Химия-в центре наук, Часть 2, Браун Т., Лемей Г.Ю., 1983

Химия-в центре наук, Часть 2, Браун Т., Лемей Г.Ю., 1983.
    Учебное пособие, написанное американскими авторами, знакомит читателя с предметом химии и ее местом в кругу других наук, а также с ролью химии в решении некоторых насущных проблем современного общества. В русском издании книга выходит в двух частях.
Во второй части учебника рассмотрены кинетика и термодинамика химических реакций, электрохимия, ядерная химия, химия неметаллических и металлических элементов, координационных соединений. В нее также вошли главы, посвященные химии природных вод, геохимии и металлургии, органической химии и биохимии.
Книга предназначена для студентов нехимических ВУЗов, а также для преподавателей и учащихся старших классов средней школы как материал для поступления в ВУЗ.
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ.
Из молекулярно-кинетической теории газов нам известно, что при повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул газа возрастает. Тот факт, что скорость реакции перегруппировки метилизонитрила при повышении температуры возрастает, заставляет предположить, что перегруппировка молекул может быть связана с их кинетической энергией. В 1888 г. шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул предположение, что, прежде чем вступить в реакцию, молекулы должны получить некоторое минимальное количество энергии, чтобы перейти из одного химического состояния в другое. Такая ситуация очень напоминает изображенную на рис. 13.6. Валун, находящийся в долине Б, имеет более низкую потенциальную энергию, чем в долине А. Для того чтобы переместиться в долину Б, валун должен получить определенную энергию, необходимую для преодоления барьера, препятствующего переходу из одного состояния в другое. Подобно этому, молекулам может потребоваться некоторое минимальное количество энергии на преодоление сил, удерживающих их в исходном состоянии, - тогда они смогут образовать новые химические связи, создающие другую структуру.
Оглавление
ГЛАВА 13. СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ 5
13.1. Скорость реакции 5
13.2. Зависимость скорости реакции от концентраций 8
13.3. Уравнения скорости, включающие время и концентрации 10
Реакции первого порядка 10
Период полупревращения 13
Реакции второго порядка 14
13.4. Зависимость скорости реакции от температуры 15
Энергия активации 16
Уравнение Аррениуса 18
13.5. Механизмы реакций 20
Многостадийные механизмы 21
13.6. Катализ 25
Гомогенный катализ 26
Гетерогенный катализ 28
Катализ и загрязнение воздуха 29
Материал для повторения 32
Задачи 34
ГЛАВА 14. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ 40
14.1. Процесс Габера 40
14.2. Константа равновесия 41
Единицы измерения концентрации и константы равновесия 46
14.3. Гетерогенные равновесия 48
14.4. Применение констант равновесия 49
Предсказание направления реакции 50
Вычисление равновесных концентраций 51
14.5. Факторы, влияющие на равновесие. Принцип Ле Шателье 52
Изменение концентраций реагентов или продуктов 52
Влияние изменений давления и объема 54
Влияние изменений температуры 54
14.6. Связь между химическим равновесием и химической кинетикой 56
Влияние катализаторов 58
Материал для повторения 60
Задачи 61
ГЛАВА 15. КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ 68
15.1. Вода и растворы кислот 69
Строение гидратированного протона 71
15.2. Теория кислот и оснований Бренстеда-Лаури 73
15.3. Диссоциация воды и шкала рН 75
Водородный показатель рН 76
Индикаторы 78
Другие шкалы рХ 79
15.4. Сильные кислоты и основания 80
15.5. Слабые кислоты 81
Многоосновные кислоты 87
15.6. Слабые основания 89
Амины 90
Анионы слабых кислот 91
15.7. Соотношение между константами Ка и Кь 92
15.8. Кислотно-основные свойства растворов солей 94
15.9. Связь между кислотно-основными свойствами вещества и его химическим строением 96
Влияние полярности и прочности связи 96
