УДК 541(075.8) ББК 24.1

К44

Киселев А.П., Крашенинников А.А.

К44 Основы общей химии. Ч.1. Строение вещества: Учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2002. 109 с.

Пособие содержит материалы по вопросам строения атома, химической связи и строения твердых веществ в соответствии с одноименными разделами курса химии.

Предназначено для самостоятельной подготовки студентов всех специальностей.

УДК 541(075.8) ББК 24.1

Рецензенты: кафедра общей и неорганической химии СанктПетербургского государственного политехнического университета (зав. каф. д-р. хим. наук, проф. Л.Н. Блинов); зав. каф. физической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института (университета), д-р. хим. наук, проф. Л.В. Пучков

Утверждено редакционно-издательским советом университета

БГТУ, СПб., 2002

2

3

«Природе все равно, как мы это назовем,

она просто делает свое дело».

Р. Фейнман

ВВЕДЕНИЕ

При обучении квалифицированного специалиста в высшем техническом учебном заведении общенаучная подготовка играет важную роль. Во-первых, она является базой для общепрофессиональных и специальных дисциплин, во-вторых, формирует мировоззрение будущего специалиста, помогает ему быстро и правильно ориентироваться во все возрастающем потоке научно-технической информации, оценивать научный уровень технических решений. Химия, являясь одной из фундаментальных естественнонаучных дисциплин, занимает особое место в ряду других наук, преподаваемых в техническом вузе нехимического профиля.

В естествознании можно выделить несколько уровней изучения строения материальных тел, в каждом из которых действуют как свои специфические законы (законы астрономии, физики, химии, биологии и др.), так и общие фундаментальные (законы сохранения материи, энергии и др.). Каждая из естественных наук занимается своими объектами. Так, поведение макроскопических тел описывают астрономия, механика, биология и т.д. Строением молекул, атомов, ядер, элементарных частиц занимается физика. Объектом исследования химии являются вещества и материалы. Методы и применения различных наук взаимосвязаны, но каждая имеет свои специфические особенности. При этом представления каждого последующего уровня используются для объяснения, более глубокого понимания закономерностей предыдущего. Но это не значит, что все естественные науки можно свести к одной единственной («нет других естественных наук, кроме физики и аппарата ее – математики»).

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Процесс превращения одних веществ в другие, в ходе которого изменяется состав, строение или заряд частиц при неизменности природы атомов, называется химической реакцией. Способность вещества участвовать в тех или иных химических реакциях характеризует его химические свойства. Химические свойства веществ и закономерности протекания химических реакций зависят от строения молекул и атомов и характера химических связей между ними. Этими же факторами определяются и многие физические свойства веществ и материалов. И все это является объектом изучения химии как науки.

К середине ХХ века объем химических знаний стал настолько большим, что это привело к делению химии на отрасли и, соответственно, появились различные химические учебные дисциплины. На основе изучаемых

4

объектов или методов исследования выделяются следующие отрасли химических наук: неорганическая, органическая, физическая, коллоидная, радиохимия, аналитическая химия, экологическая, биохимия, радиационная, квантовая, плазмохимия, механохимия. Естественно, приведенный перечень далеко не полно охватывает все существующие отрасли химических наук, число которых увеличивается по мере накопления и углубления знаний об окружающем мире.

Студенты вузов химического профиля за время обучения изучают, в зависимости от специализации в том или ином объеме, практически все разделы химических наук. В технических вузах нехимического профиля время, отводимое учебными планами на изучение химии, весьма ограничено. Поэтому основной задачей курса «Химия» является формирование «химического мировоззрения». В первую очередь в нем обращается внимание на изучение строения химического вещества (строение атомов и молекул, химическая связь), объясняющее его химические свойства, и наиболее общих закономерностей протекания химических реакций (термодинамика и кинетика химического процесса). Изучая курс «Химия», студент должен получить представление о том, почему вещество обладает такими свойствами и что может произойти при взаимодействии тех или иных веществ. Изучение же конкретных химических свойств веществ следует проводить в рамках специальных химических дисциплин (неорганическая, органическая, коллоидная химия и др.). Необходимо отметить, что часть конкретных знаний, относящихся к химической подготовке бакалавра, магистра или дипломированного инженера, будущий специалист получает при изучении других различных учебных дисциплин (материаловедение, экология, термодинамика и др.), но представления о наиболее общих химических свойствах веществ и закономерностях протекания химических процессов должны быть сформированы в рамках базового курса. Усвоение курса «Химия» осложнено тем, что он изучается на первых курсах, при недостаточной подготовке студента по физике и математике, да и уровень элементарных знаний по химии, полученный в школе, к сожалению, часто оставляет желать лучшего.

В естествознании все теории о структуре вещества и закономерностях протекающих процессов базируются на опыте (на экспериментально наблюдаемых реальных явлениях). Любая теория только относительно верно отражает действительность. Во-первых, она обобщает лишь известные на момент ее создания экспериментальные факты и закономерности. При дальнейшем расширении и углублении знаний о мире теории уточняются или создаются новые. Во-вторых, при создании теории создается модель явления, которая абсолютизирует отдельные стороны проблемы и только в той или иной мере соответствует реальному объекту. Научные законы естествознания, с одной стороны, носят объективный характер, отражая за-

5

кономерности явлений природы, с другой стороны, они верны только в определенных границах, обусловленных используемой моделью явления и условиями. Например, если размеры тела много меньше размеров пространства, в котором рассматривается это тело, используется понятие «материальная точка». Или если скорость тела много меньше скорости света, то закономерности его движения описываются законами классической механики (постоянство массы тела), если скорость движения сравнима со скоростью света, необходимо учитывать увеличение массы тела с увеличением скорости (релятивистская механика Эйнштейна).

При рассмотрении строения вещества и закономерностей протекания различных процессов необходимо обращать внимание на границы данных конкретных представлений. Если использовать для описания какогонибудь явления закон вне границ его достоверности, то получим результаты, противоречащие опыту.

С методологической точки зрения, в учебных дисциплинах, особенно изучаемых на первых курсах, целесообразно рассматривать проверенные временем экспериментальные факты и устоявшиеся теоретические представления. В них избегают включать дискуссионные вопросы и положения имеющие частный характер.

Предлагаемое пособие написано на основе опыта преподавания курса «Химия» студентам 1 – 2-го курсов БГТУ «Военмех».

Авторы выражают благодарность коллегам по кафедре за ценные советы при обсуждении рукописи и, в первую очередь, заведующему кафедрой профессору Б.Т. Плаченову за поддержку в работе и полезную критику, а также надеются, что пособие будет полезно студентам при изучении курса химии.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОСНОВНЫЕ КОНСТАНТЫ

Единицы длины – [м, см, нм, Å] 1м=102см =109нм=1010Å.

Единицы энергии – [Дж, кДж, эВ] 1Дж= 10-3кДж; 1 эВ = 1,6 10-19 Дж. Единицы массы – [кг, г] 1кг = 103 г.

Относительная атомная масса (А) и относительная молекулярная масса (М) – средняя масса атома или молекулы отнесенная к 1/12 массе атома углерода 12С (1 атомная единица массы). 1а.е.м. = 1,6605 10-27 кг.

Количество вещества – моль – количество вещества, содержащее 6,02 1023 структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

NА=6,02 1023 [1/моль] – число Авогадро.

Молярная масса (mν) – масса одного моля вещества, выраженная в граммах, численно равна молекулярной массе (mν = М г).

Молярный объем – объем одного моля вещества. Для любого вещества в

6