Неорганическая химия


Е. И. Василевская
О. И. Сечко
Т. Л. Шевцова







НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ




Учебное пособие
для учащихся учреждений образования, реализующих образовательные программы среднего специального образования по группе специальностей «Производство химическое»




Электронное учебное издание



учебной книги

и средств обучения

РИПО
Минск РИПО 2019

ISBN 978-985-503-901-4

© Василевская Е. И., Сечко О. И.,
  Шевцова Т. Л., 2019
© Оформление. Республиканский институт
   профессионального образования, 2019

УДК 546(075)
ББК 24.1я723
      В19

Авторы:
Е. И. Василевская, доцент кафедры неорганической химии, кандидат химических наук, доцент; О. И. Сечко, старший преподаватель факультета доуниверситетского образования; Т. Л. Шевцова, химик научно-исследовательской лаборатории неорганической и общей химии Белорусского государственного университета.
Рецензенты: цикловая комиссия текстильных дисциплин и химических технологий УО «Минский государственный колледж технологии и дизайна легкой промышленности» (Н. В. Алябьева);
доцент кафедры общей и неорганической химии УО «Белорусский государственный технологический университет», кандидат химических наук, доцент И. Е. Малашонок.
      Василевская, Е. И.
В19 Неорганическая              химия :         учебное         посо-
      бие [Электронный ресурс] / Е. И. Василевская, О. И. Сечко, Т. Л. Шевцова. — Минск : РИПО, 2019. — 248 с. : ил.

        ISBN 978-985-503-901-4.
        В учебном пособии представлен систематический курс неорганической химии. Рассмотрение всех вопросов базируется на современных представлениях о строении атома, природе химической связи, структуре неорганических веществ и периодическом законе Д.И. Менделеева. Материал излагается на доступном уровне, с учетом предшествующей подготовки учащихся.
        Основной текст дополняется информацией, связанной с историей развития отдельных представлений, современными научными результатами, практической значимостью изучаемых процессов. Приводится информация об основных химических производствах в Беларуси.
        Предназначено учащимся учреждений образования, реализующих образовательные программы среднего специального образования по группе специальностей «Производство химическое».

Текстовое электронное издание
Текст воспроизводится по печатному изданию 2015 г.
Минимальные системные требования:
Microsoft Internet Explorer, версия 6.0 и выше, Adobe Acrobat Professional, версия 7.0 и выше
Для создания электронного издания использованы Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader, разработанное на основе Adobe Air.
        Дата подписания к использованию 04.07.2019. Объем 5 Мб.

                               © Василевская Е. И., Сечко О. И.,
                                 Шевцова Т. Л., 2019
                               © Оформление. Республиканский институт
                                 профессионального образования, 2019

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Роль химии как фундаментальной науки и одновременно науки, связанной с материальным производством и обеспечением жизненных потребностей человека, в наши дни трудно переоценить. Изучение химии является одной из важнейших составляющих полноценного образования. Понимание сущности и химических превращений веществ необходимо в изучении технологических процессов химического производства, позволяет синтезировать новые и более детально изучать ранее известные вещества.
    В данном учебном пособии представлен систематический курс неорганической химии, включающий рассмотрение теоретических основ предмета, свойств отдельных классов неорганических соединений и их типичных представителей. Изложение учебного материала осуществляется с учетом предшествующей подготовки обучающихся.
    Дополнительный материал в тексте учебного пособия, рисунки и таблицы помогают нагляднее представить рассматриваемые процессы, иллюстрируют физические и химические свойства различных веществ. Вопросы и задания для самостоятельной работы предлагаются в конце каждой главы. В приложениях содержится справочная информация, предназначенная для более детального рассмотрения учебного материала.
    Список литературы включает ссылки на наиболее доступные издания последних лет, включая статьи в республиканских журналах. Перечень сайтов, приведенный в списке литературы, может быть рекомендован для самостоятельного углубленного изучения отдельных вопросов учебного курса, для использования при подготовке рефератов и сообщений.