Гидроксиды и кислородсодержащие кислоты 97
15.10. Теория кислот и оснований Льюиса 99
Гидролиз ионов металлов 100
Материал для повторения 102
Задачи 104
ГЛАВА 16. РАВНОВЕСИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ 110
16.1. Влияние общего иона ПО
Общие ионы в кислотно-основных реакциях 112
16.2. Буферные растворы 113
Добавление кислот или оснований к буферным растворам 117
16.3. Кривые титрования 119
Титрование сильной кислоты сильным основанием 119
Титрование с участием слабой кислоты или слабого основания 120
16.4. Равновесия при растворении 124
16.5. Критерии осаждения или растворения 127
Растворимость и рН 128
Влияние комплексообразования на растворимость 130
Амфотерность 132
16.6. Качественный анализ на металлические элементы 133
Материал для повторения 136
Задачи 138
ГЛАВА 17. ХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД 143
17.1. Морская вода 144
Химический состав морской воды 145
Диоксид углерода в морской воде 145
Биохимические процессы в морях и океанах 147
17.2. Извлечение сырьевых ресурсов из морской воды 149
Хлорид натрия 149
Бром 149
Магний 150
17.3. Опреснение воды 152
Опреснение путем дистилляции (перегонки) 152
Опреснение воды методом обратного осмоса 154
17.4. Пресная вода 156
Биологическая потребность в кислороде и качество воды 156
Использование воды 157
17.5. Подготовка воды 158
Подготовка водопроводной воды 158
Умягчение воды 159
Обработка сточных вод 160
17.6. Загрязнение воды металлическими элементами 161
Материал для повторения 165
Задачи 167
ГЛАВА 18. СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНТРОПИЯ И РАВНОВЕСИЕ 171
18.1. Самопроизвольные процессы 171
18.2. Самопроизвольные процессы, энтальпия и энтропия 173
Самопроизвольные процессы и изменение энтропии 174
Второй закон термодинамики 177
18.3. Интерпретация энтропии на молекулярном уровне 178
18.4. Вычисление изменений энтропии 182
18.5. Функция свободной энергии 183
Вычисление AG° 185
Свободная энергия и температура 186
18.6. Свободная энергия и константа равновесия 188
AG и работа 190
Материал для повторения 192
Задачи 194
ГЛАВА 19. ЭЛЕКТРОХИМИЯ 199
19.1. Окислительно-восстановительные реакции 199
Полуреакции 200
Уравнивание химических уравнений по методу полуреакций 200
19.2. Гальванические элементы 204
19.3. Электродвижущая сила (э.д.с.) гальванического элемента 207
Стандартные электродные потенциалы 207
Окислители и восстановители 210
19.4. Самопроизвольность и степень протекания окислительно-восстанови
тельных реакций 211
Э.д.с. и изменение свободной энергии 212
Э.д.с. и константа равновесия 214
Э.д.с. и концентрация 214
19.5. Гальванические элементы, применяемые на практике 216
Свинцовая аккумуляторная батарея 217
Сухой элемент 219
Никель-кадмиевые батареи 219
Топливные элементы 219
19.6. Электролиз и электролитические ячейки (электролизеры) 221
Электролиз водных растворов 222
Восстановление алюминия 224
Электролиз с активными электродами 225
19.7. Количественные аспекты электролиза 227
Работа электрического тока 228
19.8. Коррозия 230
Материал для повторения 233
Задачи 236
ГЛАВА 20. ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ 244
20.1. Ядерные реакции 245
20.2. Радиоактивность 246
Типы радиоактивного распада ядер 246
Устойчивость ядра 247
Ряды радиоактивности 251
20.3. Получение новых ядер 251
Трансурановые элементы 253
20.4. Период полураспада 253
Датировка событий при помощи радиоактивных изотопов 255
Расчеты, основанные на периоде полураспада радиоизотопов 256
20.5. Обнаружение радиоактивности 258
Меченые атомы 259
20.6. Взаимопревращения массы и энергии 260
Энергии связи ядер 261
20.7. Эффекты, вызываемые радиоактивным излучением 263
Доза излучения 265
20.8. Ядерное деление 266
Ядерные реакторы 269
Реакторы-размножители 272
20.9. Ядерный синтез 273
Материал для повторения 274
Задачи 276
ГЛАВА 21. ХИМИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 281
21.1. Сравнение металлов и неметаллов 281
