НАЧАЛЬНОЕ И СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ХИМИЯ
ДЛЯ ПРОФЕССИЙ И СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНОГО ПРОФИЛЯ
Под редакцией О. С. Габриеляна
УЧЕБНИК
Рекомендовано
Федеральным государственным учреждением
«Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования
в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего (полного) общего образования в пределах основных профессиональных образовательных программ НПО/СПО с учетом профиля получаемого профессионального образования Регистрационный номер рецензии 192 от 15 июня 2011 г. ФГУ «ФИРО»
3 е издание, стереотипное УДК 54(075.32) ББК 24я723я Х Рецензент — преподаватель Колледжа сферы услуг № 10 г. Москвы Н. М. Бенкина Химия для профессий и специальностей естественно Х46 научного профиля : учебник / [О. С. Габриелян, И. Г. Ост роумов, Е. Е. Остроумова, С. А. Сладков] ; под ред.
О. С. Габриеляна. — 3 е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2014. — 384 с.
ISBN 978 5 4468 В учебнике на современном уровне изложены теоретические основы общей, органической и неорганической химии. Учебник поможет сфор мировать не только высокий профильный уровень химических знаний, но и целостную естественно научную картину мира. Контрольные воп росы и задачи, приведенные по каждой теме, помогут подготовиться к единому государственному экзамену. Рекомендации по выполнению ла бораторных и практических работ, представленных по всем разделам органической и неорганической химии, позволят освоить технику без опасного эксперимента.
Для лиц, обучающихся по профессиям и специальностям естествен но научного профиля в учреждениях начального и среднего профессио нального образования.
УДК 54(075.32) ББК 24я723я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Габриелян О. С., Остроумов И. Г., Остроумова Е. Е., Сладков С. А., © Образовательно издательский центр «Академия, ISBN 978 5 4468 0623 2 © Оформление. Издательский центр «Академия», К читателям Дорогие друзья!
Перед вами учебник химии, созданный с учетом естественно научного профиля ваших будущих профессий и специально стей. Химия будет занимать в процессе вашего обучения одно из ведущих мест. Это не случайно, ведь химия связана со все ми профилирующими дисциплинами тысячами незримых ни тей. Их объединяют общие понятия, законы и теории, склады вающиеся в единую естественно научную картину мира. И хи мия, и физика, и биология, и физическая география, и эколо гия изучают окружающий естественный мир с помощью одних и тех же методов: наблюдение, эксперимент, моделирование и измерение.
Наблюдение — это концентрация внимания на познава емых объектах с целью их изучения.
С помощью наблюдения человек накапливает информацию об окружающем мире, которую затем систематизирует, выяв ляя общие з а к о н о м е р н о с т и результатов наблюдения. Сле дующий важный шаг — поиск факторов, которые объясняют выявленные закономерности.
Для того чтобы наблюдение было плодотворным, необходимо:
четко определить предмет наблюдения — то, на что будет обращено внимание наблюдателя; в качестве предмета на блюдения может выступать конкретное вещество, его свой ства или превращения в другие вещества, условия проте кания процессов превращения и т. д.;
сформулировать, с какой целью проводится наблюдение;
составить план наблюдения, т. е. определить этапы прове дения наблюдения, позволяющие достичь поставленной При составлении плана наблюдения желательно опираться на предположение — гипотезу (от греч. hypothesis — основа ние, предположение) о том, как будет протекать наблюдаемое явление. Гипотеза может быть сформулирована и как ожида емый результат наблюдения.
тейском смысле этого слова. Как правило, научное наблюдение проводится в строго контролируемых условиях, причем эти ус ловия можно изменять по желанию наблюдателя. Чаще всего научное наблюдение проводят в специальном помещении — ла боратории.
Эксперимент — научное воспроизведение какого либо яв ления в целях его исследования, проведенное в определен ных условиях.
Эксперимент (от лат. experimentum — опыт, проба) позволя ет подтвердить или опровергнуть выдвинутую гипотезу и сфор мулировать в ы в о д.