3

        ВВЕДЕНИЕ


    Химия — это наука о составе, структуре, свойствах веществ и их превращениях, сопровождающихся изменениями состава и структуры. Как область практической деятельности химия была известна задолго до нашей эры. В древнем мире возникали ремесла, основанные на использовании химических процессов: выплавка железа и меди из руд, изготовление бронзы, получение кожи из шкур животных с помощью дубильных веществ, крашение тканей, производство стекла и керамики. В эпоху античности (V в. до н. э. — V в. н. э.) впервые появились представления о веществах как комбинациях четырех космических стихий (Эмпедокл, Аристотель), о существовании атомов (Левкипп, Демокрит). В первом столетии нашей эры начала развиваться алхимия, соединившая в себе элементы философских построений и практических знаний. Алхимики пытались обнаружить в первую очередь способы превращения веществ в золото и серебро и изобрести препараты, обеспечивающие бессмертие человека (рис. 1).

Рис. 1. Лаборатория алхимика

4

Введение

    В период объединения химии XVI — начала XVIII в. химические исследования все больше направлялись на нужды практики, развивались металлургия и стеклоделие, производство керамики и красок. Примером высокого уровня практических исследований той эпохи может служить книга уроженца Великого Княжества Литовского Казимира Семеновича «Великое искусство артиллерии» (Artis Magna Artilleriae), изданная в 1650 г. на латинском языке и переведенная на французский (1651), немецкий (1676) и английский (1729) языки. Развивались производства и на территории современной Беларуси. Так, например, в 1717 г. Радзивиллами в дд. Налибо-ки и Янковичи (ныне Столбцовский р-н) была основана На-либоцкая стеклянная мануфактура, где изготовляли зеркала, подсвечники, художественную и бытовую посуду. Налибоцкая стеклянная мануфактура была создана на высоком техническом уровне по образцу Дрезденской мануфактуры. Здесь варили редкое рубиновое стекло, которое окрашивали коллоидным раствором золота по немецкой технологии XVII в. В 1737 г. в д. Уречье (ныне Любанский р-н) была основана Урец-кая стеклянная мануфактура, которая выпускала изделия из бесцветного и цветного стекла. В 1883 г. помещик Ленский построил в пос. Березовка (ныне Лидский р-н) гуту, которая позже, в 1908 г., стала стеклозаводом «Неман».
    В области теоретических представлений в этот период развивались ятрохимия (Парацельс), характеризующаяся объединением химии с медициной; химия газов — пневматическая химия (Р. Бойль); теория флогистона (Г. Шталь), основанная на представлении об особом начале горючести во всех веществах. К этому же периоду относится первое научно обоснованное определение химического элемента Р. Бойля (1661).
    Период середины XVIII — середины XIX в. является временем становления классической химии. М.В. Ломоносов и А.Л. Лавуазье независимо друг от друга сформулировали закон сохранения массы вещества в химических превращениях и подтвердили его экспериментально. В это же время были открыты законы постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1799), кратных отношений (Дж. Дальтон, 1804), объемных отношений

