Основные понятия химии

Page 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Конспект лекций по курсу неорганической химии
Для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки
020100 “Химия” и специальностям 020101 “Химия”, 020801 “Экология”,
240306 “Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий
электронной техники”
Нижний Новгород
2012

---

Page 2

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
2
УДК 541.15
ББК 24
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ: Составитель: Сибир-
кин А.А. Конспект лекций по курсу неорганической химии. – Нижний Нов-
город: Нижегородский госуниверситет, 2012. – 32 с.
Рецензент:
В первой части конспекта лекций на современном уровне раскрыва-
ется содержание основных понятий химии, химической термодинамики,
анализируются основные законы химии.
Конспект лекций предназначено для студентов ННГУ, обучающихся
по направлению подготовки 020100 “Химия” и специальностям 020101
“Химия”, 020801 “Экология”, 240306 “Химическая технология монокри-
сталлов, материалов и изделий электронной техники”.
УДК 541.15
ББК 24

---

Page 3

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
3
Основные понятия химии
Атомно-молекулярное учение (М.В.Ломоносов, 1741, Рос-
сия, J.Dalton, 1803 - 1804, 1808, Великобритания). Основные по-
ложения.
1. Вещества состоят из молекул (корпускул, сложных ато-
мов), молекулы состоят из атомов (элементов).
2. Молекулы совершают непрерыеное хаотическое движе-
ние. Между молекулами существуют силы притяжения и оттал-
кивания.
3. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых ато-
мов, молекулы сложных - из разных атомов.
Полное признание атомно-молекулярное учение получило
на Международном съезде химиков в Карлсруэ (Karlsruhe, 1860,
Германия).
Существенным
дополнением
к
атомно-
молекулярному учению является учение о веществах немолеку-
лярного строения.
Атом. В соответствии с классическим представлением атом
- мельчайшая химически неделимая частица вещества. При всей
сложности строения атома в химических превращениях он не
разделяется на составные части.
Классическое определение атома не отражает современного
состояния естествознания по нескольким причинам.
1. Под классическое определение атома попадает любая
элементарная частица (протон, электрон, нейтрон и др.), которая
также не затрагивается при химическом превращении.
2. Существуют многочисленные примеры химических про-
цессов, в которых целостность атома нарушается. Так, при дей-
ствии воды или хлора на натрий образуются ионы натрия Na
+
.
Это означает, что в ходе химического процесса атом расстается с
электроном.
На современном этапе атом следует определить как относи-
тельно устойчивую систему из положительного заряженного ядра
и определенного числа электронов. В случае равенства числа
протонов и электронов атом оказывается электронейтральным, в

---

Page 4

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
4
случае преобладания положительных зарядов в ядре имеют дело
с атомарным катионом, в случае избытка электронов в оболочке -
с атомарным анионом. Устойчивость атомной системы означает,
что атомное ядро и электроны в составе атома обладают более
низкой энергией, чем находясь изолировано. Относительность
устойчивости означает, что для разрушения атома на указанные в
определении его составные части требуется подвести конечного
количество энергии. Достоинства такого определения.
1. В учении о строении вещества нейтральные атомы и ато-
марные ионы могут быть обсуждены с одинаковых позиций.
2. Принятие такого определения позволяет достичь строго-
сти и избежать затруднений при изложении химических знаний.
Не требуется уточнять, атомы или ионы натрия находятся в узлах
кристаллической решетки хлорида натрия или в растворе гидро-
ксида натрия. Не требуется уточнять, атомы или ионы натрия или
любого другого химического элемента ответственны за появле-
ние эмиссионного спектра вещества.
Ядро является относительно массивной частью атома и за-
нимает весьма малый объем в его центре. Электронная оболочка
вносит небольшой вклад в массу атома, но фактически определя-
ет его размер и объем. Атомное ядро состоит из протонов и ней-
тронов. Сумма числа протонов Z и нейтронов N называется мас-
совым числом A. Протон, нейтрон и электрон являются элемен-
тарными частицами (табл. 1).
Табл. 1. Свойства важнейших элементарных частиц
Частица
Масса, кг
Заряд, Кл
Протон
1.6726
.
10
-27
+ 1.602
.
10
-19
Нейтрон
1.6750
.
10
-27
Электрон
9.1095
.
10
-31
- 1.602
.
10
-19
Заряды протона равны, но противоположны по знаку. Вы-
бор знака заряда условный, так как нет физических оснований
для их различия, кроме отношения друг к другу. Химические
свойства атомов определяются строением их электронных оболо-
чек.

---

Page 5

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
5
Изотопы. Изотопами называют атомы, имеющие одинако-
вое число протонов Z, но различное число нейтронов N, а значит,
и массовое число A. Одинаковое строение электронных оболочек,
являющееся следствием постоянства Z для различных изотопов,
обусловливает одинаковые химические свойства изотопов и
близкие их физические свойства.
Химический элемент. Химический элемент есть совокуп-
ность атомов с одинаковым зарядом ядра. Химический элемент
образован изотопами с разными массовыми числами. Изотопный
состав элемента в химических превращениях не изменяется.
Молекула. В классической химии под молекулой понима-
ют наименьшую частицу вещества, сохраняющую его химиче-
ские свойства. Состав молекулы отражается молекулярной фор-
мулой. Химические свойства вещества определяются составом
молекулы и ее строением. Физические свойства вещества (плот-
ность, вязкость, температуры плавления и кипения) определяют-
ся в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, и лишь
косвенно природой отдельной молекулы.
В современной химии под молекулой понимают относи-
тельно устойчивую систему из нескольких атомных ядер и опре-
деленного числа электронов. Такое определение согласуется с
современным определением атома (см. выше). Под такое опреде-
ление молекулы попадают свободные радикалы (частицы с не-
спаренными электронами) и молекулярные ионы (частицы, в ко-
торых общий заряд ядер не равен числу электронов).
Формульная единица. Для многих веществ нельзя выде-
лить молекулу как мельчайшего представителя вещества. Для та-
ких веществ взаимодействие атомов охватывает все вещество це-
ликом, различия между внутримолекулярным и межмолекуляр-
ным взаимодействием отсутствуют. Для характеристики веществ
немолекулярного строения достаточно указать соотношение ато-
мов или атомных групп в веществе записью формульной едини-
цы.

