразных веществ. Ядра не фиксированы в пространстве — они совершают колебания
около положения равновесия, а молекулы в газовой фазе вращаются относительно центра масс, поэтому понятие «строение» включает частоты колебаний ядер
и вращения молекул. Кроме ядерного движения, есть еще электронное, так что
для более полного описания строения вещества необходимо указать и параметры
электронных состояний — ширины энергетических зон или энергии электронных
переходов.
Строение вещества определяют экспериментально, с помощью физических методов исследования — различных видов спектроскопии или рассеяния (электронов,
нейтронов, рентгеновского излучения) (рис. 1.1). Косвенно о строении можно судить по свойствам вещества. Об этом — следующий вопрос.
3. Как связано строение веществ с их свойствами? Качественно на этот вопрос ответить легко. Так, вещества с ионным типом связи обычно довольно тугоплавки, многие из них хорошо растворимы в воде и являются электролитами.
Напротив, вещества молекулярного строения при обычных условиях представляют
собой газы, жидкости или летучие твердые вещества, многие из них имеют запах.
Если в веществе имеются водородные связи, это увеличивает температуры плавления и кипения. Так, вода H2O при обычных условиях — жидкость, а аналогичное
водородное соединение серы H2S — газ. Это связано с тем, что в воде есть прочные
межмолекулярные связи, а в сероводороде — нет.
Одна из задач химии состоит в поиске количественных закономерностей, позволяющих по строению вещества предсказать его физические и химические свойства.
Это связано с важнейшим практическим вопросом химии:
4. Как создать вещество с заданными свойствами? Этим веществом может
быть катализатор, растворитель, пластмасса, проводник, фотоматериал, топливо,
волокно, лекарственное средство и т. д. Химия как наука возникла, в первую оче

§ 1.1. Химия как наука. Место химии в системе познания мира
15

редь, из практических потребностей человечества, прикладной характер в ней часто преобладает. Не случайно, Нобелевский лауреат по химии Гарри Крото заявил:
«Никто не сделал так много для улучшения условий жизни людей, как химики».
И затем добавил: «Но их заслуги не оценены должным образом».

Основная задача химии — создание веществ с полезными свойствами.

5. Один из самых интересных вопросов химии — почему и как идут химические реакции? В принципе, на этот вопрос ответ получен в теоретической химии,
мы кратко рассмотрим его в разделе «Химическая реакция», а подробно — во
второй части книги, посвященной теоретической химии.

Рис. 1.1. Основные разделы химии

6. Как из одного вещества получить другое, более полезное или интересное?
Первая часть вопроса связана с практическими потребностями. Здесь требуется
предложить не просто способ синтеза вещества, а экономически целесообразный
способ, основанный на использовании доступных реагентов и в мягких условиях.
Вторая часть вопроса ориентирована на чисто научные задачи фундаментального
характера. Здесь речь идет, в первую очередь, о создании условий, при которых
заданные вещества могут вступать в реакцию и превращаться в новые вещества.
Под условиями понимаются температура, давление, растворитель, катализатор.
Химия как область знания обладает очень необычными свойствами. Во-первых, у нее нет собственных законов. В самом деле, к основным законам химии

Гл. 1. Основные понятия и законы химии

относят закон сохранения массы, Периодический закон и закон действующих масс.
Все они имеют физическую природу и фактически являются «проекцией» законов
физики на химические явления. Так, закон сохранения массы — это следствие
совершенно общего закона сохранения энергии, Периодический закон вытекает
из законов квантовой механики в применении к электронной структуре атомов, а
законы действующих масс в химической термодинамике и химической кинетике —
это проявление второго закона термодинамики и законов классической механики. Законы химической стехиометрии, используемые при химических расчетах,
выражают всего-навсего соотношения пропорциональности, которые известны из
элементарной математики.
Таким образом, фундаментальных законов химии нет. А что же есть, почему мы
считаем химию отдельной наукой, не сводимой ни к физике, ни к биологии? Есть
очень своеобразный, уникальный предмет изучения — колоссальное разнообразие
веществ. На сегодняшний день известно более 100 млн веществ, причем каждое
из этих веществ может вступать в десятки реакций (всего разных типов реакций
известно более 80 млн), и каждое из них имеет внутреннее строение.
И еще одно уникальное свойство химии состоит в том, что она сама создает
свой предмет. Большинство из известных веществ в природе не существует, они
впервые были получены и исследованы химиками. Физика изучает законы природы, биология — законы жизни, все это существует и без нас. А химики изучают
то, что сделали — придумали, синтезировали и изучили — сами. В этом плане
химия близка к математике, хотя, конечно, гораздо ближе к реальной жизни, чем
последняя.
Рассмотрим структуру химии (рис. 1.1). Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы
представляют собой самостоятельные науки. Сложившееся еще в XIX в. деление
химии на органическую и неорганическую связано с двумя основными классами
изучаемых веществ. В значительной степени оно сохранилось и сегодня. Вместе с
тем, крупнейшие разделы химии возникли на границах с другими науками. Так,
взаимодействие химии и физики дало сразу две науки: физическую химию и химическую физику, причем эти науки, несмотря на сходство названий, изучают
совершенно разные объекты. Физическая химия исследует вещества, состоящие
из большого числа атомов и молекул, с помощью физических методов и на основе
законов физики. Химическая физика основной упор делает на физическом исследовании элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом
являются отдельные частицы вещества. Одним из передовых направлений химии
является биохимия — наука, изучающая химические основы жизни.
Самой молодой областью химии является возникшая буквально в последнее
десятилетие математическая химия. Ее задача — применение математических методов для обработки результатов химических экспериментов, поиска связей между
строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ.
Мы видим что современная химия самым тесным образом взаимодействует
со всеми другими областями естествознания. «Чистой» химии, изолированной
от других наук, сегодня не существует. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования физических методов для установления
структуры веществ и математических методов для анализа результатов. В данной