Энциклопедия Химия

2. СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................5
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.................. 8
ЯЗЫК Х И М И И ...................................10
ОСНОВНЫЕ
ЗАКОНЫ ХИМИИ ...........................12
СТРОЕНИЕ АТОМ А.........................18
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ЭАЕМЕНТОВ .................................... 22
ХИМИЧЕСКАЯ С В Я ЗЬ.................. 24
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
О КРИСТАЛЛОХИМИИ..............32
ФИЗИЧЕСКАЯ Х И М И Я ................ 34
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ... .42
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ... .46
КЛАССЫ ХИМИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ ................................ 50
ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ
РЕАКЕ1ИЙ ..........................................56
РАСТВОРЫ ........................................62
с !
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ
ДИССОЦИАЦИЯ ............................66
КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ........68
АНАЛИТИЧЕСКАЯ Х И М И Я........72
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ.................... 76
НОМЕНКЛАТУРА............................ 78
НОМЕНКЛАТУРНЫЕ
ПРАВИЛА ..........................................80
ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ
ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ ................................ 82
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ... .84
ХАРАКТЕРИСТИКА
СВЯЗЕЙ ..............................................86
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ
СТРОЕНИЕ ........................................88
РЕАКЦИОННАЯ
СПОСОБНОСТЬ..............................90
МЕХАНИЗМЫ РЕА КЦ ИЙ...........102

3. Содержание
БИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ... .104
ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ...............116
МОЛЕКУЛЫ Ж И З Н И ...................120
КЛАССИФИКАЦИЯ
ПОЛИМЕРОВ.................................. 126
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛИМЕРОВ...................................128
ПРОЦЕСС СТЕКЛОВАНИЯ ....134
ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ.............136
ПОЛИДИЕНЫ .................................140
ПОЛИМЕРНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ...................................142
ВИДЫ ПОЛИМ ЕРОВ.....................144
ХИМИЧЕСКАЯ
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ .................146
ХИМИКО­
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ .....................................148
МАТЕРИАЛЬНЫЙ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
БАЛАНС............................................ 150
ОСНОВНЫЕ ВИЛЫ
ХИМИЧЕСКОГО
ПРОИЗВОДСТВА...........................152
ТЕХНОЛОГИЯ
СВЯЗАННОГО АЗОТА .................154
ПЕРЕРАБОТКА ТОПЛИВА .........158
ОСНОВНОЙ
ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ.........162
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ
ПРОИЗВОДСТВО...........................168
ПРОИЗВОДСТВО
СВЕРХЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ.........170
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ
И ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ.................................172
СПОСОБЫ
ПОЛИМЕРИЗАЦИИ .....................174
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.................178
СПРАВОЧНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ...................................186

4. В вЕ Д ЕНИЕ
Современная химия очень разнообразна как по объектам
изучения, так и по методам исследований. Сейчас изве­
стно около полутора десятков миллионов химических со­
единений, и каждое из них может вступать во множество
реакций. В зависимости от характера изучаемых объектов
и целей исследований химия разделена на большие разде­
лы: органическая химия, неорганическая химия, химия вы­
сокомолекулярных соединений, физическая и аналитиче­
ская химия, химическая технология.
Деление на два основных раздела —органическую и неор­
ганическую химию (химию живой и неживой материи) —
сложилось в прошлом веке. Органическая химия —это хи­
мия соединений углерода, в которых атомы углерода объ­
единены в длинные цепи и циклы. Значение таких соеди­
нений огромно, поскольку вся жизнь на Земле связана с их
возникновением и превращениями. В состав органических
соединений кроме углерода входят водород, азот, кислород,
фосфор.
Все остальные химические вещества, в состав которых
могут входить любые из более ста химических элементов,
изучает неорганическая химия. В ее компетенции находят­
ся соединения, образующие атмосферу Земли, ее поверх­
ность и недра. Мировой океан, — все, что называют нежи­
вой материей, которая не способна к воспроизводству,
в отличие от живой. Различия между живым и неживым
миром обусловлены химическими свойствами веществ, их
образующих.
При всем многообразии химических соединений и реакций,
в которые они вступают, а также целей, которые ставят перед
собой исследователи, —будь то открытие новых соединений
или производство давно известных веществ — можно выде­
лить основополагающие принципы и законы химии.
В данной главе и будут как раз рассмотрены такие общие за­
кономерности.
Это прежде всего основы атомно-молекулярного учения, яв­
ляющегося итогом целого периода изучения химии —с древ-

5. Химия
Взаимодействие галактик,
звездных скоплений и пла­
нет осуществляется в аст­
рономическом масштабе,
где оперируют расстояния­
ми от миллионов световых
лет до миллионов кило­
метров. Это сфера астро­
номии и астрофизики. Ма­
кроскопический масштаб -
от десятков тысяч киломе­
тров до миллиметров - со­
ответствует миру человека
и окружающих его тел.
Специфику явлений на
этом уровне изучают био­
логия, геология, геогра­
фия, классическая физи­
ка. □
них времен до конца XIX в. Наблюдая за различными процес­
сами превращения веществ, ученые пришли к выводу, что все
вещества состоят из мельчайших частиц —атомов и молекул,
важнейшей характеристикой которых является масса. Тогда
же были сформулированы и основные законы химии; в даль­
нейшем они уточнялись, получали объяснение с точки зрения
новейших открытий, но тем не менее не потеряли своего зна­
чения для химии в целом. Это законы сохранения массы, по­
стоянства состава, кратных и объемных отношений. Гипотеза
Авогадро, превратившаяся в один из основных законов физи­
ки и химии, следствия из нее, а также сформулированный
чуть позже универсальный газовый закон открыли способ
установления стандартной шкалы атомных масс, которыми
пользуются до настоящего времени. Тем самым была заложе­
на количественная основа современной химии.
К середине XIX столетия химиками открыто более пятидеся­
ти химических элементов, определены их атомные массы, из­
учены свойства образуемых ими соединений. Все это послу­
жило основой для установления главного закона химии —
Периодического закона Д.И. Менделеева. Гениальность уче­
ного заключалась в том, что закономерность изменения
свойств химических элементов при увеличении массы ато­
мов была определена еще до появления какого-либо объясне­
ния этого явления. С течением времени значение Периоди­
ческого закона нисколько не уменьшилось. Открытие новых
элементов и проведение современных фундаментальных ис­
следований только еще больше укрепило его. Периодическая
таблица химических элементов, созданная на основе этого
закона, — главный путеводитель при изучении химических
свойств веществ.
Настоящая революция в химии произошла в начале XX в.,
когда были сформулированы основные положения кванто­
вой механики и определено строение атома. Это явилось
истинным ключом к пониманию как сути Периодического
закона, так и строения вещества. Кроме того, стала ясна
теснейшая связь химии с физикой. Ведь различие между
естественными науками состоит главным образом в уровне
(масштабе) изучаемых явлений.
Современные теории строения вещества позволяют объяс­
нить и предсказать свойства молекул, а также реальных ве­
ществ, представляющих собой совокупность большого числа
частиц. Уровень современной экспериментальной техники
обеспечивает изучение превращений отдельных молекул.
В последнее время появилась возможность методом компью­