Великий Леонардо да Винчи утверждал, что науки, рожден ные не из эксперимента, бесполезны и полны заблуждения.
Все естественные науки — экспериментальные. А для поста новки эксперимента часто требуется специальное оборудование.
Химики в своих исследованиях используют нагревательные приборы (спиртовку, газовую горелку), различную химическую посуду и инструменты. При использовании этого оборудования требуется соблюдение инструкций и правил техники безопасно сти.
Некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в естественных условиях, поэтому в изучении естественных наук большую роль играет моделирование. В ла бораторных условиях используют особые приборы, установки и предметы — модели (от лат. modulus — образец), которые ко пируют только самые существенные признаки и свойства объ ектов изучения.
Моделирование — это изучение объектов с помощью их заменителей или аналогов — моделей.
Условно химические модели можно разделить на две груп пы: материальные (модели атомов, молекул, кристаллов, хи мических установок) и знаковые, или символьные (символы химических элементов, формулы веществ, уравнения реакций).
При проведении эксперимента, как правило, возникает необ ходимость количественного определения какой либо характери стики изучаемого объекта, т. е. проведения измерений.
Измерение — это определение количественных значений характеристик, описывающих свойства изучаемых объектов.
Известный английский физик У.Томсон (лорд Кельвин) ут верждал, что каждая вещь известна лишь в той степени, в ко торой ее можно измерить. Измерение обычно проводят с помо щью специальных технических устройств: весов, мерной посу ды, приборов (термометр, ареометр) и т. д.
Результат измерения выражают в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения — это эталон, с кото рым сравнивают измеряемую характеристику объекта или яв ления. Единицы измерения подразделяют на основные, выбира емые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью опре деленных соотношений.
В настоящее время в естествознании действует Международ ная система единиц (Systeme International — SI, в русской транскрипции — СИ) физических величин, принятая в 1960 г.
XI Генеральной конференцией по мерам и весам. В Междуна родной системе основными единицами являются: метр (м), ки лограмм (кг), секунда (с), моль (моль). Международная систе ма единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существующих.
Чтобы быть успешным в изучении предметов естественно научного цикла, в том числе и химии, необходимо быть инфор мационно компетентным, т. е. нужно уметь находить источник учебной, профессиональной или научной информации, полу чать эту информацию из источника, перерабатывать (анализи ровать) ее, формулировать выводы и создавать информацион ный продукт, а также предъявлять его для оценивания учеб ной, профессиональной или научной общественности.
Современный мир характеризуется непрерывным потоком информации. Известно, что объем научной информации в от дельных отраслях знаний удваивается каждые пять лет. По данным Организации Объединенных Наций по вопросам обра зования, науки и культуры, за последние 25 лет выпущено столько же книг, сколько за предыдущие 500 лет. Ученые, за трачивая на информационную деятельность до 50 % своего ра бочего времени, в состоянии ознакомиться не более чем с 10 % публикаций, вышедших за год даже по самой узкой проблеме.
Умение ориентироваться в информационном пространстве ста новится признаком интеллекта, квалификации человека и, в ко нечном итоге, его успешности в жизни. Известный тезис «кто владеет информацией, тот владеет миром» как нельзя лучше отражает роль информации в современном обществе.
При изучении химии, подготовке рефератов, докладов или устных сообщений вам нередко придется обращаться к источ никам химической информации: Интернету, печатной продук ции, за консультацией к профессионалам. Навыки определения источника информации, ее получение, анализ, создание инфор мационного продукта и его презентация и составляют основу успешности не только в изучении химии или других естествен но научных дисциплин, но и в будущей профессиональной де ятельности, так как чтобы быть успешным, необходимо непре рывно совершенствовать свою профессиональную квалифика цию. А без информационной компетентности это просто невоз можно. Поэтому будьте особенно старательны, работая с источ никами химической информации.