---

Page 6

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
6
Масса атомов и молекул. Моль. Молярная масса
Моль. Постоянная Авогадро. Моль является основной
единицей Международной системы единиц СИ. Моль вещества –
это такое его количество, которое содержит столько же структур-
ных единиц (атомов, молекул, атомарных и молекулярных ионов,
свободных радикалов, формульных единиц), сколько атомов со-
держит 12 г (точно) изотопа углерода с массовым числом 12.
Число частиц в 1 моль вещества выражает постоянная Аво-
гадро (названа в честь итальянского химика А.Авогадро):
N
A
= 6.022045
.
10
23
1 / моль.
Постоянная Авогадро представляет собой фундаментальную
физическую константу. Ее размерность вытекает из физического
смысла.
Здесь и далее значения фундаментальных физических кон-
стант приводятся по источнику: Recommended Consistant Values
of Fundamental Physics Constants. 1973 // Успехи физ. наук.-
1975.- Т. 115, вып. 4.- С. 623.
Количество вещества. Для удобства выражения очень
большого числа частиц в обычно рассматриваемых образцах
применяют понятие количества вещества, которое определяется
отношением числа частиц N к постоянной Авогадро N
A
:
A
N
N
n =
. (1)
Замечание. Количество вещества определяется исключи-
тельно числом частиц вещества, но не их природой, массой или
каким-либо другим свойством.
Молярная и атомная массы. Пусть m
0
- масса отдельной
частицы вещества. Тогда масса 1 моль вещества составляет
A
N
m
M
⋅
=
0
.

---

Page 7

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
7
Определенная таким образом величина называется молярной
массой.
Принимая во внимание, что масса вещества, состоящая из
произвольного числа N частиц, составляет
N
m
m
⋅
=
0
,
из определения количества вещества (1) получаем важное соот-
ношение:
M
m
n =
. (2)
Если отдельная частица состоит из нескольких атомов вида
i массой m
0i
каждый, то
∑
∑
=
=
=
=
=
n
i
i
n
i
A
i
A
A
N
m
N
m
M
1
1
0
0
,
где A
i
= m
0i
N
A
- молярная масса атома вида i.
Замечания. 1. Молярная масса вещества представляет сумму
молярных масс атомов, входящих в его состав.
2. Понятие молярной массы может быть распространено на
элементарные частицы, изотопы и их смеси. Понятия моля и мо-
лярной массы не применяют по отношению к частицам надмоле-
кулярного уровня (капли, песчинки, исчисляемые предметы и
прочее).
3. Понятие молярной массы атома распространяют на хи-
мический элемент, состоящий из нескольких изотопов. Исходя из
средних значений масс атомов в смеси природного (естественно-
го) изотопного состава, приходят к значению молярной массы
атомов химического элемента, которую называют атомной мас-
сой. Значения атомной массы элемента (в граммах на моль) при-
водятся в периодической системе химических элементов.
4. Первая таблица атомных масс 5 элементов составлена
Д.Дальтоном (D.Dalton, 1803, Англия). В 1807 – 1818 годах
И.Я.Берцелиус (J.J.Berzellius, Швеция) определил атомные массы
еще 45 химических элементов и создал систему атомных масс.

---

Page 8

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
8
Молярный объем. Молярным объемом вещества называет-
ся отношение объема вещества к количеству вещества:
n
V
V
m
= .
Принимая во внимание определение плотности
V
m
=
ρ
и молярной массы (2), получаем важное соотношение:
ρ
ρ
M
m
M
m
n
V
V
m
=
=
=
.
Таким образом, наряду с молярной массой и плотностью
молярный объем является характеристикой вещества. Понятие
молярного объема применимо для всех агрегатных состояний, и
для каждого вещества эта величина имеет определенное значе-
ние. Однако для идеальных газов в дальнейшем будет показано,
что молярный объем не зависит от природы газа и определяется
только условиями измерения.
Атомная единица массы. Атомной единицей массы (а.е.м.)
называется 1/12 часть массы атома углерода с массовым числом
12. Ее эквивалент в традиционно применяемых единицах массы
связан со значением постоянной Авогадро:
( )
( )
=
=
=
A
N
C
M
C
m
м
еа
12
12
0
12
1
12
1
..
.
1
кг
моль
моль
г
27
23
10
6605655
.1
/1
10
022045
.6
/
12
12
1
−
⋅
=
⋅
=
Относительная атомная и относительная молекулярная
массы. Относительной атомной массой A
r
называется отношение
средней массы атомов естественного (природного) изотопного
состава к 1/12 части массы атома углерода с массовым числом

---

Page 9

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
9
12. Относительной молекулярной массой M
r
называется отноше-
ние средней массы молекулы или формульной единицы к 1/12
части массы атома углерода с массовым числом 12:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
моль
г
X
M
моль
г
X
M
C
M
N
N
X
M
м
еа
X
m
X
M
A
A
r
/
1
/
12
12
12
..
.
1
12
0
=
=
=
=
.
Т.о., относительная атомная (молекулярная) масса численно
равна атомной (молярной) массе, выраженной в граммах на моль.