Периодические закономерности в свойствах элементов одного семейства 284
21.2. Элементы семейства благородных газов 286
21.3. Элементы семейства галогенов 288
Применение галогенов 291
Галогеноводороды 292
Интергалогенные соединения 295
Кислородсодержащие кислоты и оксианионы галогенов 296
21.4. Общие свойства элементов группы 6А 299
21.5. Кислород 301
Распространенность в природе и способы получения 302
Свойства кислорода и его соединения 303
Применения кислорода 304
Кругооборот кислорода в природе 304
21.6. Сера, селен и теллур 305
Распространенность в природе и способы получения 306
Свойства и применение 308
Оксиды и другие соединения 309
Сульфиды, се лени ды и теллуриды 312
21.7. Общие свойства элементов группы 5А 313
21.8. Азот 315
Соединения азота с водородом 316
Соединения азота с кислородом 317
Кругооборот азота в природе 319
21.9. Фосфор 321
Распространенность в природе, получение и свойства 321
Галогениды фосфора 322
Кислородсодержащие соединения фосфора 323
21.10. Мышьяк, сурьма и висмут 327
21.11. Углерод, кремний и бор 327
Материал для повторения 329
Задачи 332
ГЛАВА 22. ЛИТОСФЕРА: ГЕОХИМИЯ И МЕТАЛЛУРГИЯ 337
22.1. Строение и состав Земли 337
22.2. Минералы 340
22.3. Силикаты 341
Алюмосиликаты 345
Глина 346
Стекло 347
Цемент 348
22.4. Несиликатные минералы 349
Карбонат кальция 349
22.5. Кристаллическая структура минералов 351
22.6. Металлургия 354
Предварительная обработка 355
Восстановление 356
Рафинирование 358
22.7. Электронное строение и физические свойства металлов 360
Сплавы 363
Материал для повторения 365
Задачи 367
ГЛАВА 23. ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ: КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 370
23.1. Структура комплексов 370
Координационное число и геометрическая структура 372
23.2. Хелаты 373
Металлы и хелаты в биологических системах 375
23.3. Номенклатура комплексных соединений 377
23.4. Изомерия 380
Структурная изомерия 380
Стереоизомерия 381
23.5. Скорость замещения лигандов 384
23.6. Структура и изомерия координационных соединений: исторический обзор 385
23.7. Магнитные свойства и окраска координационных соединений 386
Магнитные свойства 387
Окраска 387
23.8. Теория кристаллического поля 390
Материал для повторения 400
Задачи 403
ГЛАВА 24. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 407
24.1. Углеводороды 408
Алканы 409
Номенклатура алканов 411
Структура алканов 413
Алкены 414
Алкины 416
Ароматические углеводороды 417
24.2. Нефть 418
Бензин 419
24.3. Реакции углеводородов 421
Окисление 421
Реакции присоединения 422
Полиприсоединение 423
Реакции замещения 425
24.4. Производные углеводородов 427
Спирты 427
Простые эфиры 430
Окисление спиртов; альдегиды и кетоны 430
24.5. Карбоновые кислоты и их производные 431
Конденсационные полимеры 433
Материал для повторения 434
Задачи 437
ГЛАВА 25. БИОСФЕРА 441
25.1. Энергетические потребности организмов 441
25.2. Белки 444
Аминокислоты 444
Структура белков 447
25.3. Ферменты 450
Модель «ключа и замка» 453
25.4. Углеводы 454
Дисахариды 456
Полисахариды 457
25.5. Жиры и масла 458
25.6. Нуклеиновые кислоты 460
Материал для повторения 464
Задачи 467
ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ 471
ПРИЛОЖЕНИЯ 484
Приложение А. Математические действия 484
АЛ. Степенное представление численных величин 484
А.2. Логарифмическое представление численных величин 485
А.З. Квадратные уравнения 487
А.4. Графики 488
Приложение Б. Таблицы четырехзначных логарифмов 489
Приложение В. Свойства воды 492
Приложение Г. Термодинамические характеристики ряда соединений (при 25°С) 493
Приложение Д. Константы равновесий в водных растворах 496
Д.1. Константы диссоциации кислот при 25° С 496
Д.2. Константы диссоциации оснований при 25° С 497
Д.З. Произведения растворимости ряда соединений при 25° С 497
Приложение Е. Стандартные электродные потенциалы при 25° С 499
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 501.