5

Введение

(Ж.Л. Гей-Люссак, 1805), закон Авогадро (1811). Утверждение атомистических представлений в химии связано с именем Дж. Дальтона, который ввел и само понятие «атом». Большой вклад в развитие атомистики внес И.Я. Берцелиус. С именем этого ученого связано и введение в употребление символов (1814) для обозначения химических элементов, написания формул соединений и уравнений химических реакций.
    Период классической химии (середина XIX — начало XX в.), основывавшейся на атомно-молекулярном учении, характеризуется появлением теории химического строения (А.М. Бутлеров, 1861), открытием периодического закона и составлением периодической системы химических элементов (Д.И. Менделеев, 1869), разработкой теории ароматических соединений (Ф.А. Кекуле), теории комплексных соединений (А. Вернер), теории электролитической диссоциации (С. Аррениус), принципа Ле-Шателье, правила фаз Дж. Гиббса и др. Период развития классической химии завершается созданием теории строения атома Бора — Зоммерфельда (1930). К началу XX в. химия окончательно сформировалась в качестве фундаментальной и точной науки о веществах и их превращениях друг в друга. Достижения химии лежат в основе модернизации материального производства, обеспечивают решение важнейших задач жизни человечества: питания и здравоохранения, охраны окружающей среды и возобновляемых ресурсов, увеличения продолжительности жизни.
    Химическая промышленность выпускает огромное количество химических веществ и разнообразных материалов, и их число продолжает расти по мере возрастания потребностей общества.
    Продукцию химической промышленности можно разделить на четыре категории: базовые химикаты (на них приходится примерно 35—37 % мирового производства отрасли), продукты жизнеобеспечения (30 %), специальные химикаты (20—25 %) и потребительские товары (около 10 %). Базовые, или «товарные», химикаты включают в себя полимеры, крупнотоннажную нефтехимию, промышленные химические продукты, неорганические химикаты и минеральные удобрения.

6

Введение

При этом неорганические вещества (составляющие 12 % всех базовых продуктов отрасли) являются старейшими химическими продуктами. К ним относятся соль, хлор, каустическая сода, различные кислоты (азотная, фосфорная, соляная). Минеральные удобрения также являются сегментом базовых химикатов (около 6 %) и включают в себя азотные, фосфорные и калийные удобрения.
    К химическим продуктам жизнеобеспечения относятся биологические субстанции, фармацевтические, диагностические и ветеринарные препараты, витамины и пестициды. Этот сегмент химической промышленности развивается наиболее быстрыми темпами, в 1,5-6,0 раза превышающими среднегодовые темпы роста мирового ВВП. К специальным химическим продуктам относят вещества и материалы, предназначенные для электронной техники, катализаторы, промышленные газы, клеи, различные защитные покрытия и др. Потребительские товары включают в себя мыла, моющие средства и косметику.
    Химическая и нефтехимическая промышленность — наиболее развитые отрасли промышленности Республики Беларусь. Основные направления развития химической промышленности — выпуск минеральных удобрений и добыча сырья для них, производство химических волокон и нитей, пластмасс и изделий из них, выпуск синтетических смол, производство лакокрасочных материалов и товаров бытовой химии. Среди наиболее крупных предприятий современной химической промышленности — солигорские калийные комбинаты ОАО «Беларуськалий», ОАО «Полоцк-Стекловолокно», ОАО «Гродно Азот», Новополоцкий завод «Полимир», Гомельский химический завод, Гродненское, Светлогорское и Могилевское объединение «Химволокно», ОАО «Лакокраска» (Лида), Борисовский завод пластмассовых изделий и др.
    ОАО «Беларуськалий» — крупнейший в мире производитель калийных удобрений, его продукция составляет более 11 % мирового экспорта. Продукция ОАО «Полоцк-Стекловолокно» используется в электронике, электротехнике, судостроении, строительстве, авиакосмической технике, производстве хи

7

Введение

мического оборудования, товаров для спорта и отдыха. ОАО «Гродно Азот» выпускает аммиак, сульфат аммония, серную кислоту, жидкие удобрения, карбамид, капролактам. Продукция Новополоцкого завода «Полимир» — полиэтилен высокого давления, полиакрилонитрильные волокна, продукты органического синтеза и товары народного потребления.
    Широко применяемый в сельском хозяйстве нетканый полипропиленовый материал, произведенный по технологии «спанбонд», наряду с другой продукцией выпускается Со-лигорским объединением «Химволокно». ОАО «Лакокраска» производит около 150 наименований и расцветок лаков и эмалей, в том числе и применяющихся в качестве защитных покрытий для оборудования, работающего в агрессивных средах. Продукция предприятий химической и нефтехимической промышленности Республики Беларусь экспортируется более чем в 80 стран мира.
    Достижения современной химии интенсивно используют и другие отрасли промышленности: металлургическая (выпуск чугуна, стали, ферросплавов), целлюлозно-бумажная, лесохимическая, химико-фармацевтическая, микробиологическая, пищевая и т. д. На территории Беларуси расположены крупнейший в странах СНГ производитель пищевой соли «Экстра» — ОАО «Мозырьсоль», Минский и Борисовский заводы медицинских препаратов, Брестский и Барановичский заводы бытовой химии, Белорусский шинный комбинат ОАО «Белшина» и другие предприятия.