---

Page 10

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
10
Учение об индивидуальных веществах
Химический индивид. Это главный объект изучения хи-
мии, одна из форм существования атомов, тот способ, которыми
атомы являются нам. Химический индивид есть однородное ве-
щество определенного состава и характерного строения. Химиче-
ские индивиды могут обладать как молекулярным, так и немоле-
кулярным строением. Рассмотрим три качества химического ин-
дивида применительно к этим представителям химических инди-
видов.
Однородность вещества и понятие фазы. Однородность
вещества проявляется в постоянстве физических свойств (твер-
дости, плотности, вязкости, тепло- и электропроводности, пока-
зателя преломления, светопропускания) по всему объему вещест-
ва. Такое постоянство достигается за счет равномерного распре-
деления атомов по объему вещества. Такой однородный объект
обозначают понятием фазы. На границе раздела фаз указанные
свойства изменяются скачкообразно, благодаря чему граница
раздела фаз имеет физические признаки. По причине отличия оп-
тических свойств граница раздела фаз может быть видимой. Если
однофазный образец измельчить, то, несмотря на наличие не-
скольких мелких частиц, число фаз сохранится, причем вся сово-
купность этих мелких частиц и будет являться той самой фазой.
Характерное строение. Под строением понимается геомет-
рическое расположение атомов в веществе, характер связи между
ними и взаимное влияние друг на друга. Понятие строения для
вещества молекулярного строения предполагает указание на чис-
ло и порядок соединения атомов, а также их взаимное влияние
друг на друга. Для веществ немолекулярного строения отражают
кристаллохимическое строение, включающее расположение ато-
мов в кристаллической решетке.
Если состав твердых веществ одинаков, но кристаллохими-
ческое строение различно, то говорят о различных веществах, яв-
ляющихся полиморфными модификациями данного состава. Яв-

---

Page 11

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
11
ление полиморфизма характерно и для простых, и для сложных
веществ.
Пример 1. Алмаз и графит - две полиморфные модификации
простого вещества углерода.
Пример 2. Сфалерит и вюртцит - полиморфные модифика-
ции сульфида цинка ZnS.
Некоторые однородные системы (фазы) можно построить из
нескольких химических индивидов, причем каждый из компо-
нентов при этом сохраняет свою природу. Такая система являет-
ся раствором, а не химическим индивидом, поскольку при сме-
шивании разнородных атомных агрегатов не появляется качест-
венно нового строения, характерного для химического индивида.
Определенность состава и закон постоянства состава.
Для веществ молекулярного строения состав вещества определя-
ется составом молекулы. Для таких веществ характерно постоян-
ство состава, т.е. независимость состава вещества от способа его
получения (Ж.Л.Пруст, J.L.Proust, Франция, 1799 – 1806). Экспе-
риментальная
проверка
утверждения
принадлежит
И.Я.Берцелиусу (J.J.Berzellius, Швеция, 1810 – 1816).
Распространено положение о том, что состав вещества точ-
но соответствует составу молекулы. Это утверждение не спра-
ведливо для полимеров, содержащих макромолекулы различной
длины и, следовательно, состава. Состав полимера соответствует
среднему составу молекул. Более того, нет достаточных основа-
ний считать полимер индивидуальным веществом, что позволяет
снять проблему.
Состав веществ немолекулярного строения может изменять-
ся в определенных пределах, сохраняя при этом однородность.
Интервал составов, в котором сохраняется однородность и кото-
рый отвечает определенному строению, называется областью го-
могенности. Вещества с узкой областью гомогенности прибли-
жаются к веществам постоянного состава. Так, в оксиде титана
TiO на каждый атом титана может приходиться от 0.58 до
1.33 атома кислорода при сохранении характерного строения.
Это - представитель химического индивида переменного состава.
В сульфиде свинца PbS на каждый атом свинца может прихо-

---

Page 12

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
12
диться от 0.9995 до 1.0005 атомов серы. По причине столь узкой
области гомогенности сульфид свинца имеет практически посто-
янный состав.
Закон кратных отношений. Если два элемента образуют
несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся
на одну и ту же массу другого элемента в этих соединениях, от-
носятся между собой как небольшие целые числа (Д.Дальтон,
J.Dalton, Англия, 1804). Экспериментальная проверка утвержде-
ния принадлежит И.Я.Берцелиусу (J.J.Berzellius, Швеция, 1810 –
1816).
Для веществ молекулярного строения закон в основном со-
блюдается. Так, для соединений NO и NO
2
на 14 г азота прихо-
дится соответственно 16 г и 32 г кислорода, и эти массы относят-
ся как небольшие целые числа (1 : 2). Для эйкозана C
20
H
42
и эй-
козена C
20
H
40
на 240 г углерода приходится 42 г и 40 г водорода
соответственно. Отношение масс водорода 21 : 20, следуя духу
закона кратных отношений, приходится признать отношением
небольших целых чисел.
Для веществ немолекулярного строения соответствующего
отношения небольших целых чисел не удается получить. Для та-
ких веществ в пределах области гомогенности имеет место не-
прерывное изменение отношения масс атомов, что согласуется с
фактом переменного состава таких веществ.
Химический индивид и чистое вещество. Эти понятия
нетождественны. Реальный химический индивид обычно содер-
жит примеси. В том случае если содержание примесей находится
на достаточно низком уровне и в контексте сообщения фактом их
наличия и количественным содержанием можно пренебречь, то
вещество считают индивидуальным и применяют понятие хими-
ческого индивида.
Понятие чистого вещества применяют для того, чтобы при-
знать факт содержания примесей и одновременно отметить их
низкое содержание.