6. Введение
терного моделирования на основе расчетов квантовой меха­
ники определять структуру химических соединений,
механизмы и кинетику химических реакций, трудно поддаю­
щихся экспериментальному изучению. Традиционная химия
изучает превращения (реакции), происходящие в макроско­
пическом масштабе, — в лаборатории или в окружающем
мире, а затем интерпретирует их на атомно-молекулярном
уровне.
Главный вопрос, который нужно решить химику, — это
пойдет ли химическая реакция, а если пойдет, то каков бу­
дет выход получившегося вещества и как надо изменить
условия проведения реакции для того, чтобы выход продук­
тов был оптимальным, а скорость процесса приемлемой.
Закономерности протекания химических реакций изучает
физическая химия, которая исследует вещества, состоя­
щие из большого числа частиц, с помощью физических ме­
тодов и на базе физических законов, таких, как, например,
законы термодинамики и кинетики. Так, химическая тер­
модинамика позволяет определить вероятность протека­
ния той или иной реакции. Рассчитанные на основе термо­
динамических характеристик константы химических
равновесий определяют полноту прохождения реакций,
т. е. насколько полно протекает реакция в созданных усло­
виях.
Основные термодинамические характеристики веществ —
энтальпия образования, энтропия, теплоемкость — сведе­
ны в таблицы. И даже оценочный расчет, произведенный
с их использованием, очень полезен для того, чтобы априо­
ри, до эксперимента, предсказать результат. Однако даже
термодинамически вероятный процесс может не пойти.
Причину этого следует искать в кинетике — скорости про­
текания реакций.
Изучение скоростей реакций очень важно как для опреде­
ления условий проведения химических процессов, так
и для установления механизмов реакций. Одним из спосо­
бов изменения скорости реакции является использование
катализаторов. Поиск новых катализаторов, исследование
механизма их действия и внедрение их в практику — одна
из приоритетных задач современной химии. Катализ игра­
ет важную роль и в биохимических процессах, где в роли
катализаторов выступают ферменты —сложные белковые
соединения.
Знание общих законов необходимо исследователю, рабо­
тающему в любой отрасли химической науки, —будь то из­
учение процессов, протекающих в недрах Земли, при про­
изводстве полимерных материалов или в организме
человека. □
В последние пятьдесят лет
усилился интерес к иссле­
дованию механизмов ор­
ганизации материи на ме­
зоскопическом уровне -
от нескольких десятков
нанометров до сотен мик­
рометров (1 нм = 10 ’ м).
Это привело к развитию
таких наук, как микробио­
логия, коллоидная химия,
химия и физика высоко­
молекулярных соедине­
ний. Микроскопический
уровень - от сотых долей
до десятков нанометров -
относится к внутренней
структуре макроскопичес­
ких тел, определяемой
атомно-молекулярными
взаимодействиями. Ис­
следованиями в этой об­
ласти занимаются химики
и специалисты по кванто­
вой механике. Внутренняя
структура протонов и ней­
тронов, из которых состоит
ядро атома, их взаимодей­
ствия и взаимодействия
других элементарных час­
тиц, происходящие на рас­
стояниях менее 1 0‘” м, об­
разуют фундаментальный
уровень организации ма­
терии. Изучение процес­
сов на этом уровне - сфе­
ра квантовой теории поля
и физики элементарных
частиц. □

7. О с н о в н ы епонятия
Представления о том, что
окружающие нас тела со­
стоят из мельчайших час­
тиц, возникли очень дав­
но. В V -IV вв. до н. э.
Левкипп и Демокрит пи­
сали о дискретности ве­
щества. Р. Бойль в XVII в.
ввел понятие об атомах
и молекулах. В 1741 г.
М. В. Ломоносов сформу­
лировал основные поня­
тия атомно-молекулярно­
го учения: все вещества
состоят из «корпускул»
(молекул); молекулы со­
стоят из «элементов»
(атомов); частицы (моле­
кулы и атомы) находятся
в непрерывном движе­
нии, усиливающемся при
нагревании вещества; мо­
лекулы простых веществ
состоят из одинаковых
«элементов», молекулы
сложных веществ - из
разных «элементов» (ато­
мов). Развитие атом­
но-молекулярного уче­
ния продолжили многие
выдающиеся химики -
Д. Дальтон, С. Канницца­
ро и другие. □
Атомы и молекулы являются основными понятиями хи­
мии. Открытие элементарных частиц и развитие кванто­
вой механики в начале XX в. окончательно сформировали
современное представление об атомах и молекулах.
В 1860 г. на Международном съезде химиков в городе Карл­
сруэ было принято следующее определение понятий «моле­
кула» и «атом».
Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая
его химическими свойствами.
Атом —наименьшая частица химического элемента, входя­
щая в состав молекул простых и сложных веществ.
Размеры атомов и молекул чрезвычайно малы. Масса атома
углерода, например, равна 1,99 х 10“^^г, а объем его состав­
ляет порядка 3 X10“'®см®. Массы атомов обычно измеряют в
относительных величинах. Относительной атомной мас­
сой атома называют отношение его абсолютной массы к
массе 1/12 части массы атома углерода. Современные ме­
тоды исследования, такие, как электроно- и нейтроногра­
фия, электронная микроскопия, позволяющие увидеть от­
дельные молекулы и атомы, подтвердили правильность
гипотез гениальных ученых древности. Между атомами в
молекулах образуются внутримолекулярные связи, а моле­
кулы в химических веществах удерживаются межмолеку­
лярными связями.
В состав молекулы может входить несколько атомов. Так,
молекулы благородных газов одноатомны, молекулы водо­
рода и азота двухатомны, воды трехатомны и т. д. Молеку­
лы наиболее сложных веществ —высших белков и нуклеи­
новых кислот — построены из сотен тысяч атомов. При
этом атомы могут соединяться друг с другом не только в
различных соотношениях, но и различным образом.
Химические свойства молекулы определяются ее качест­
венным составом (т. е. из атомов какого элемента она со­
стоит) и строением (последовательности соединения ато­
мов друг с другом). Так, молекулы этилового спирта и
диметилового эфира имеют одинаковый качественный со-

8. Основные понятия
■СНз.
став — С2Н0О, однако по строению различаются:
спирт СНз - СНз - ОН, эфир СН3- О -
Молекулы, соединяясь вместе, образу­
ют вещества. С веществами мы имеем
дело в повседневной жизни. В зависи­
мости от характера взаимодействия ча­
стиц, образующих вещество, оно мо­
жет находиться в разных агрегатных
состояниях: жидком, твердом и газооб­
разном. То, в каком состоянии находит­
ся вещество, зависит от внешних усло­
вий и, конечно, от природы самого
вещества. При низкой температуре ча­
стицы вещества прочно связаны меж­
ду собой и образуют правильную гео­
метрическую структуру, имеют свою
форму и объем, — это твердое состоя­
ние. При повышении температуры ча­
стицы могут смещаться относительно
друг друга, но все еще находятся в кон­
такте, имеют свой определенный объ­
ем, но не имеют формы (принимают
форму сосуда, в котором находятся). Такое состояние ве­
щества называется жидким. При дальнейшем повышении
температуры частицы становятся практически несвязан­
ными друг с другом — вещество переходит в газообразное
состояние. Газы не имеют ни собственного объема, ни фор­
мы. Они способны расширяться и занимать весь объем со­
суда, в котором находятся.
При сравнительно небольшом числе химических элементов
количество различных веществ очень велико. Частицы, ко­
торые образуют вещества, необязательно являются молеку­
лами. Это могут быть атомы или ионы.
Ионами называются частицы, состоящие из одного или не­
скольких атомов, но, в отличие от электронейтральных мо­
лекул, имеют заряд положительный (катионы) или отрица­
тельный (анионы).
Процессы, в результате которых одни химические вещест­
ва превращаются в другие, называются химическими реак­
циями. В результате химических реакций происходит раз­
рушение одних связей между атомами в молекуле и
образование других. Продукты реакций отличаются по хи­
мическим свойствам от исходных веществ.
Никакими физическими способами нельзя из образовав­
шихся веществ вновь получить исходные. Этим химиче­
ские процессы отличаются от физических, например от за­
мерзания воды. □
Три фазовых состояния
вещества: а - газовая
фаза: б - жидкость;
в - кристалл.
Если бросить в воду Н2О
кусочек натрия, то тут же
начнет выделяться газ -
это водород Н2, а жид­
кость превратится из во­
ды в едкое вещество -
щелочь. При этом выде­
лится так много тепла,
что водород может заго­
реться и даже произойдет
взрыв. Никогда не бро­
сайте натрий в воду! □

