Введение. 
Общая и неорганическая химия

Введение

 — это тот раздел, где удобно определить, чему посвящена книга, которую Вы, читатель, взяли в руки.

Как следует из названия учебника, он должен познакомить Вас с общей химией, а значит, надо определить, что эта за наука — химия, и объяснить, что такое общая химия.

Если отвлечься от того, что сам человек представляет собой систему, в которой непрерывно протекают многочисленные и разнообразные химические превращения, то, вероятно, первой химической реакцией, использованной человеком в своих практических целях, была экзотермическая реакция окисления органических веществ при высоких температурах, или, попросту, горение дров в костре. Уже на заре современной цивилизации — в Древнем Египте, Месопотамии, Древнем Китае широко использовались химические превращения для получения металлов, красок и т. д.

В настоящее время, в эпоху научно-технической революции нам очевидно, что начинало человечество с освоения того, что теперь мы называем технологией: как добыть еду? как построить жилище? как зажечь костер? по какому камню и как надо ударить, чтобы получить кремневый нож? Далее, у человека стали возникать вопросы «почему»: почему горит огонь? Почему в море вода соленая, а в ручье — нет? Почему ночь и день сменяют друг друга? Из этих вопросов родились сначала религия, а затем естествознание — совокупность наук о природе.

Сейчас мы (человечество) знаем (или полагаем, что знаем), что окружающий нас мир — природа — это различные формы движущейся материи. Материя может существовать в виде элементарных частиц, имеющих массу покоя, и полей, лишенных массы покоя. Взаимодействуя друг с другом, элементарные частицы образуют более сложные системы — различные атомы. Наконец, атомы, взаимодействуя между собой, образуют различные вещества. Каждое вещество обладает некоторым набором характерных признаков — свойств: плотностью, электропроводимостью, окраской, запахом, твердостью и т. д., — отличающим одно вещество от другого. В определенной сововкупности вещества образуют используемый человеком материал — сталь, бетон, стекло, бумагу, ткань, кашу, лекарство.

При изменении условий — нагревании, освещении, ударе — могут происходить превращения одних веществ в другие — самопроизвольные или в результате взаимодействия нескольких веществ.

Химия — это область естествознания, наука о веществах и их превращениях.

Современная химия представляет собой разветвленную область знаний о составе и строении веществ, причем не только о геометрическом строении, скажем, кристаллов (кристаллохимия), но и об электронном — на уровне ядер и электронов — строении атомов, молекул, твердых и жидких веществ (квантовая химия); о зависимости свойств веществ от их состава и строения (физическая химия); о влиянии условий на превращения и взаимодействия веществ (химическая термодинамика и химическая кинетика); о превращениях веществ в земной коре (геохимия), в космосе (к осмо химия), в живых организмах (биохимия), под действием света (фотохимия), при прохождении электрического тока (электрохимия) и т. д. и т. п.

На базе научных химических знаний создаются новые технологии, позволяющие получать из природного сырья принципиально новые вещества и материалы, не существующие в естественных природных условиях: металлы и сплавы; полупроводниковые и сверхпроводящие материалы; полимеры и растворители; лекарственные препараты, красители, синтетические моющие средства и многие другие.

Каждый человек, независимо от его профессии — печет ли он блины или варит сталь, удобряет ли огород минеральными удобрениями или производит аммиак для получения этих удобрений, заводит ли двигатель автомобиля или синтезирует тетраэтилсвинец для улучшения качества бензина, залитого в бак автомобиля, — так или иначе непосредственно использует химические вещества и их превращения. Недаром еще Ломоносов говорил: «Широко простирает химия руки свои в дела человеческие».

Достижения химии огромны, но, как говорится, у всякой медали есть оборотная сторона. Новые синтезированные вещества и технологии для их получения не всегда безобидны для человека и окружающей среды, т. е. для планеты Земля.

Инсектициды, гербициды, дефолианты, различные ядохимикаты и даже просто минеральные удобрения, применяемые в сельском хозяйстве, загрязняют реки и озера. Дым из труб тепловых электростанций, цементных, металлургических и других заводов, содержащиеся в нем оксиды серы и азота загрязняют атмосферу. Выхлопные газы многочисленных автомобилей содержат оксиды азота, способствующие образованию смога в крупных городах. Многие полученные человеком полимеры и пластмассы — полиэтилен, капрон, найлон, фторопласты и другие — устойчивы к воздействию воды и кислорода, они не подвергаются действию бактерий и поэтому очень медленно разрушаются в природных условиях. В результате использованные изделия из этих материалов начинают загрязнять планету. Широкое применение фторхлоруглеводородов — хладонов (фреонов) — в качестве пропеллентов в аэрозольных упаковках и в промышленности явилось, по-видимому, одной из причин возникновения «озонных дыр» в атмосфере.