Содержание предлагаемого учебника полностью соответству ет федеральному компоненту государственного образовательно го стандарта по химии базового уровня. Кроме того, в нашем учебнике представлен материал профильного и профессиональ но значимого содержания.
Авторы учебника призывают всех любить химию, изучать ее с удовольствием, понимать и уважать эту удивительную науку!
И тогда вы сможете убедиться в том, что различные проблемы, связанные с химией, о которых ежедневно сообщают средства массовой информации: химический смог над промышленными предприятиями и мегаполисами, озоновые дыры, парниковый эффект и многое другое — это результат незнания химии, не уважения к ней, игнорирования свойств веществ, материалов и реакций, помноженных на безудержную погоню за прибылью.
Успехов вам!
Раздел I
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, ЗАКОНЫ
И ТЕОРИИ ХИМИИ
ГЛАВА1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ЗАКОНЫ ХИМИИ
1.1. ПРЕДМЕТ ХИМИИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯХИМИИ. АЛЛОТРОПИЯ
Основоположник отечественной химии Михаил Васильевич Ломоносов еще в 1748 г. писал: «Химическая наука рассматри вает свойства и изменения тел …, состав тел …, объясняет при чину того, что с веществами при химических превращениях происходит».Сравните определение, данное великим М. В. Ломоносовым, с современным определением.
Химия — это наука о составе, строении, свойствах и превра Как близки эти два определения!
Происхождение понятия «химия» спорно. «Хеми» на копт ском языке означает «черный», «темный». Так древние народы называли Египет, черные плодородные земли которого резко отличались от желтой почвы пустыни. Отсюда мнение, что на звание «химия» может быть истолковано как наука «черной земли», т. е. Египта.
Арабы снабдили это слово приставкой «ал ». Так появилось слово «алхимия» — средневековое название химии, данное ара бами. Существует мнение, что представление о чем то черном относилось не только к цвету земли, но и к самой сути науки — темному и таинственному в те далекие времена.
Алхимия — это целый пласт не только химической науки, но и общечеловеческой культуры, охватывающей почти полто ры тысячи лет (II — XVII вв.). Основная цель алхимии — поис ки «философского камня» и «эликсира долголетия», которые, как считали алхимики, позволяли превращать неблагородные металлы в серебро и золото и лечить все болезни, даруя чело веку долгую и счастливую жизнь.
В поисках недостижимой цели алхимики открыли, получи ли и описали свойства многих веществ: серную, соляную и азотную кислоты, винный спирт, эфир, берлинскую лазурь, сурьму, цинк, фосфор, порох, фарфор; создали разнообразное лабораторное оборудование (стаканы, колбы, реторты, воронки, ступки, кристаллизаторы) и разработали операции с вещества ми (дистилляцию, кристаллизацию, возгонку, осаждение), пред ложили первые классификации веществ.
В далекое прошлое канули алхимия и алхимики, а многие результаты их исследований живут и поныне, так же как в нашем лексиконе нередко используют такие понятия, как «ал химия» и «философский камень».
Исходя из современного определения химии, которое удиви тельно близко к ломоносовскому, рассмотрим некоторые основ ные первоначальные понятия: вещество, атом, молекула, хими ческий элемент и др.
Вещество — один из видов материи, который характеризу ется массой покоя. Это — совокупность атомов, ионов или мо лекул, состоящих из атомов одного или нескольких химиче ских элементов.
Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Атом — это наименьшая частичка химического элемента;
предел химической делимости материи.
Молекула — это отдельная электронейтральная частица, образующаяся при возникновении ковалентных связей между атомами одного или нескольких элементов, которая определя ет химические свойства вещества.
Химический элемент — это совокупность атомов с одина ковым зарядом ядра.
Все элементы (и простые вещества) обычно делят на метал лы и неметаллы.
К неметаллам относят 22 элемента: водород, бор, углерод, кремний, азот, фосфор, мышьяк, кислород, серу, селен, теллур, галогены и благородные газы; к металлам — все остальные элементы.