9. Языкхимии
Название элементу азоту
дал французский химик
Лавуазье. Слово «азот»
происходит от греческого
«а-зоос», что означает без­
жизненный. Однако слово
«азот» имело и совсем
другой смысл, отвечаю­
щий больше «жизненной
силе»,а по библейской ми­
фологии - «начало и конец
всего сущего». Такое не­
удачное название привело
к тому, что появилось дру­
гое название этого элемен­
та: «нитрогениум» - «рож­
дающий селитру» (KNO3).
От этого названия произо­
шел и символ азота «11».
Поэтому и соединения азо­
та имеют разные названия:
HNO3 - азотная кислота, а
ее соли - нитраты. □
На разных языках один и тот же химический элемент мо­
жет называться по-разному. Чтобы понимать друг друга,
химики создали язык символов и формул.
В настоящее время насчитывается около 110 химических
элементов. Некоторые из элементов были известны еще с
древних времен, и происхождение их неизвестно — медь,
серебро, железо, ртуть и т. д. Серебро алхимики называли
Луной, медь — Венерой, железо — Марсом. Современные
названия элементов образовались от имен мифологических
персонажей (тантал, прометий), от географических назва­
ний (америций, германий, скандий), от названия планет и
минералов (теллур, бериллий, алюминий), от фамилий вели­
ких ученых (кюрий, эйнштейний). Символы химических
элементов были введены в науку шведским химиком Йен­
сом Берцелиусом в 1813 г. Символами химических элемен­
тов обычно являются 1 —2 начальные буквы их латинского
названия. Названия и символы химических элементов мож­
но найти в Периодической таблице элементов.
0 0 О 0 © © ©
Водород Азот Углерод Кислород Сера Фосфор Железо Медь
© О Ф О О 0 0 0 # с т о
Свинец Ртуть Сода Вода Аммиак Окись углерода Двуокись углерода
Обозначения химических
элементов Дальтоном.
СЛОЖНОЕ ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ записывается с
помощью символов атомов элементов, образующих данную
молекулу, а количество атомов в молекуле указывается в пра­
вом нижнем индексе символа. Например, молекула аммиака
состоит из атома азота N и трех атомов водорода Н и записы­
вается как NH3 —это химическая формула вещества.
Обозначение химических веществ с помощью формул поз­
волило записывать кратко и химические реакции — в виде
уравнений химических реакций. Вместо слов «при взаимо-

10. Язык химии
действии цинка с хлороводородной кислотой образуются
хлорид цинка и водород» пишут:
Zn + 2НС1 = ZnCl2 + Н2.
Исходные
вещества
Продукты
реакции
Иногда, чатце в органической химии, в уравнениях ставят
знак «-»», который указывает направление химической реак­
ции. В таком случае можно говорить лишь о схеме реакции.
Схема становится уравнением химической реакции после
подбора стехиометрических коэффициентов. И тогда ставит­
ся знак «= » или знак «^» для обратимых реакций. Для обоз­
начения агрегатного состояния продуктов реакций, протека­
ющих в растворах, используют знак «|», если выделяются
газообразные продукты реакции, и знак «|», если образуются
нерастворимые продукты. Уравнение химической реакции
показывает и количественные соотношения реагирующих
веществ. Эту информацию несут стехиометрические коэф­
фициенты — цифры перед формулами соединений. Так, в
приведенном примере из одной молекулы Zn и двух молекул
НС1 образуются 1молекула ZnCl2и 1молекула Н2.
Так как массы молекул очень малы, для обозначения коли­
чества вещества используется величина моль.
Моль — это единица количества вещества, содержащая
столько же структурных единиц (молекул, атомов, ионов),
сколько атомов содержит 12 г углерода. Моль любого веще­
ства содержит 6,02 х 10“ частиц.
Число Нд = 6,02 X 10“ моль ' является фундаментальной
константой физики и химии и называется постоянной Аво-
гадро. Значение молярной массы численно совпадает с от­
носительной молекулярной массой.
Моль любого вещества содержит одинаковое число частиц,
например молекул, поэтому в реакцию вступают количест­
ва вещества, пропорциональные стехиометрическим коэф­
фициентам химического уравнения.
Моль —основная количественная величина в химии.
Названия сложных веществ еще более разнообразны.
Многие тривиальные названия сложных веществ возникли
случайно очень давно, причем одно и то же вещество могло
иметь несколько наименований. Так, серную кислоту
H2SO4 называли «купоросной кислотой», «купоросным
спиртом», «серным маслом» (от названия минерала —мед­
ного купороса CUSO4X5Н2О, из которого в то время полу­
чали H2SO4). □
Желтая и красная кровя­
ные соли получили свои
названия от способа полу­
чения. Их получали из жи­
вотных отбросов, в том
числе и крови, собираемых
на бойнях, путем нагрева­
ния в присутствии карбо­
ната калия и железных
опилок. Из раствора, кото­
рый образовывался при
обработке реакционной
массы водой, кристалли­
зовалась соль K4[Fe{CN)0],
Это вещество называли
желтой кровяной солью,
так как оно имеет жел­
тый цвет, в отличие от
красной кровяной соли
K3[Fe(CN)g]. Современное
название этих солей - гек-
сацианоферрат (II) калия и
гексацианоферрат (III) ка­
лия. Они используются для
аналитического определе­
ния ионов железа благода­
ря синей окраске осадка
KFe[Fe(CN)g], названной
«турнбулевой синью» в
конце XVIII в. в честь
Турнбуля - владельца за­
вода по производству кра­
сок для тканей.□
Современная номенклату­
ра была разработана в
1956 г. Номенклатурной
комиссией Международ­
ного союза теоретичес­
кой и прикладной химии
(ИЮПАК). □