Увеличение количества техногенного углекислого газа, выделяемого в атмосферу в результате деятельности человечества, и уменьшение живой фитомассы, перерабатывающей С0₂, в частности невосполнимые вырубки лесов, грозят реально нарушить сложившийся в природе круговорот углерода и вызвать серьезное изменение климата на планете.

Таким образом, хотя химия дает возможность получать все больше новых полезных материалов, однако неграмотное применение ее достижений приводит к возникновению множества экологических проблем. Например, если 50−60 лет назад в химической промышленности решалась важная технологическая проблема водоподготовки, т. е. очистки воды перед ее использованием, то сейчас важнейшей экологической и технологической проблемой становится очистка воды после ее использования — очистка сточных вод.

Чтобы понимать все эти проблемы, разумно использовать блага, предоставляемые химизацией народного хозяйства, знать, чего надо остерегаться, и в то же время не впадать в панику — любому специалисту, как, впрочем, и вообще любому образованному человеку, необходимо иметь некоторый минимум химических знаний. Что же входит в этот минимум?

Наука беспредельна всегда есть вопросы, еще не имеющие ответов, гипотезы, подлежащие проверке, новые факты, требующие объяснения. Например, многое из того, что было новым и подробно обсуждалось учеными середины XIX столетия, давно уже стало привычным и констатируется как известный факт: число химических элементов в природе, сложное строение атомов, возможность синтеза органических веществ из неорганических без участия «жизненной силы», природа растворов как сложных физико-химических систем и т. д. В наше время возникли новые проблемы: создание обшей теории растворов, общей теории катализа, синтез высокотемпературных сверхпроводящих материалов и высокоэффективных избирательных катализаторов, создание безотходных экологически чистых технологий и т. д.

Наука все время обновляется: что-то устаревает и становится не актуальным, что-то из разряда открытий переходит в область будничного использования, умирают одни гипотезы и рождаются новые. В результате в каждый момент времени в любой науке существует некоторое ядро, фундамент, построенный из всего того, что уже не вызывает сомнений, из проверенных и общепринятых фактов и признанных теорий. На этом фундаменте создается здание новых фактов, открытий, гипотез. Понимание основ любой науки и стоящих перед нею проблем — это и есть тот минимум знаний, который позволяет образованному человеку свободно ориентироваться в окружающем его мире и ответственно относиться к своему окружению — природе и обществу, наконец, постижение основ какой-либо науки является для любого человека мощным стимулом к развитию своего образования в этой области.

Общая химия знакомит читателя с современным ядром, фундаментом химической науки. Именно знакомит, так как любой раздел общей химии представляет собой предельно сжатое, сделанное в самых общих чертах изложение целого направления в химии. Задача любого учебника по общей химии — показать, как выглядит фундамент современной химии, из каких, условно говоря, частей он состоит и каковы логические связи между этими частями, каковы основные законы, управляющие всем сложным миром химических превращений — как тех реакций, которые поставляют энергию для работы мышц, обеспечивающих скольжение оптической оси Вашего глаза по строкам этого текста, так и тех реакций, которые поставляют энергию для плавления лавы в жерле вулкана или для взлета ракеты, стартующей в космос.

Химия — наука экспериментальная. Это означает, что ее теории, гипотезы основаны на эксперименте, опыте — наблюдении за поведением конкретных химических веществ в конкретных условиях. Нельзя понять законы химии, не зная фактического материала, и, наоборот, нельзя систематизировать, понять, объяснить наблюдаемые факты, не зная общих законов. Именно поэтому при изучении общей химии всегда встает вопрос: с чего начать? С изложения фактического материала — описания свойств соединений, указания условий их существования, перечисления реакций, в которые они вступают, и на этой основе вывести законы, управляющие поведением веществ и их превращениями, или наоборот — сначала показать, объяснить основные законы, на их основе обсуждать свойства соединений — и тогда увидеть причины, определяющие эти свойства и возможные превращения веществ.

Авторы идут в основном по второму пути, полагая, что наш читатель уже знаком с азами химии по школьному курсу и представляет себе различие свойств, скажем, Н₂0 и NaCl или Zn и Си.