Вещество, образованное одним химическим элементом, назы вают простым.
Один и тот же химический элемент может образовать не сколько простых веществ. Это явление называют аллотропи ей, а различные простые вещества, образованные одним эле ментом, — аллотропными видоизменениями (или моди фикациями).
Например, алмаз и графит — это простые вещества, образо ванные одним и тем же элементом углеродом. Для практики значимо превращение одной аллотропной модификации углеро да — графита, в другую — алмаз:
Этот процесс используют для получения искусственных ал мазов. В 1954 г. ученые из лаборатории знаменитой американ ской фирмы «General Electric» получили черные кристаллики искусственных алмазов массой 0,05 г при экстремальных усло виях: давлении 100 000 атм и температуре 2 600 °С. Такие алма зы стоили в сотни раз дороже природных. Но уже в течение 10 лет были разработаны технологии, позволяющие получить за несколько минут в одной камере 20 и более граммов алмазов.
Современное производство искусственных алмазов основано на их получении из графита не только при сверхвысоких, но и при низких давлениях. Такие алмазы сравнительно дешевы, одна ко преимущественно используются в технических целях в ме таллургии и машиностроении, радиоэлектронике и приборо строении, геологоразведке и горной промышленности.
В истории химии яркий след оставила аллотропия фосфора.
Взаимопревращения наиболее известных модификаций фосфо ра можно описать следующей схемой:
Исторически первым было обнаружено превращение белого фосфора в красный, когда в 1669 г. немецкий алхимик Г.Брандт, пытаясь выделить так называемый «философский камень» про каливанием сухого остатка мочи, получил светящиеся белые кристаллики вещества, названного им фосфором (от греч. phos, phoros — несущий свет).
Для многих других химических элементов также характер но явление аллотропии. Так, кислород образует две модифика ции — кислород О2 и озон О3. Озон содержится в верхних сло ях атмосферы и интенсивно поглощает коротковолновые ульт рафиолетовые лучи длиной волны менее 0,29 нм (1 нм = 109 м).
Таким образом, озон атмосферы защищает жизнь на Земле от коротковолновых лучей, вместе с тем атмосфера пропускает ин фракрасное излучение Солнца. Но благодаря содержащимся в атмосфере озону, углекислому газу и водяному пару она не прозрачна для инфракрасного излучения Земли. Если бы эти газы не содержались в атмосфере, Земля превратилась бы в без жизненный шар, средняя температура на поверхности которо го была бы -23 °С, в то время как фактически она равна +14,8 °С.
Перед человечеством стоит насущная задача — сохранить этот жизнеобеспечивающий экран от разрушения, так как с космических спутников приходят тревожные сведения об уменьшении толщины озонового слоя атмосферы — так назы ваемых «озоновых дырах».
Озоновый щит планеты разрушается оксидами азота, соеди нениями хлора и фтора, попадающими в атмосферу в результа те распада фреонов — веществ, широко применяемых в холо дильной и парфюмерно косметической промышленности. В на стоящее время принята международная программа, согласно которой фреоны заменяют на другие, менее разрушительные для озонового щита хладагенты.
Аллотропия является одной из причин многообразия ве ществ. Аллотропия обусловлена двумя основными факторами:
1) переход количественных изменений в качественные; в чем нетрудно убедиться на примере аллотропии кислорода;
2) различное кристаллическое строение аллотропных моди фикаций; например, все модификации углерода имеют атомную кристаллическую решетку, но у алмаза она — объемная тетра эдрическая, а у графита — слоистая; поэтому так непохожи свойства алмаза и графита.
ЗАДАНИЯ
1. Что является предметом изучения химии? Дайте определение понятия «вещество». Как соотносятся понятия «вещество» и «мате рия»?2. Какие частицы называют атомами, молекулами?
3. Дайте определение понятия «химический элемент».
4. Какие вещества называют простыми?