11. О с н о в н ы еза к о н ы
химии
До 1961 г. атомная едини­
ца массы у физиков и хи­
миков отличалась. Хотя
отличие и было около
0,03%, однако это вызыва­
ло определенные неудоб­
ства. Такое различие воз­
никло из-за того, что за
единицу физики принима­
ли V^e массы изотопа кис­
лорода ’“О, а химики Vi5
массы природного кисло­
рода, который является
смесью трех изотопов. Те­
перь принята единая сис­
тема измерения, и за еди­
ницу принята V i2 массы
изотопа углерода ’^C.Q
Схема проведения опыта
Лавуазье: 1 - печь;
2 - ртуть: 3 - реторта:
4 - стеклянный колпак.
Еще в XVIII —XIX вв. ученые открыли общие законы, ко­
торыми определяются отношения между количествами
веществ в химических реакциях. Их называют основными
законами химии.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ И ЭНЕРГИИ был сформу­
лирован великим русским ученым Михаилом Васильевичем
Ломоносовым в середине XVIII в.: «Ничто не возникает из
ничего и ничто не исчезает бесследно». Ломоносов на осно­
вании проведенного им опыта по взаимодействию ртути с
воздухом в запаянном сосуде показал, что масса сосуда не
изменилась после реакции. Независимо от русского ученого
в 1789 г. французский химик Антуан Лоран Лавуазье поста­
вил ряд тщательно спланированных опытов по окислению
металлов и восстановлению их оксидов углем. После этого
закон сохранения массы окончательно утвердился в химии:
масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна
массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
Закон сохранения массы имел огромное значение для ста­
новления атомно-молекулярной теории. Этот закон являет­
ся частным случаем всеобщего закона сохранения материи
(закона сохранения массы и энергии). Масса т и энергия Е
связаны между собой соотношением, кото­
рое называют уравнением Эйнштейна:
Е = тс^,
^ 4 где с —скорость света, равная 2,998 х 10®м х
Xс ‘. Если в процессе выделяется большое
количество энергии, то соответственно
уменьшается масса. Такие изменения харак­
терны для ядерных реакций. Химические
реакции обычно сопровождаются энерге­
тическими эффектами, соответствующими
чрезвычайно малому изменению массы.
Так, при диссоциации молекулы хлора на
атомы (CI2 = 2С1) необходима энергия
242,8 кДж/моль. Массовый эквивалент
этой энергии соответствует 2,7 х 10®г/моль.

12. Основные законы химии
т. е. энергия диссоциации молекулы хлора эквивалентна
лишь 0,000005 части массы электрона. Вот почему в химиче­
ских реакциях можно использовать два независимых зако­
на сохранения —массы и энергии. □
ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА был сформулирован
французским химиком Ж. Прустом в 1811 г., после того,
как стало возможно достаточно точно определять массовые
соотношения элементов в соединениях. Независимо от
способа получения химического соединения его состав ос­
тается неизменным. Каким бы способом ни получали, на­
пример, диоксид углерода СО2 — разложением ли карбо­
ната кальция (СаСОз = СаО + СО2), взаимодействием ли
карбоната натрия с кислотой (На2СОз + 2НС1 = 2NaCl -f
-I- СО2 + Н2О), при горении ли метана (СН4 -Ь 20з =
= СО2+ 2Н2О), —состав его будет один и тот же, потому что
химические связи в молекулах возникают вполне опреде­
ленным образом, в соответствии со строением атомов. Все
веш;ества, состоящие из отдельных молекул (главным обра­
зом жидкости и газы), подчиняются этому закону.
Однако существует большое число твердых веществ, состав
которых зависит от способа получения и может изменяться
в некоторых пределах. Например, в оксиде железа (II) FeO
мольное соотношение Fe : О может изменяться от I : 1,05 до
1 : 1,2. Это связано с тем, что в твердых кристаллических те­
лах практически невозможно выделить отдельные молеку­
лы. В таких случаях формула показывает лишь идеальное
соотношение между общим количеством атомов в кристал­
ле. В реальности из-за теплового движения атомов и других
флуктуаций (случайных отклонений от средних значений)
соотношение может быть несколько другим. Это общее
правило для всех твердых тел. Но величина отклонения от
идеального состава очень мала. Изложенное выше отнюдь
не ставит под сомнение правильность закона постоянства
состава для молекулярных веществ.
Еще до открытия закона постоянства состава в конце XVHI в.
немецкий химик И. Рихтер сформулировал закон эквива­
лентных соотношений, который теперь звучит так: вещества
взаимодействуют между собой в количествах, пропорцио­
нальных их эквивалентам, или массы реагирующих друг с дру­
гом веществ пропорциональны их эквивалентным массам. Во
времена открытия этого закона эквивалентные массы назы­
вали соединительными весами.
Например, известно, что при взаимодействии водорода с ки­
слородом с образованием Н2О массы вступивших в реакцию
кислорода и водорода относятся как 8 : 1, а при взаимодейст­
вии кислорода с углеродом с образованием СО2массы кисло-
Ломоносов М.В. и А. Ла­
вуазье заложили основы
новой химии, доказав, что
масса является фунда­
ментальным свойством.
Д. Дальтон превратил фи­
лософское понятие об
атомах в реальность,
продемонстрировав, что
атомистическая теория
способна объяснять экс­
периментальные факты.
В результате появились
закон эквивалентов и за­
кон кратных отношений.
Однако построение согла­
сованной таблицы атом­
ных масс оказалось делом
не из легких. Окончатель­
но все встало на свои мес­
та лишь в 1860 г., когда
С. Канниццаро обратился
к гипотезе Авогадро, кото­
рая стала одним из основ­
ных законов физики и хи­
мии, следствия из нее
открыли способ установ­
ления стандартной шкалы
атомных масс, которыми
пользуются в настоящее
время. □

13. Химия
рода и углерода относятся как 8 : 3 . Закон эквивалентов
утверждает, что в метане СН4соотношение масс углерода и
водорода равно 3:1. Эквивалентная масса каждого элемента
может быть определена как масса этого элемен-
V та, соединяющаяся с 1г водорода или за-
^ мещающая его в химических реакциях.
На основании этого закона И. Рихтер
определил соединительные веса многих
ггггг1Ч ’1ЧЧЧ’1‘
т
Прибо[з для определения
молекулярных масс
легкокипящих
жидкостей:
1 ~ рабочая жидкость:
2 - исследуемая
жидкость;
3 - мерный цилиндр для
определения объема.
элементов. Оказалось, что один и тот же элемент
может иметь разные соединительные веса. На­
пример, эквивалентная масса азота в NO равна 7, в NO2 —
3,5, в N2O — 14, а в аммиаке NH3 — 4,67. Это действительно
так, химический эквивалент не является постоянной величи­
ной, он зависит от валентности. Эквивалентная масса эле­
мента в соединении равна частному от деления атомной мас­
сы на его валентность в этом соединении. □
Открытый английским физиком и химиком Д. Дальтоном
закон кратных отношений стал дальнейшим шагом к по­
ниманию атомистической теории, а также количествен­
ных соотношений в химии: если один элемент образует
несколько соединений с другим элементом, то его соедини­
тельные веса находятся в простых целочисленных отно­
шениях друг к другу. В нашем примере это значит, что для
азота в его оксидах эквивалентные массы относятся друг к
другу как небольшие целые числа. Действительно, 3,5:7: 14=
= 1 : 2 : 4 . Дальтон объяснил это тем, что, согласно атоми­
стической теории, атомы соединяются друг с другом не­
большими целочисленными порциями, и был абсолютно
прав. Однако составленная Дальтоном таблица атомных
масс была несовершенна, потому что он считал молекулы
простых веществ одноатомными. □
ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ были открыты в конце
XVIII —начале XIX в. после определения зависимостей меж­
ду такими важнейшими параметрами, как давление Р, темпе­
ратура Т и объем V. Еще в XVII в. Р. Бойль и Э. Мариотт, изу­
чая свойства разреженного воздуха, установили связь
между его объемом и давлением.
При постоянной температуре для заданного количества
газа давление обратно пропорционально объему (закон Бой­
ля —Мариотта):
Р) Vj = P2V2, или PV = const при Т = const.
Спустя почти сто лет после открытия закона Бойля — Ма­
риотта французские ученые Ж.-Л. Гей-Люссак и Ж . Шарль
открыли законы, определяющие зависимость объема газа
от температуры.