---

Page 13

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
13
Сложное вещество и химическое соединение. Иногда эти
словосочетания употребляют как синонимы, что неточно. Так,
простые вещества кислород и озон можно с полным основанием
считать химическими соединениями атомов. Молекулы хлора и
хлороводорода также являются химическими соединениями ато-
мов, но первое из них является простым, а второе – сложным.
Простое вещество и химический элемент. Это сущест-
венно разные понятия. Простое вещество, как, между прочим, и
сложное, является формой существования химического элемента.
Путаница возникает, если название простого вещества совпадает
с названием химического элемента, т.е. по причине омонимично-
сти названий.
Пример 1. Газообразный гелий есть простое вещество, а не
химический элемент, даже несмотря на то, что его молекула од-
ноатомна. В газообразном гелии представлены одноатомные мо-
лекулы, а не отдельные атомы.
Пример 2. В молекулы простых веществ кислорода и озона
входят атомы химического элемента кислорода.
Пример 3. Кристаллические решетки простых веществ ал-
маза и графита построены из атомов химического элемента угле-
рода. При сгорании алмаза и графита образуется диоксид углеро-
да, а не диоксид алмаза или диоксид графита. Здесь путаница не
возникает, поскольку простые вещества и химический элемент
называются по-разному.
Пример 4. Бессмысленно спрашивать, какой фосфор – бе-
лый или красный – входит в состав фосфорной кислоты. В соста-
ве фосфорной кислоты находится химический элемент фосфор.
Для обозначения двух простых веществ химического элемента
фосфора применяют тривиальные названия белый фосфор и
красный фосфор.
Пример 5. Бессмысленно спрашивать, какое железо – двух-
или трехвалентное – содержат гвозди. Гвозди изготовлены из
простого вещества железа. Понятие валентности употребляется
для характеристики химического элемента железа.

---

Page 14

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
14
Аллотропия. Аллотропия есть способность химического
элемента образовывать несколько простых веществ. Аллотроп-
ными модификациями химического элемента можно назвать
только простые вещества, состоящие из одного вида атомов. Ес-
ли аллотропные модификации элемента являются твердыми ве-
ществами с характерным кристаллохимическим строением, то их
существование одновременно есть пример полиморфизма.
Пример 1. Кислород и озон – две аллотропные модифика-
ции химического элемента кислорода. Они не являются поли-
морфными модификациями простого вещества кислорода, по-
скольку являются веществами молекулярной природы, характе-
ризуются в первую очередь молекулярным строением, а не спо-
собом построения кристаллической решетки из таких молекул.
Пример 2. Алмаз и графит – две аллотропные модификации
химического элемента углерода и две полиморфные модифика-
ции простого вещества углерода.
Литература.
1. Черняев Н.П., Гурьев И.А. Введение в терминологию фи-
зичесмкой и аналитической химии: Учеб. пособие.- Нижний Нов-
город: ННГУ, 1993.- 158 с.
2. Степин Б.Д. Применение Международной системы еди-
ниц физических величин в химии: Практич. пособие.- М.: Выс-
шая школа, 1990.- 96 с.
3. Стандарт СЭВ СТ СЭВ 1052 - 78. Метрология. Единицы
физических величин.- М.: Изд-во стандартов, 1979.- 39 с.
4. ГОСТ 8.417 - 81. Единицы физических величин.- М.: Изд-
во стандартов, 1982.
5. Международный стандарт ИСО 31 / 8. Величины и еди-
ницы физической химии и молекулярной физики. Рег. № ИСО 31
/ 8 - 80.- М.: Изд-во стандартов, 1984.

---

Page 15

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
15
Химическая символика и номенклатура
Система современной химической символики берет свое
начало с работ И.Я.Берцелиуса (J.J.Berzellius, Швеция, в 1813 –
1814 годах предложена система символов, в 1817 – 1830 годах
разработаны способы построения химических формул).
Химические элементы обозначают одной или двумя латин-
скими буквами. Символы химических элементов приводятся в
периодической системе химических элементов: H, He, Li, Be, B и
т.д. Формулы веществ составляются из символов химических
элементов.
Массовое число A изотопа указывается надстрочным индек-
сом слева, атомный номер Z - подстрочным индексом слева. На-
пример,
1
1
H,
2
1
D,
3
1
T,
3
2
He,
4
2
He и т.д. Атомный номер можно не
указывать, так как он однозначно соответствует символу элемен-
та.
Скобки (круглые, квадратные, фигурные) объединяют ато-
мы в группу. Квадратные скобки заключают внутреннюю сферу
комплексного иона.
Стехиометрический индекс (нижний подстрочный) указы-
вает число атомов или атомных групп в молекуле или формуль-
ной единице: H
2
O (два атома водорода в молекуле воды),
CH
3
(CH
2
)
3
CH
3
(три метиленовые группы в молекуле пентана),
Fe
2
(SO
4
)
3
(два атома железа и три сульфат-иона в формульной
единице сульфата железа (III)).
Стехиометрический коэффициент ставится перед формулой
и обозначает число атомов или атомных групп: 2H (два атома во-
дорода), 7H
2
O
2
(семь молекул пероксида водорода), 5CaSO
4
(пять
формульных единиц сульфата кальция).
Точка около символа обозначает наличие неспаренного
электрона. Черта около символа обозначает неподеленную элек-
тронную пару на атоме, черта между символами – ковалентную
связь, две или три черты между символами – двойную или трой-
ную ковалентные связи. Стрелка разделяет исходные вещества и
продукты реакции, две противоположно направленные стрелки
указывают на обратимую реакцию, двунаправленная стрелка свя-
зывает резонансные структуры.