5. Охарактеризуйте явление «аллотропия». Какие факторы его обусловливают?
6. Дайте определение понятия «аллотропные видоизменения (модификации)». Приведите примеры модификаций кислорода;
сравните их. Укажите причину, которая вызывает аллотропию это го элемента.
7. В чем состоит биологическая роль озона? Предложите пути со хранения озонового слоя планеты Земля.
8. Расскажите об аллотропии углерода. Сравните аллотропные модификации углерода, укажите основные области их применения.
9. Какая аллотропная модификация фосфора была открыта Г. Брандом? Сравните свойства этой модификации с другой модифи кацией, известной вам из школьного курса.
10. Какой период в истории химии называют алхимией? Что та кое «философский камень»? Какие свойства ему приписывали?
1.2. СОСТАВ ВЕЩЕСТВА. ИЗМЕРЕНИЯ В ХИМИИ Простые вещества — это вещества, образованные одним химическим элементом. Однако гораздо больше веществ слож ных. Вещества, построенные двумя и более химическими эле ментами, называют сложными.
Различают качественный и количественный состав веществ.
Качественный состав — это совокупность химических элементов и (или) атомных группировок, составляющих данное химическое вещество.
Количественный состав — это величина, характеризу ющая число атомов того или иного химического элемента и (или) атомных группировок, образующих данное химическое вещество.
Состав веществ отображают посредством химической симво лики.
По предложению Й. Я. Берцелиуса элементы принято обозна чать первой или первой и одной из последующих букв латин ских названий элементов.
Химические знаки (или символы) несут значительную информацию; они обозначают название элемента, один атом, один моль атомов этого элемента. По символу химического эле мента можно определить его атомный номер и относительную атомную массу.
Химические формулы — это способ отображения хими ческого состава вещества. Как и химический знак, химическая формула несет немалую информацию. Она обозначает название вещества, одну молекулу, один моль этого вещества. По хими ческой формуле также можно определить качественный состав вещества, число атомов и количество вещества каждого элемен та в 1 моле вещества, его относительную молекулярную массу и молярную массу.
Широко используют несколько видов химических формул.
1 Простейшая (эмпирическая) формула показывает ка чественный состав и соотношения, в которых находятся части цы, образующие данное вещество: атомы, ионы, группы атомов.
Например, простейшая формула пероксида водорода — НО.
2 Молекулярная (истинная) формула отражает каче ственный состав и число составляющих вещество частиц (на пример, для пероксида водорода — Н2О2), но не показывает порядок связи частиц в веществе, т. е. его структуру.
3 Графическая формула отражает порядок соединения частиц, т. е. связи между ними, но не дает представления об их пространственном расположении:
4 Структурная формула отражает пространственное рас положение частиц — геометрическую форму молекулы:
Массы атомов и молекул, из которых построены вещества, чрезвычайно малы. Однако современные методы исследования позволяют определять их с большой точностью. Так, масса ато ма углерода 12С равна 1,993 · 10-26 кг, масса атома кислорода О — 2,667 · 10-26 кг, а масса самого легкого атома — водоро да 1Н равна 1,674 · 10-27 кг.
Выражать массу атомов с помощью общепринятых единиц массы — килограммов, граммов или даже миллиграммов — неудобно ввиду очень малых значений. Поэтому в химии тради ционно используют не абсолютные, а относительные значения масс.
В 1961 г. в химии и физике была принята единая углерод ная атомная единица массы (а. е. м.), представляющая собой 1/12 массы атома углерода 12С:
Относительная атомная масса (Ar) химического элемен та — это величина, показывающая отношение средней массы атома природной изотопной смеси элемента к 1/12 массы ато ма углерода 12С.
Относительная атомная масса — одна из основных характе ристик химического элемента (рис. 1.1).
Относительная атомная масса самого легкого химического элемента водорода равна 1. Поэтому относительные атомные массы других элементов можно сравнивать с относительной атомной массой водорода (рис. 1.2).
«