14. Основные законы химии
При постоянном давлении для заданного количества газа
объем прямо пропорционален абсолютной температуре
(закон Гей-Люссака):
Vj/Tj = V2/T2, или V/T = const при Р = const.
При постоянном объеме для заданного
количества газа давление прямо пропор­
ционально абсолютной температуре
(закон Шарля):
Р/Т^ = Р2/Т2, ПАИР/Т= const
при V = const. □
Экспериментальные дан­
ные Гей-Люссака об объе­
мах соединяющихся га­
зов и их интерпретации
Авогадро можно проил­
люстрировать так: □
О,
«ХИМИЧЕСКИЕ» ЗАКОНЫ ЗНАМЕ­
НИТЫХ ФИЗИКОВ. Исследуя реакции
газов, Ж.-Л. Гей-Люссак установил, что
объемы газообразных веществ и продук­
тов их реакции относятся друг к другу
как небольшие целые числа (закон объ­
емных отношений). А. Авогадро сфор­
мулировал его так: в равных объемах раз­
личных газов при одинаковых давлении и
температуре содержится одинаковое число молекул. (Это
закон Авогадро.)
Из закона Авогадро вытекают два важных следствия.
I. Один моль любого газа, содержащий 6,02 х 10^^ молекул,
при одинаковых условиях занимает один и тот же объем.
При нормальных условиях —давлении 1,013 х 10’Па (1 атм)
и температуре 273 К (0 °С) — этот объем составляет 22,4 л и
называется молярным объемом.
П. Массы равных объемов двух газов (при одинаковых дав­
лении и температуре) относятся друг к другу как их моляр­
ные массы.
К концу XIX в. француз Б. Клапейрон установил, что для за­
данной массы газа соотношение PV/T есть величина по­
стоянная, а Д. И. Менделеев вывел уравнение для одно­
го моля газа. Объединив эти соотношения (для любого
количества газа), получим уравнение состояния идеаль­
ного газа, называемое уравнением Клапейрона —Мен­
делеева:
PV = vRT,
где vR — универсальная газовая постоянная. Универ­
сальная газовая постоянная — это отношение PV/ Тдля
одного моля газа, которое в единицах системы СИ рав­
но 8,314 Дж/(мольК).
Эти законы послужили основой для определения фор­
мул газообразных соединений и их молекулярных масс.
Уравнение Клапейрона —Менделеева широко исполь­
зуется для расчета объемов газов, выделяющихся в ре-
2Н,0
Газ, выделяющийся
в процессе реакции,
двигает поршень -
энергия химической
реакции превращается
в механическую работу.

15. Химия
в 1819 г. П. Дюлонг и
А. Пти заметили, что мо­
лярные теплоемкости мно­
гих твердых простых ве­
ществ имеют значение,
близкое к 25 Дж/(моль х К).
Поэтому по удельной теп­
лоемкости простого веще­
ства (удельная теплоем­
кость - это количество
тепла, необходимое для
повыщения температуры
1 г вещества на 1°, моль­
ная - одного моля вещест­
ва) можно найти атомную
массу. Например, удель­
ная теплоемкость серебра
0,233 Дж/{град х г), тогда
атомная масса будет равна
25 : 0,233 = 10’ г^оль. Де­
ло в том, что процесс по­
глощения тепла связан с
числом атомов, а не с мас­
сой вещества. Однако в то
время ученые не могли
объяснить обнаруженный
факт. Только после того,
как Канниццаро предло­
жил способ определения
атомных масс легких эле­
ментов, метод Дюлонга и
Пти стали применять для
приблизительного опреде­
ления атомных масс тяже­
лых элементов, □
зультате химических реакций. Однако это уравнение стро­
го выполняется лишь для идеаттьных газов — математиче­
ской модели, согласно которой молекулы не имеют объема
и их соударения абсолютно упругие. □
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН ЭЛЕМЕНТОВ. После утвер­
ждения атомно-молекулярной теории важнейшим событи­
ем в химии стало открытие Д. И. Менделеевым периодиче­
ского закона. Это открытие, сделанное в 1869 г. гениальным
русским ученым, создало новую эпоху в химии. Опираю­
щаяся на периодический закон классификация химиче­
ских элементов, которую Менделеев выразил в форме пе­
риодической системы, сыграла очень важную роль в
изучении свойств химических элементов и дальнейшем
развитии учения о строении вещества.
Расположив все элементы в порядке возрастания атомных
весов, Менделеев обнаружил, что сходные в химическом
отношении элементы встречаются через правильные ин­
тервалы и что, таким образом, в ряду элементов многие их
свойства периодически повторяются. Эта закономерность
получила свое выражение в периодическом законе, кото­
рый Менделеев сформулировал так: «Свойства простых
тел, а также формы и свойства соединений элементов на­
ходятся в периодической зависимости от атомных весов
элементов».
В начале XX в. развитие физики привело к открытию строе­
ния атома. Для дальнейшего понимания структуры Периоди­
ческой таблицы элементов основную роль сыграли открытия
,1? .*-1-
Автограф полной
таблицы элементов
Д. И. Менделеева,
переписанной набело для
отправки в типографию
17 февраля 1869 г.,
и листок с «Опытом
системы элементов»
Д. И. Менделеева,
отпечатанный на
французском языке для
рассылки иностранным
ученым.
■SX'
V J
/.•У л л»
t:» yft
-•Tv
yUtt
бы
л;/ л.л.
*7»/ .fc.T? Л-./Т?tK/i, ...
C.t4
tSBAJ e v n w r MS йХЧИГК
ршгIXMoadel*^.
,F«tut rUtinc*. *
n~j* u- *e
V .«| KVx T a -ta
C(>tt M w -..«
M-iw.» h-i»»
«•'•in.
A « -l« 1Ц - 7Л
Ы-И'
P-II «-!> rt-in '
w -)*,. Ta -i»*
t»iti
К.Л C»-U»
<!,-«* v - f t * fc-«*T
>..(»u-ttt r .v i U 'H
«Yi'M P<-M

16. Основные законы химии
английского физика Г. Мозли. Он исследовал частоты рентге­
новского излучения, испускаемого элементами при бомбар­
дировке их электронным пучком. На основании этих исследо­
ваний было установлено, что порядковый номер элемента в
Периодической таблице соответствует заряду ядра атома. Ос­
новной характеристикой атома, лежащей в основе периодиче­
ской зависимости, является заряд ядра. Современная форму­
лировка периодического закона такова: свойства простых
веществ, а также формы и свойства соединений элементов
находятся в периодической зависимости от заряда ядра ато­
мов элементов.
При создании Периодической системы ученый руководст­
вовался не только известными атомными массами элемен­
тов, но и их химическими свойствами. Такой подход к про­
блеме позволил, во-первых, уточнить атомные массы
многих известных тогда элементов и, во-вторых, предска­
зать существование не открытых еще элементов и их свой­
ства, например германия (экасилиций) и галлия (экабор).
Вначале XX в. развитие физики привело к открытию строения
атома. Для дальнейшего понимания структуры Периодиче­
ской таблицы элементов основную роль сыграли открытия
английского физика Г. Мозли. Он исследовал частоты
рентгеновского излучения, испускаемого элементами при
бомбардировке их электронным пучком. На основании этих
исследований было установлено, что порядковый номер эле­
мента в Периодической таблице соответствует заряду ядра
атома. Гениальное построение системы Менделеевым полно­
стью подтвердилось: стали объяснимы перестановки элемен­
тов в таблице вопреки последовательности атомных масс (Со и
Ni; I и Те). Основной характеристикой атома, лежащей в осно­
ве периодической зависимости, является заряд ядра. Совре­
менная формулировка периодического закона такова: свойст­
ва простых веществ, а также формы и свойства соединений
элементов находятсяв периодической зависимости отзаряда
ядра атомов элементов.
Периодический закон —не только один из важнейших за­
конов химии. Его появление, по существу, завершило про­
цесс классификации и систематизации веществ, чем в ос­
новном занимались химики. Однако окончательно стала
понятна причина периодичности свойств элементов только
после установления электронного строения атома, что, в
свою очередь, дало периодическому закону и Периодиче­
ской системе элементов новое, более глубокое освещение.
Блестящее подтверждение этому дали пророческие слова
Менделеева: «Периодическому закону не грозит разруше­
ние, а обещаются только надстройка и развитие». □
Вещества, имеющие пе­
ременный состав, в честь
французского химика
Клода Бертолле назвали
бертоллидами. Вещества,
подчиняющиеся закону
постоянства состава, ино­
гда называют дальтонида-
ми в честь английского
химика Д. Дальтона, со­
ставившего первую в ис­
тории таблицу атомных
масс. □