---

Page 16

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
16
Знаки плюс и минус соединяют формулы участников реак-
ции, Знаки плюс и минус с последующей арабской цифрой над
символом указывают степень окисления элемента. Знаки плюс и
минус, обведенные в кружок и указанные после арабской цифры
в надстрочном индексе справа, указывают на заряд иона.
Номенклатура неорганических соединений. Номенклату-
ра – это раздел химии, отражающий средствами языка содержа-
ние химических формул. Номенклатура претендует на однознач-
ное соответствие формулы и названия вещества. Может оказать-
ся, что одна и та же формула имеет несколько названий. В этом
случае говорят о применении правил различных номенклатур.
Тривиальное название (имеется только у части веществ) не
претендует на раскрытие строения вещества, а отражает способ
получения (гашеная известь), область применения (титановые
белила), источник вещества (купоросное масло) или какое-либо
его свойство (едкий натр).
Систематическое название передает состав и может отра-
жать строение вещества. Оно получается по определенным пра-
вилам, учитывающим традиции языка.
Пример. Соединение Na
2
CO
3
может быть названо кальци-
нированная сода (тривиальное название) или карбонат натрия
(систематическое название) или триоксокарбонат динатрия (дру-
гое систематическое название).
Рассмотрим некоторые способы названий соединений, пред-
ложенные к настоящему времени.
Простые вещества называют, исходя из русского названия
химического элемента, при необходимости добавляя греческое
числительное (кислород = дикислород, озон = трикислород). По-
лиморфные модификации обозначают греческими буквами, на-
чиная с низкотемпературной (альфа-олово = серое олово, бета-
олово = белое олово).
Название одноэлементного катиона формируется от русско-
го названия элемента (катион меди (II), катион диртути (II)). Ука-

---

Page 17

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
17
зание на валентность или степень окисления римской цифрой в
скобках предложено А.Штоком (A.Stock, 1926).
Многоэлементные катионы содержат в своем названии суф-
фиксы -оний (аммоний, тетраметиламмоний, гидроксоний, гид-
роксиламмоний) или -ил (титанил, тионил, сульфурил, хромил),
или указание на ковалентно связанные атомы в его составе (ди-
оксованадий (V), гексааквахром (III), тетраамминмедь (II)).
Названия анионов формируются от латинского названия
элемента. Названия одноэлементных анионов оканчиваются суф-
фиксом -ид, могут содержать греческое числительное и указание
на заряд иона (хлорид-ион, тетрасульфид(2-)-ион).
В названии многоэлементного аниона указывают число и
природу ковалентно связанных атомов и добавляют суффикс -ат
(карбонат, триоксокарбонат(IV), тритиокарбонат(IV), но: тетраи-
одомеркурат (II), гексагидроксоантимонат (V), тетрацианокадио-
нат (II), иногда тетрагидроксоглицинат (II)).
В названии сложного соединения традициям русского языка
соответствует указание сначала отрицательно заряженной части
вещества, а далее – положительной (хлорид натрия, хлорид желе-
за (III) = трихлорид железа, декаоксид тетрафосфора, тетраоксид
диалюминия-магния,
тетраоксофосфат
диводорода-
калия = дигидрофосфат калия = калий фосфорнокислый одноза-
мещенный, диоксодихлорид серы, тетрагидроборат натрия).
В названиях кислот степень окисления элемента удается от-
разить суффиксом, а число атомов водорода – приставкой (хлор-
ная, хлорноватая, хлористая, хлорноватистая кислоты, ортофос-
форная, пирофосфорная, метафосфорная кислоты). Более пра-
вильно приставку указывать не у названия кислотообразующего
атома, а присоединять ее к слову «кислота»: теллуровая ортокис-
лота. Применение приставок и суффиксов используется и в на-
званиях солей (перхлорат, хлорат, хлорит, гипохлорит-ионы).

---

Page 18

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
18
Названия гидридов оканчивается суффиксом -ан и могут
содержать греческое числительное (силан, нонагидропентабо-
ран).
Названия интерметаллических соединений образуются от
русских названий металлов с применением греческих числитель-
ных (димагний-медь).
Кристаллогидраты, карбонилы и аддукты называют с указа-
нием числа молекул в формульной единице (пентагидрат тетра-
оксосульфата меди, октакарбонил дикобальта, карбонат натрия -
пероксид водорода 2/3).
Литература.
1. Номенклатурные правила ИЮПАК по химии. - М.:
ВИНИТИ, 1979 - 1988.
Т. 1, полутом 1, 2.- 1979.
Т. 4, 5.- 1985.
Т. 6.- 1988.
2. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л., Цветков А.А.
Основы номенклатуры неорганических веществ / Под ред.
Б.Д.Степина.- М.: Химия, 1983.- 112 с. илл.
3. Свойства неорганических соединений. Справочник /
А.И.Ефимов, Л.П.Белорукова, И.В.Василькова, В.П.Чечев.- Л.:
Химия, 1983.- 392 с.

---

Page 19

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
19
Основные понятия физической химии
Понятие системы. Весь реальный (физический) мир может
быть разделен на две части – систему и окружающую среду, при-
чем эта граница может быть реальной (физической) или мыслен-
ной (условной). Система представляет собой тело или группу тел,
выделенных из окружающей среды. Например, это баллон с га-
зом, склянка с жидкостью и паром над ней, калориметр, гальва-
нический элемент и т. д.
Система как макроскопическое тело должна состоять из
множества мелких частиц (микроскопических тел – атомов, мо-
лекул, ионов), чтобы можно было оперировать с понятиями дав-
ления, температуры, теплоты, проявляющимися через взаимо-
действие микроскопических частиц.
В ряде рассуждений рассматривают не одну, а несколько
систем. Иногда полезно разделить систему на несколько подсис-
тем, если к каждой из них применимо понятие системы.
В основу классификации систем могут быть положены ха-
рактер взаимодействия системы с другими системами и окру-
жающей средой и число фаз в системе.
Открытые, закрытые и изолированные системы. От-
крытой называется система, которая обменивается с окружаю-
щей средой веществом и энергией. Например, открытый стакан с
водным раствором сульфата натрия или отопительная батарея в
комнате.
Закрытой (замкнутой) называют систему, которая может
обмениваться с окружающей средой только энергией, но не ве-
ществом. Например, закрытая бутылка с водой или газ в цилинд-
ре с плотно притертым перемещающимся поршнем. Энергия за-
крытой системы может изменяться путем теплопередачи или со-
вершения работы.
Изолированной называется система, которая не обменивает-
ся с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Например,
несжимаемый теплоизолированный закрытый сосуд с водой. По-
нятие изолированной системы является в определенной мере
идеализированным.