8

        РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ



ГЛАВА 1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ.
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

        1.1.1. Теории и законы в химии

    В химии достаточно широко применяются теории и законы физики и других нехимических дисциплин (например, законы Ньютона, принцип неопределенности Гейзенберга, первое и второе начала термодинамики и др.). В то же время существует ряд теорий, концепций и обобщений, входящих в арсенал современной химии. К фундаментальным законам и теориям химии относятся: атомно-молекулярное учение (теория); закон сохранения массы и энергии; теория химического строения; периодический закон.
    Создателем атомно-молекулярного учения является М.В. Ломоносов, который четко различал две составляющие в строении вещества: элементы (атомы) и корпускулы (молекулы).
    Основными понятиями атомно-молекулярного учения являются: атом, молекула, ион, химический элемент и т. д.
    Атом — это электронейтральная химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
    Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
    Массы атомов химических элементов чрезвычайно малы — от 1,674 • 10⁻²⁷ до 4,270 • 10⁻²⁵ кг, поэтому в химии принято пользоваться не абсолютными, а относительными значениями атомной массы. Относительная атомная масса (или просто атомная масса) — величина безразмерная.
    Поскольку большинство неорганических веществ при обычных условиях не имеют молекулярного строения, то можно говорить о формульной массе (формульная масса - это сумма атомных масс всех элементов, вхо

9

Раздел 1. Теоретические основы химии

дящих в соединение, с учетом числа атомов каждого элемента в формуле): например, для TiO₀₈₂ формульная масса равна 1 • 47,90 + 0,82 • 16 = 61,02.
    Моль — количество вещества, содержащее столько структурных элементарных единиц (атомов, молекул, ионов и т. д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. Данное число соответствует числу Авогадро и равно 6,02 • 10²³ моль⁻¹.
    Масса одного моль вещества называется молярной массой и представляет собой отношение массы этого вещества к его химическому количеству:
M = m/п (г/моль, кг/моль).
    Ионы — одно- или многоатомные частицы, имеющие электрический заряд.
    Молекулой называется нейтральная группа атомов, химически связанных в определенном порядке, способная к самостоятельному существованию. Такая группа может состоять из двух и большего числа атомов. Из числа неорганических соединений в виде молекул существуют, например, хлороводород HCl, оксид углерода(ГУ) CO2, иодид олова(ГУ) SnI₄, пентакарбонил хрома Cr(CO)5. Многие неорганические вещества состоят из молекул лишь в газовой фазе при высоких температурах. Например, в парах существуют молекулы NaCl, (NaCl)2, ZnCl₂, (ZnCl₂)₂, но в обычных условиях хлориды натрия и цинка являются твердыми веществами.
    В атомно-молекулярном учении выделяют ряд основных стехиометрических законов химии, являющихся теоретической основой для вывода химических формул, а также для расчетов количественных соотношений между элементами в соединениях или между веществами в уравнениях химических реакций. Такие расчеты называются стехиометрическими . Стехиометрия — раздел химии, рассматривающий количественные (массовые, объемные) соотношения между реагирующими веществами.
    К основным стехиометрическим законам относятся:
    а)    закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1797): количественный и качественный состав чистого молекулярного ве

10