17. С т р о е н и еАТОМА
Первой моделью атома
как частицы, содержащей
электроны, была модель
Томпсона. Согласно этой
модели, масса и весь по­
ложительный заряд одно­
родно распределен по
всему атому, а электроны
помещаются в нем, как
«изюм в булочке». Опыты
Резерфорда по рассеива­
нию а-частиц при бом­
бардировке или тонкой
золотой фольги опровер­
гли эту модель. Возникло
представление о чрезвы­
чайно плотном положи­
тельно заряженном ядре,
окруженном электрона­
ми. Область атома, заня­
тая электронами, по ра­
диусу приблизительно в
10 0 000 раз больше ради­
уса ядра. В 1913 г. Нильс
Бор выдвинул новую тео­
рию строения атома во­
дорода: электроны дви­
жутся вокруг ядра со
строго определенной
энергией и на определен­
ном расстоянии от ядра.
Переход электронов с бо­
лее удаленных орбит на
более близкие сопровож­
дается выделением кван­
та света. Таким образом
были объяснены спектры
испускания атома водо­
рода. Однако эта модель
противоречила сущест­
вующим тогда теориям и,
кроме того, не могла объ­
яснить спектры поглоще­
ния более тяжелых ато­
мов. й
Строение атома есть ключ к пониманию строения молекул
и механизмов химических реакций, иными словами, хи­
мических свойств веществ. □
ПОНЯТИЕ «АТОМ» было введено еще до нашей эры. Есте­
ственно, модели строения атома менялись с развитием ес­
тествознания, и особенно физики. Современное представ­
ление об атоме сложилось в начале XX в., когда были
открыты элементарные частицы —составные части атома,
а также создана квантовая механика, позволившая адек­
ватно описать свойства микромира.
Свойства элементарных частиц
Частица Символ* Масса, а. в. м. Масса, г Заряд**, е-
Протон 1'Р 1,0073 1,67x10-’* +1
Нейтрон О’п 1,0087 1,67x10-’* 0
Электрон е- 0,00055 9,1 х 1 0 ’“ - 1
* Верхний индекс - массовое число, нижний - заряд.
** Элементарный заряд е" = 1,602 х Ю"” Кл.
Атом —химически неделимая нейтральная частица, состоя­
щая из более мелких элементарных частиц — протонов,
нейтронов и электронов. Основные свойства (заряд и мас­
са) этих частиц приведены в таблице.
Протоны и нейтроны в атоме образуют положительно заря­
женное ядро, в котором, как видно из таблицы, сосредото­
чена практически вся масса атома. Положительный заряд
ядра определяется числом протонов.
Электроны в атоме движутся вокруг ядра и занимают про­
странство, которое в несколько тысяч раз превышает раз­
мер самого ядра (диаметр ядра 10“'^ см, а диаметр атома
10~®см). Заряд ядра является главной характеристикой ато­
ма. Он определяет число его электронов. Химические же
свойства атома зависят исключительно от его электронной

18. Строение атома
структуры, в химических реакциях только электроны уча­
ствуют в образовании химической связи.
Химическим элементом называется вид атомов, харак-
теризуюищйся определенной величиной положительного
заряда ядра. Строение атома химического элемента, на­
пример углерода, записывают так: ‘gC. Верхний индекс
(12) соответствует массовому числу атома (сумме прото­
нов и нейтронов в ядре, численно равной его атомной мас­
се), нижний индекс (6) —заряду ядра атома, т. е. количест­
ву протонов в ядре и количеству электронов в атоме.
Свойства ядер имеют большое значение при обсуждении
радиоактивности и ядерного синтеза. □
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ атома дает информацию об
энергии электрона и вероятности нахождения его в каждой
точке пространства вблизи ядра. Для описания поведения
электрона в атоме надо сначала определить, что такое элект­
рон с точки зрения современной квантовой механики.
Во-первых, важно знать, что такие микрочастицы, как
электроны, обладают свойствами и частицы, и волны.
Во-вторых, невозможно одновременно точно найти положе­
ние (координату) и импульс электрона, как, впрочем, и дру­
гих частиц (принцип неопределенности Гейзенберга).
В-третьих, энергия электромагнитного излучения (в том
числе и электронов) меняется не непрерывно, а порция­
ми —квантами.
Таким образом, в соответствии с законами квантовой ме­
ханики, движение электрона в атоме нельзя рассматри­
вать как обычное перемещение. В 1925 г. австрийский фи­
зик Э. Ш редингер предложил для описания движения
микрочастиц использовать выведенное им уравнение, свя­
зывающее энергию, координаты и волновую функцию —
величину, характеризующую свойства
волны в квантовой механике. Это
уравнение является фундаментальным
уравнением квантовой механики.
Путем решения этого уравнения можно
определить величины энергии, которой
может обладать электрон в атоме (энер-
Форма и расположение
(пространственная
ориентация) S-, р- и d-op-
биталей.

19. Химия
Самая распространенная
шкала электроотрица­
тельности (ЭО) была раз­
работана американским
ученым Л. Полингом в
1932 г. По этой шкале
наиболее электроотрица­
тельному элементу -
фтору - приписано значе­
ние. равное четырем. Од­
нако связь между ЭО,
энергией ионизации и
сродством к электрону
существует. Было показа­
но, что ЭО пропорцио­
нальна полусумме этих
величин: ЭО = (I + Е)/2.
Полученные таким обра­
зом значения ЭО хорошо
согласуются со шкалой
Полинга. □
Схема энергетических
уровней
в атоме.
ЭО
гетические уровни),и области пространства, где наиболее ве­
роятно нахождение электрона. Область, где вероятность об­
наружения электрона составляет не менее 95%, называется
атомной орбиталью. Она характеризуется определенной
формой и расстоянием от ядра. Каждая орбиталь имеет три
характерных квантовых числа, как бы номер квартиры, в ко­
торой живет электрон. Квантовые числа определяют уровень
энергии орбитали (главное квантовое число п), форму орби­
тали и энергию подуровня (орбитальное квантовое число 1),
направление орбитали в пространстве (магнитное квантовое
число т ) .Для каждого уровня энергии (для каждого главного
квантового числа) существует вполне определенный набор
подуровней (разных значений орбитальных квантовых чи­
сел) , а для тех, в свою очередь, —определенный набор вари­
антов расположения в пространстве (различных значений
магнитных квантовых чисел). Главное квантовое число мо­
жет принимать любые целочисленные значения от 1 до о°.
Иногда обозначают большими буквами К, L, М... п = оо озна­
чает, что электрон полностью удален от атома.
На рисунке представлены формы и расположение орбита-
лей в пространстве для разных значений орбитатуьных кван­
товых чисел. Орбитали с разными значениями 1 принято
обозначать буквами: 7 = 0 — это s-орбиталь; 1 = 1 (р); 1 =
= 2(d) и 7 = 3(f). На каждом уровне есть только одна s-орби­
таль, имеющая форму шара, для которой все положения в
пространстве равнозначны. Орбиталь р имеет форму, по­
хожую на гантель, и может быть направлена в пространст­
ве тремя разными способами (по осям координат: р^, р^, p j.
Эти три орбитали различаются значениями магнитного
квантового числа. Форма d-орбиталей более сложная: на
каждом подуровне имеется пять таких орбиталей. Форма f-
орбиталей еще сложнее, их может быть семь.
Распределение орбиталей по энергиям
представлено на рисунке. Для того что­
бы понять, сколько электронов может
находиться на каждой орбитали, необ­
ходимо учесть еще одно свойство элект­
рона — его собственный магнитный
момент. Оказалось, что электроны от­
личаются друг от друга величиной маг­
нитного момента и характеризуются
еще одной квантовой величиной, не
связанной с их взаимодействием с
ядром. Это спиновое квантовое число
Электроны
не связаны
с ядром
Низшая
свободная
орбиталь
Высшая
заполненная
орбиталь
Шд, или просто спин (от англ, s p in
«вращение»), которое
только два значения: +‘/5
может иметь
и “ '/,.