---

Page 20

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
20
Гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной явля-
ется система, представленная одной фазой. В гомогенной системе
ее физические свойства изменяются от точки к точке непрерыв-
но, а если фаза равновесная, то эти свойства постоянны во всем
объеме системы. Например, газ в баллоне.
Гетерогенной называется система, содержащая несколько
фаз. На границе раздела фаз физические свойства вещества изме-
няются скачкообразно. Граница раздела физически определенна
и обычно видима. Например, сосуд с двумя несмешивающимися
жидкостями бензолом и водой.
Состояние системы и параметры состояния. Состояние
системы определяется совокупностью физических величин, ко-
торые называются параметрами состояния. К ним относятся при-
рода и количества веществ в системе, концентрации веществ,
объем, давление, температура, внутренняя энергия и другие.
Стационарное и равновесное состояние системы. Неиз-
менное во времени в данной точке состояние системы, которое
поддерживается за счет изменений в окружающей среде, называ-
ется стационарным. Например, батарея отопления (открытая сис-
тема). Температура воды в данной точке постоянна во времени,
но на входе в батарею она выше, а на выходе – ниже за счет теп-
лопередачи в помещение. Или оставленная без присмотра вклю-
ченная электрическая плитка (закрытая система). Температура
различных деталей плитки оказывается не одинаковой, но неиз-
менной во времени, поскольку количество теплоты, рассеивае-
мой в пространство, равно энергии потребленного электрическо-
го тока.
Неизменное во времени в данной точке состояние системы,
которое сохраняется при отсутствии изменений в окружающей
среде, называется равновесным. С течением времени внутри сис-
темы за счет процессов диффузии, теплопроводности и течения
во всех точках равновесной системы значения параметров со-
стояния выравниваются. Термин обычно применяется к закры-

---

Page 21

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
21
тым системам. Например, закрытый сосуд с водой, длительное
время находящийся в помещении.
Процессы в системе и их классификация. Если какой-
либо параметр состояния системы изменяется, то это означает
протекание процесса в системе. Например, при охлаждении разо-
гретой воды в чайнике уменьшается ее температура.
Удобна классификация процессов по признаку сохранения
постоянным какого-либо ее параметра состояния. Изобарный
процесс протекает при постоянном давлении, изохорный – при
постоянном объеме, изотермический – при постоянной темпера-
туре, адиабатический – при отсутствии теплообмена с окружаю-
щей средой (или при неизменной энтропии), политропический –
при неизменной теплоемкости системы.
Другой признак классификации – необходимость участия
окружающей среды для осуществления процесса. Самопроиз-
вольный процесс протекает без участия окружающей среды. На-
пример, теплопередача от тела с более высокой температурой к
телу с более низкой температурой, смешивание газообразных или
жидких компонентов раствора. Несамопроизвольный процесс
протекает только за счет воздействия окружающей среды, на-
пример, разделение компонентов раствора перегонкой, охлажде-
ние морозильной камеры холодильника.
Если система изолированная, то в ней возможны только са-
мопроизвольные процессы. Их результатом явится установление
в системе стационарного состояния.

---

Page 22

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
22
Понятие компонента. Условие материального баланса
Понятие компонента. Под компонентом (составляющим
веществом системы) понимают индивидуальное вещество, яв-
ляющееся частью системы. Для характеристики состава много-
компонентных систем применяют понятие концентрации. В на-
стоящее время наибольшее распространение получили следую-
щие способы выражения состава смесей.
Способы выражения состава смесей. Массовой долей
компонента в смеси называется отношение массы этого компо-
нента к массе смеси. Эта величина безразмерна и изменяется в
пределах от 0 до 1.
р
m
m
=
ω
или
%
100
m
m
р
⋅
=
ω
.
Молярной долей компонента в смеси называется отношение
количества вещества этого компонента к количеству вещества
смеси. Эта величина также безразмерна и изменяется в пределах
от 0 до 1.
р
x
ν
ν
=
или
%
100
x
р
⋅
=
ν
ν
.
Молярной концентрацией, или молярностью, называется
отношение количества вещества растворенного вещества к объе-
му раствора. Молярность раствора имеет размерность моль/л
(обычно обозначается М) или иную, производимую от нее.
р
V
C
ν
=
.
Моляльной (мольно-массовой) концентрацией, или моляль-
ностью, называется отношение количества вещества растворен-
ного вещества к массе растворителя. Моляльность раствора име-
ет размерность моль/кг или иную, производимую от нее.

---

Page 23

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
23
ля
р
m
C
−
=
ν
µ
.
Титром называется отношение массы растворенного веще-
ства к объему раствора. Титр раствора имеет размерность г/л или
иную, производимую от нее.
р
V
m
T =
.
Содержание вещества в насыщенном растворе выражают
растворимостью, которая равна массе вещества, приходящейся
на 100 г растворителя в насыщенном растворе. Рассмотрим
s + 100 г раствора. Тогда масса вещества в нем равна s, а значит,
массовая доля вещества составляет
100
s
s
+
=
ω
.
Другие способы выражения концентрации (объемная доля,
эквивалентная концентрация) рассматриваются в следующих
разделах курса.
Условие материального баланса. Представим физический
или физико-химический процесс как превращение одной сово-
купности систем (или подсистем) в другую. Условие материаль-
ного баланса отражает утверждение о равенстве масс каждого из
компонентов (составляющих веществ) в исходной и конечной
совокупностях систем (или подсистем). Теоретической основой
условия материального баланса является закон сохранения массы
веществ (М.В.Ломоносов, 1741, Россия, A.L.Lavoisier, 1792,
Франция).
Для практического применения условия материального ба-
ланса необходимо выразить массы составляющих веществ в каж-
дой из систем (подсистем), основываясь на содержании конкрет-
ной задачи. Так, если система (подсистема) представлена инди-
видуальным веществом, то массу можно выразить одним из сле-
дующих способов:

---

Page 24

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
24
N
m
V
M
N
N
M
n
m
A
0
=
=
=
=
ρ
.
Для растворенного вещества выбор способа выражения мас-
сы определяется способом выражения его концентрации:
m
100
s
s
V
T
M
m
C
M
V
C
M
n
x
V
m
m
ля
р
+
=
=
=
=
=
=
=
−
µ
ρ
ω
ω
.
Массу растворителя в растворе следует выразить через те
же переменные:
(
)
(
)
(
)
=
−
=
−
=
−
=
M
n
x
V
m
m
1
1
1
ρ
ω
ω
m
100
s
V
T
V
m
M
V
C
V
ля
р
+
=
−
=
=
−
=
−
100
ρ
ρ
.
В результате применения условия материального баланса
появляется система уравнений. Число уравнений в ней равно
числу веществ в системе. Решение такой системы уравнений по-
зволяет вычислить значения такого же числа неизвестных, сколь-
ко уравнений было в системе.
Пример 1. Получите математическое выражение, связы-
вающее молярную концентрацию и массовую долю компонента.
Решение.
Рассмотрим одинаковые количества двух растворов, имею-
щих равные концентрации, выраженные различными способами.
Масса растворенного вещества в них равны. Поэтому
M
V
C
V =
ρ
ω
,
откуда после сокращения на объем раствора

---

Page 25

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
25
ρ
ω
M
C
=
.
Пример 2. К 250 г воды добавлено 50 мл 48 % (масс.) рас-
твора серной кислоты плотностью 1.38 г/мл. Рассчитайте массо-
вую долю серной кислоты в полученном растворе.
Решение. Пусть 1 – исходная вода, 2 – исходный раствор
серной кислоты, 3 – полученный раствор серной кислоты. Пред-
ставим графически исходную и конечную совокупности систем:
Условие материального баланса приводит к системе из
двух уравнений:
H
2
SO
4
=
2
2
2
V
ρ
ω
3
3
m
ω
H
2
O
+
1
m
(
)
=
−
2
2
2
1
V
ρ
ω
(
)
3
3
1
m
ω
−
Эта система уравнений содержит два неизвестных – ω
3
и m
3
.
Ее решение существует, причем первое из неизвестных является
искомой величиной в задаче. Почленное деление второго уравне-
ния на первое позволяет исключить переменную m
3
и получить
уравнение с одной неизвестной ω
3
:
(
)
3
3
2
2
2
2
2
2
1
1
1
ω
ω
ρ
ω
ρ
ω
−
=
−
+
V
V
m
.
После подстановки данных условия и выполнения тожде-
ственных преобразований получаем
(
)
63
.8
50
/
38
.1
48
.0
50
/
38
.1
48
.0
1
250
1
3
3
=
⋅
⋅
⋅
⋅
−
+
=
−
мл
мл
г
мл
мл
г
г
ω
ω
,
3
3
63
.8
1
ω
ω =
−
,
104
.0
63
.8
1
1
3
=
+
=
ω
.

---

Page 26

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
26
Ответ: 10.4 %.
В дальнейшем уравнения материального баланса будут до-
полнены другими способами выражения массы, что даст воз-
можность применить этот прием для решения новых классов за-
дач.
Интенсивные и экстенсивные параметры состояния.
Интенсивные параметры состояния не зависят от числа частиц в
системе, они остаются неизменными при рассмотрении части
системы. К ним относятся температура, давление, плотность,
вязкость, показатель преломления, электрическое напряжение,
все виды концентраций, все удельные и молярные величины
(удельная теплоемкость, молярный объем и т. д.).
Экстенсивные величины пропорциональны числу частиц в
системе, они уменьшаются пропорционально рассматриваемой
части (доле) системы. К ним относятся количество вещества,
масса, объем, сила, импульс, энергия, работа, количество тепло-
ты, теплоемкость, энтропия, электрический заряд и т. д.
Интенсивные величины мультипликативны, т.е. их произве-
дение (частное) определено, имеет физический смысл и является
интенсивной величиной. Множество интенсивных величин замк-
нуто относительно операции умножения (деления), например,
ρ
M
V
m
=
.
Экстенсивные величины аддитивны, т.е. их сумма (раз-
ность) определена, имеет физический смысл и является экстен-
сивной величиной. Множество экстенсивных величин замкнуто
относительно операции сложения (вычитания), например,
2
1
m
m
m
+
=
.
Произведение (частное) одной или более интенсивных ве-
личин на экстенсивную является экстенсивной величиной, на-
пример,
V
m
ρ
ω
=
.

---

Page 27

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
27
Отношение экстенсивных величин является интенсивной
величиной, например,
V
m
=
ρ
.
Произведение экстенсивных величин не имеет смысла. Та-
кое произведение может в ряде случаев оказаться частью матема-
тического выражения. Например, в выражении кинетической
энергии через импульс квадрат импульса делится на массу, что
позволяет сократить вторую степень экстенсивной величины в
числителе:
m
p
m
v
m
mv
E
2
2
2
2
2
2
2
=
=
=
.
Сумма интенсивных величин может иметь смысл и являться
интенсивной величиной, если удается представить интенсивную
величину отношением экстенсивных. Это иллюстрируется выво-
дом зависимости молярной массы смеси от ее состава:
2
2
1
1
2
2
1
1
2
1
M
x
M
x
n
M
n
M
n
n
m
m
n
m
M
+
=
+
=
+
=
=
. (3)
Экстенсивная величина может являться однородной функ-
цией первого порядка относительно экстенсивных величин, на-
пример,
2
1
1
1
m
V
m
+
= ρ
ω
.
Расчет интенсивных величин может быть выполнен не толь-
ко при наличии, но и при отсутствии экстенсивных величин. При
необходимости для нахождения интенсивной величины только из
набора интенсивных можно произвольно ограничить экстенсив-
ное свойство, что создает удобства в рассуждениях без ущерба
для их строгости. Так, расчет молярного объема воды можно вы-
полнить по приведенной выше формуле, разделив молярную мас-
су на плотность. Логично также рассмотреть 1 моль воды и за-
ключить, что такое количество имеет массу 18 г и занимает объ-
ем 18 мл.