Предлагаемый Вам для обучения материал делится, условно говоря, на два блока — обще химические законы (разделы 1−4) и описание свойств химических элементов и их соединений (разделы 5 и 6). Авторы придерживались следующей логической схемы: периодический закон, законы образования атомов и их взаимодействия между собой, затем законы существования химических систем как реальных, наблюдаемых, экспериментально изучаемых химических объектов, далее законы, управляющие химическими превращениями, и, наконец, законы, определяющие поведение водных растворов электролитов — наиболее широко представленного и наиболее практически важного круга химических систем. На этой основе дается описание свойств элементов главных подгрупп периодической системы и их соединений, затем описание свойств переходных металлов и их соединений.

Даже при соблюдении самой строгой логики изложения всегда приходится в некоторых случаях забегать вперед, в некоторых — оставлять что-то на потом, а значит, всегда есть необходимость вернуться к рассмотренному ранее материалу. В ряде случаев авторы будут советовать Вам перед тем, как начать читать и изучать новую главу, вернуться к тому или иному разделу. Не пренебрегайте этими советами! Даже если Вы уверены в своих знаниях, перелистав быстренько указанный раздел, Вы лучше увидите и поймете все взаимосвязи изучаемого материала, а это понимание есть одно из необходимых условий активного владения знаниями.

Другое условие — упражнение мысли. Для этого после каждой главы приведены вопросы или небольшие задачи. Не жалейте времени на них!

Если у Вас есть возможность обсудить ответы и решения с преподавателем или с коллегами — непременно сделайте это, если Вы собираетесь заниматься самообразованием — постарайтесь найти ответы в прочитанном материале, многие из них там есть.

Предлагаемый Вам учебник построен в соответствии с логикой химической науки. Конечно, профессиональные интересы наших читателей различны, и одни разделы учебника будут для Вас более важны, другие — менее. И все же не пожалейте, пожалуйста, времени и хотя бы прочитайте эти не столь интересные Вам разделы. Более широкое понимание всей картины химических взаимодействий наверняка будет способствовать обогащению Ваших профессиональных знаний.

В заключение несколько слов о численных значениях приводимых величин. В учебнике используются единицы физических величин в соответствии с Международной системой единиц (СИ), а также десятичные кратные и дольные от них.

Приводимые в тексте и таблицах значения величин носят иллюстративный характер. Обусловлено это тем, что экспериментальные данные получены с различными погрешностями и их сопоставление всегда требует округлений. Например, в справочной литературе приводятся следующие значения длин связей (г) и энтальпий образования (АН/) молекул воды и иодида бериллия, полученные с существенно различными погрешностями:

Большинство значений получено с погрешностью 1—5%, которой соответствуют три значащих цифры. Как правило, именно так и приводятся значения величин.

Номенклатура химических соединений дается в соответствии с Международной системой IUPAC (ИЮПАК), но некоторые наиболее употребительные в русском языке, так называемые тривиальные названия, такие, как серная кислота, аммиак, углекислый газ, азотная кислота, едкий натр, сода и некоторые другие, широко используются в тексте.

И последнее. Прогресс науки, жизни общества невозможен без дискуссий, споров, обмена мнениями. В процессе написания учебника авторы обсуждали все его разделы со своими коллегами — специалистами в различных областях химии. Это обсуждение способствовало более строгому изложению материала. Мы искренне благодарим наших коллег.

Большую помощь оказали нам рецензенты — их замечания позволили найти более точные формулировки, избежать ряда погрешностей, улучшить стиль изложения. Мы приносим им свою благодарность.

Теперь нас ждет дискуссия с читателями — как с теми, кто будет учиться по этому учебнику, так и с теми, кто будет использовать его в своей педагогической деятельности. Мы с благодарностью примем все Ваши замечания, пожелания и предложения.

В результате изучения химии по данному учебнику студенты должны освоить:

трудовые действия

навыки написания уравнений химических реакций; навыки расчетов, связанных со строением вещества и химическими явлениями;

необходимые умения

• — применять знания по химии при изучении специальных дисциплин;
• — объяснять явления и наблюдения в возникающих ситуациях, связанных с химией;
• — использовать справочные материалы по химии; необходимые знания
• — предмет, основное содержание дисциплины «общая и неорганическая химия»;
• — практическое значение химии;
• — основные опасности и риски, связанные с хозяйственным и бытовым применением химии (веществ и процессов).