20. Строение атома
Для построения электронной модели атома
надо воспользоваться следующими прин­
ципами заполнения орбиталей электро­
нами.
Принцип наименьшей энергии. В первую
очередь заполняются орбитали с наимень­
шей энергией, и если записать индексы ор­
биталей в краткой форме, то по величине
энергии они распределятся так: Is < 2s <
< 2р < 3s < Зр < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5р <
< 6s < 4f < 5d < 6р < 7s < 6d < 5f.
Принцип Паули. В атоме не может быть
двух электронов, у которых все четыре
квантовых числа одинаковы, то есть на од­
ной орбитали (она характеризуется тремя
квантовыми числами) может находиться
только два электрона с разными значения­
ми спинового квантового числа.
Правило Хунда. В пределах одного подуровня (то есть на ор­
биталях с одним и тем же значением 1 электроны распреде­
ляются так, чтобы суммарный спин был максимален. Это
значит, что сначала на каждой орбитали данного подуровня
располагается по одному электрону. Лишь после того, как
все орбитали будут заняты, на них может появиться второй
электрон. Следует отметить, что приведенные правила
справедливы для основного состояния атома —состояния с
наименьшей энергией.
Современные методы исследования позволяют определить
размеры атомов и их энергетические характеристики.
Энергия испускаемого (или поглощаемого) излучения, ко­
торое возникает при переходе электронов с одного энерге­
тического уровня на другой, соответствует разнице энергий
этих уровней.
Важнейшими энергетическими характеристиками атома
являются потенциал ионизации и сродство к электрону. Эти
параметры необходимы для понимания природы химиче­
ской связи, магнитные свойства, в частности — диамагне­
тизм и парамагнетизм.
Диамагнитными называются частицы, которые не взаимо­
действуют с магнитным полем (не втягиваются в магнитное
поле), что обусловлено отсутствием у них собственного
магнитного момента (нет неспаренных электронов).
Парамагнитные частицы, напротив, имеют неспаренные
электроны и обладают собственным магнитным моментом,
поэтому они взаимодействуют с магнитным полем (втяги­
ваются в него). □
Схема строения атома
фтора
(в произвольном
масштабе): 1 - ядро;
2 - 1 s-орбиталь:
3 - 2з-орбиталь:
4 - 2р-орбиталь.
Согласно правилу распре­
деления орбиталей по
энергиям (правилу Клеч-
ковского), ниже по энер­
гии находится та орби­
таль, для которой сумма
значений главного и ор­
битального квантового
числа (п + 1) минимальна.
При равенстве суммы п +
1 ниже по энергии нахо­
дится орбиталь с мень­
шим значением п. Напри­
мер, для орбиталей 3d:
п + 1= 3 + 2 = 5,
для 4s:
п + 1 = 4 + 0 = 4
и для 4р:
п + 1= 4 + 1 = 5.
Ниже всех по энергии бу­
дет находиться 4з-орби-
таль, так как для нее сум­
ма п + 1 меньше,
следующей будет орби­
таль 3d, потому что для
нее значение п (3) мень­
ше, чем для 4р-орбитали
(п = 4). На основании это­
го правила можно прове­
рить правильность ряда
распределения орбиталей
по энергиям. □

21. П е ри о д и ч е с к а я
СИСТЕМАЭЛЕМЕНТОВ
В современной иностран­
ной литературе принят так
называемый длиннопе­
риодный вариант Периоди­
ческой таблицы. В ней нет
побочных подгрупп, а пе­
риоды с четвертого по
восьмой имеют восемна­
дцать групп. Первые две
группы объединяют s-блок
элементов, последние
шесть включают р-блок, а
десять групп длинных пе­
риодов - d-блок. Так же как
и в коротком варианте,
f-элементы выделены в от­
дельные семейства. □
Основываясь на современных представлениях об элек­
тронном строении атома, можно логически вывести пе­
риодические закономерности в изменениях свойств хими­
ческих элементов. Каждый новый энергетический уровень
по своей конфигурации напоминает предыдущий. Напри­
мер, литий Li на втором энергетическом уровне имеет один
электрон (2s‘), натрий Na на третьем уровне —3s‘электрон,
а калий К на четвертом один — 4s'. Периодичность свойств
химических элементов основана на тождественности кон­
фигураций внешних электронных орбиталей атомов в не­
возбужденном состоянии (эти электроны ответственны за
химические свойства) и определяется периодичностью по­
вторения строения внешних электронных уровней.
Так, элементы группы галогенов (F, С1, Вг, I, At), обладаю­
щие похожими химическими свойствами, имеют на внеш­
нем электронном уровне семь электронов (ns"np^), щелоч­
ные металлы (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) — один электрон (ns'),
а элементы V, Nb, Та —пять электронов (п — l)d^nsL
Группы VIII
1 2 Н П 13 14 15 16 17
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
■:-ib V
d-элементы р-элементы
1
2
3 2
л §4 я
о,
г 0J
5 С
6
7
Лантаниды
Актиниды
s-элементы f-элементы