---

Page 28

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
28
Расчет экстенсивной величины требует обязательного зна-
ния какой-либо другой экстенсивной величины. Так, невозможно
ответить на вопрос, сколько граммов соли содержится в 10 %
растворе, даже указав дополнительно его плотность или темпера-
туру.
В литературных и справочных данных обычно приводятся
интенсивные величины, которые могут быть определены незави-
симо от конкретной ситуации. Так, в справочниках нельзя при-
вести сведения о массе или объеме произвольных веществ, хотя в
них представлены сведения об удельной теплоемкости, плотно-
сти и других интенсивных свойствах и их зависимости друг от
друга, например, давления пара от температуры.

---

Page 29

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
29
Вариантность системы. Правило фаз
Понятие независимого компонента. В том случае если в
системе протекает химическая реакция, то для образования всех
фаз достаточно ввести в систему первоначально меньшее число
веществ, чем их окажется в результате реакции. Наименьшее чис-
ло веществ, достаточное для образования всех фаз системы в их
произвольном количестве, называется числом независимых ком-
понентов системы.
Пример. В системе
CaCO
3
 CaO + CO
2
число независимых компонентов К = 2. В систему достаточно
поместить попарно CaCO
3
, CaO и CO
2
, чтобы образовался третий
компонент. Он окажется зависимым.
Понятие вариантности системы. Вариантность системы
определяется числом параметров состояния, которые можно из-
менять непрерывно в некотором интервале при сохранении
прежнего числа компонентов и прежнего числа фаз. Вариант-
ность иначе называют числом степеней свободы С и рассчиты-
вают из правила фаз
С + Ф = К + П,
где Ф – число фаз, К – число независимых компонентов, П - чис-
ло параметров состояния, воздействие которых на систему мы
рассматриваем в данном рассуждении. Если это температура и
давление, то П = 2. Если только температура, то П = 1.
Диаграмма состояния индивидуального вещества. Диа-
граммой состояния называется совокупность точек плоскости,
координаты которых соответствуют определенному состоянию
системы. Такие точки называются фигуративными.
Рассмотрим простейшую диаграмму состояния – диаграм-
му состояния индивидуального вещества, не претерпевающего
химического изменения. Применим к ней правила фаз.
Во всех точках диаграммы К = 1.

---

Page 30

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
30
Эта диаграмма представляет собой рисунок в координатах
давление – температура, так что число параметров состояния
П = 2.
Фигуративные точки объединяются в три части плоскости
и три линии.
Область 1 отвечает твердому состоянию, область 2 - жид-
кому состоянию, область 3 – газообразному. В каждой из этих
областей Ф = 1 и, согласно правилу фаз, С = 2. Это означает, что
можно изменять одновременно не более двух параметров состоя-
ния, так чтобы сохранить прежние компоненты и фазы. Этими
параметрами состояния являются температура и давление.
Кривая a отделяет области твердого и жидкого состояния и
отвечает их взаимному переходу (плавлению и кристаллизации).
Кривая b, отделяя жидкую и газовую фазы, отражает процессы
испарения и конденсации. Кривая c соответствует процессам воз-
гонки и десублимации, являясь границей между кристаллической
и газовой фазами. На всех этих кривых Ф = 2 и, следовательно,
С = 1. Это означает, что только один параметр состояния (темпе-
ратуру или давление) можно изменять произвольно. Второй па-
раметр нужно изменить в строгом соответствии с изменением
первого, с тем, чтобы снова оказаться на линиях a, b или c и
обеспечить Ф = 2.
Точка O, являющаяся общей для трех кривых и трех полей
диаграммы, называется тройной. В этой точке (при строго задан-
ных температуре и давлении) в системе одновременно присутст-
вуют все три фазы. При Ф = 3 будет выполняться С = 0. Это оз-
начает, что ни один параметр состояния (ни температуру, ни дав-
ление) нельзя изменить так, чтобы сохранить все три фазы.

---

Page 31

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
31
Точка K на диаграмме называется критической. При дав-
лениях выше критического различия между жидкостью и паром
исчезают, и соответствующий фазовый переход отсутствует.
Замечание 1. При P < P
0
жидкая фаза не существует ни при
какой температуре. Нагревание твердого вещества приводит к
возгонке, а охлаждение – к десублимации. При P > P
0
вещество
при нагревании сначала плавится и далее испаряется. При охла-
ждении пар конденсируется, и полученная жидкость кристалли-
зуется.
Замечание 2. Все линии a, b и c на диаграмме наклонны.
Это означает, что фазовые переходы можно осуществить не толь-
ко изменением температуры, но и изменением давления, а также
одновременным изменением обоих этих параметров состояния.
Кривые a, b и c имеют математические выражения, изучаемые в
физической химии.

---

Page 32

© 1993 – 2012 А.А.Сибиркин
32
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Составитель:
Алексей Алексеевич Сибиркин
Конспект лекций по курсу неорганической химии
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Нижегородский государственный
университет им. Н.И. Лобачевского»
603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
Подписано в печать
. Формат 6084 1/16
Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. . Уч-изд. л.
Заказ №
. Тираж 150 экз.
Отпечатано в типографии Нижегородского госуниверситета
им. Н.И. Лобачевского
603600, г. Нижний Новгород, ул. Большая Покровская, 37
Лицензия ПД № 18-0099 от 14.05.01