22. Периодическая система элементов
Периодическая система элементов —это графиче­
ское изображение периодического закона. Наибо­
лее распространенным является клеточный вари­
ант Периодической таблицы. Разновидность
клеточного варианта, так называемый короткий
вариант, который широко используется в нашей
стране, представлен на рисунке. □
СТРУКТУРА п е р и о д и ч е с к о й т а б л и ц ы э л е ­
м е н т о в . Периодическая таблица состоит из вер­
тикальных рядов, называемых группами, и гори­
зонтальных — периодов.
Периоды объединяют элементы, в атомах которых происхо­
дит заполнение одинаковых электронных уровней. При
этом номер периода совпадает с номером этого внешнего
уровня. Например, 2-й период объединяет элементы, у кото­
рых заполняется второй уровень (2s и 2р), от Li (2s‘) до Аг
(2s^2p®) —всего 8 элементов. У элементов 6-го периода внеш­
ним электронным уровнем является шестой (6s и 6р) — это
Cs (6s‘), Nd (4P6s") и W (4f‘5d‘6s^), Bi (4P5d‘“6s^6p^), Rn
(4P'‘5d'“6s^6p®) —всего 32 элемента. Каждый период заканчи­
вается элементом, относящимся к инертным газам. У них
полностью завершен электронный уровень —ns^np®.
Различие в последовательности заполнения электронных
уровней внешних и более близких к ядру объясняет причи­
ну различной длины периодов: 1-й период — 2 элемента,
2-й и 3-й — по 8 элементов, 4-й и 5-й —по 18, 6-й —32 эле­
мента. Часто 14 элементов, у которых заполняется 41- и
51-подуровни, выносят из Периодической таблицы в от­
дельные семейства лантаноидов (41) и актиноидов (51).
В группы и подгруппы входят атомы элементов, имеющих
одинаковое количество электронов на внешнем уровне. Для
S- и р-элементов (т. е. для элементов, у атомов которых за­
полняются внешние s- и р-уровни) номер группы соответст­
вует общему числу электронов на внешнем уровне. Напри­
мер, в V группе пять электронов: N (2s^2p^), Р (3s^3p^), As
(4sMp^), Bi (6s^6p^), BO II группе —два: Be (2s^), Ca (3s^), Ra (6s^).
Эти s- и р-элементы объединяются в главные подгруппы.
Для d-элементов (т. е. для элементов, у атомов которых за­
полняются d-уровни) номер группы в общем случае (для
первых 6 элементов каждого семейства d-элементов) равен
общему числу электронов на (п—l)d- и ns-уровне. Напри­
мер, у Sc (3d'4s^), находящегося в III группе, три электрона.
Таким образом, открытие строения атома объяснило
периодичность изменения свойств элементов. □
Академик А. Ф. Иоффе
предположил, что олово
может иметь кристалли­
ческую структуру алмаза и
обладать свойствами по­
лупроводников. Он исхо­
дил из того, что ближай­
шие соседи олова по
Периодической таблице -
германий Ge и кремний
Si - имеют кристалличе­
скую решетку, подобную
структуре алмаза, и явля­
ются полупроводниками.
Для проверки этого пред­
положения ученый вырас­
тил кристалл в растворе
олова в ртути при темпе­
ратуре -650 °С. Таким об­
разом, предположение
А.Ф. Иоффе полностью
подтвердилось. И хотя
практического примене­
ния кристаллы серого
олова не нашли - очень
уж они хрупки и трудно их
вырастить, замечательно,
что на основании Периоди­
ческого закона были пред­
сказаны кристаллическая
структура и свойства веще­
ства. □

23. Х и м и ч е с к а ясвязь
Межмолекулярные взаимо­
действия, будучи доста­
точно слабыми, тем не
менее требуют к себе
«уважительного отноше­
ния». Так, однажды
весной в США при темпе­
ратуре 15 °С взорвался га­
зопровод. При изучении
обстоятельств взрыва в
трубе было обнаружено
белоснежное вещество с
запахом газа, закупорив­
шее газопровод. Им ока­
залось новое соединение,
состоящее из газа и воды:
СпН2п+2(Н2 0)х. Газ и вода
в нем не были связаны
обычными химическими
связями - образовалось
соединение включения
(клатраты). □
Изменение энергии
в зависимости от
расстояния при
сближении двух атомов
водорода.
Вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь,
образованы атомами. Атомы в молекулах удерживаются
химическими связями, а молекулы в веществе — за счет
межмолекулярных взаимодействий.
Молекула представляет собой мельчайшую устойчивую
электронейтральную частицу вещества, обладающую его
химическими свойствами. При взаимодействии атомов
между ними может возникнуть химическая связь, приводя­
щая к образованию устойчивой многоатомной системы —
молекулы. Считается, что атомы образуют молекулу, если
при их сближении потенциальная энергия системы умень­
шается. Химическая связь имеет электростатическую при­
роду, т. е. она основана на электростатическом взаимодей­
ствии всех ядер и электронов.
На рисунке показано изменение энергии системы при
сближении двух атомов водорода. На некотором расстоя­
нии Г[ начинается взаимо­
действие электрона перво­
го атома ё| с ядром второго,
а электрона второго атома
§2 “ с ядром первого. При
сближении до некоторого
малого расстояния Гд начи­
нают играть роль силы от­
талкивания двух ядер и
энергия системы резко по­
вышается. Это расстояние
Гд, при котором эти силы
компенсируют друг друга и
система обладает наимень­
шей энергией, соответству­
ет расстоянию между ато­
мами в молекуле, и энергия
есть энергия связи Eg. В этом случае говорят, что между ато­
мами возникла химическая связь.
Так же как и для отдельного атома, для молекулы тоже мож­
но определить вероятность нахождения электронов в про-

24. Химическая связь
странстве и их энергию. Однако это очень сложно, и поэто­
му при описании химической связи используют некоторые
приближения. Таким приближением является рассмотре­
ние различных типов химической связи:
Связь между атомами
Ионная Ковалентная Металлическая
Связь между атомами
Водородная Ван-дер-ваальсова
Полярная Неполярная
Основными характеристиками молекулы являются ее
строение и энергия образования. Строение и свойства мо­
лекул можно определить экспериментально. Геометриче­
ское строение молекулы определяется межъядерными рас­
стояниями г и валентными углами (углы между линиями,
проходящими через ядра). Например, для молекулы воды:
Гон = 0,096 нм, гнон 104,5°.
Прочность молекулы определяется энергией связи. Для
разрыва связей в молекуле воды с образованием ато­
мов (Н2О = 2Н + О) необходима энергия в количестве
928 кДж/моль. Следовательно, энергия каждой связи
-о-н = 464 кДж/моль.
а
Другие физические характеристики молекул, в том числе
магнитный момент, дипольный момент, потенциал иониза­
ции, также дают ценную информацию о строении молекул. □
КОВАЛЕНТНУЮ СВЯЗЬ можно считать наиболее общим
типом химической связи, а ионную и металлическую —
предельными ее случаями, хотя и обладающими определен­
ной спецификой. Поэтому подроб­
но рассмотрим ковалентный тип
связи. Существуют две основные
современные модели (теории),
объясняющие образование кова­
лентной связи — метод валентных
связей и метод молекулярных ор­
биталей. Обе эти модели основаны на квантово-механиче­
ских представлениях, однако метод валентных связей бо­
лее нагляден и прост.
Метод валентных связей позволяет объяснить геометриче­
ское строение молекул и сравнивать их прочность. Чтобы
понять, как это делается, рассмотрим, как в рамках этой мо­
дели описывается: а) образование связи; б) направление
связи в пространстве и в) оценивается прочность связи.
Информацию о строении
молекул можно получить,
исследуя спектры погло­
щения или испускания.
Спектры молекул значи­
тельно сложнее спектров
атомов и состоят не из от­
дельных линий, а из по­
лос.
Сложность спектра обу­
словлена тем, что в моле­
кулах, кроме движения
электронов, происходят
колебательные движения
ядер относительно друг
друга и вращательное
движение молекулы как
целого. Этим трем видам
движения (переходам)
молекул соответствуют
электронный, колеба­
тельный и вращательный
спектры, так как энергии
всех трех переходов из­
меняются не непрерывно,
а порциями - квантами.
Эти энергии сильно отли­
чаются друг от друга. □
(3 Y S i
I I I— I— I— f T — I— I— I— I I I I— r " J ‘‘T "1
650 500 450 400 350 HM