Общая химия. Базовый уровень = General chemistry. Basic level

Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина









                Общая химия. Базовый уровень


                General chemistry. Basic level





Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета в качестве учебного пособия для студентов вуза, обучающихся по всем инженерно-техническим направлениям подготовки по дисциплине «Общая химия»












Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 54(075.8)=! 11=161 Л
ББК 24.1я73+81.Англ я73 0-28

Авторы: Г. В. Соловьёва, О. А. Неволина, Т. С. Берсенева, И. А. Мустаева

     Рецензенты: кафедра химии и процессов горения Уральского института Государственной противопожарной службы МЧС России (доц., канд. тех. наук И. М. Фоминых); науч. сотр. Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, доц., канд. хим. наук Е. В. Никитина
     Научный редактор - доц., канд. хим. наук В. В. Вайтнер

             Общая химия. Базовый уровень = General chemistry. Basic level: 0-28 учеб, пособие / Г. В. Соловьёва, О. А. Неволина, Т. С. Берсенёва, И. А. Мустаева ; англ. Перевод Т. С. Берсенёвой. - Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2017. - 182, [2] с. - Загл. парал. рус., англ. -Текст парал. рус., англ.
           ISBN 978-5-7996-1991-6

     Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в УрФУ по большинству инженерно-технических направлений подготовки. Пособие составлено на английском и русском языках и предназначено помочь иностранным студентам адаптироваться к изучению курса химии на русском языке.
     В пособии изложены теоретические базовые знания по общей химии, приводятся варианты домашних заданий. Рассмотрено множество примеров, облегчающих их выполнение.



                                                  УДК 54(075.8)=!11=161.1
                                                  ББК 24.1я73+81 .Англ я73








ISBN 978-5-7996-1991-6

                         © Уральский федеральный университет, 2017

            Charpter I. Chemical language Глава I. Химический язык



        1.1. Chemical elements
        1.1. Химические элементы


    Chemistry is the science of matter and the changes that matter can undergo.
    During the initial learning of chemistry, it is often perceived as a difficult subject. First of all, to study chemistry it is necessary to learn special chemical language.
Structural units of the chemical language-.
•   symbols of the chemical elements (“alphabet letters”);
•   formulas of substances (“words”) chemical equations to describe reactions (“sentences”).
    There are 114 elements which have been identified until now. Elements 112, 114 and 116 have been recently synthesized, and they have not been named yet, Element 113 has not been obtained yet. Chemical elements (110) are listed in the periodic table (Table 1). Chemists use alphabetic characters to present names

   Химия изучает вещества и изменения, которые они претерпевают.
   При первоначальном изучении химия часто воспринимается как трудный предмет. Для изучения химии в первую очередь необходимо выучить специальный химический язык.
   Структурные единицы химического языка:
  • символы химических элементов («буквы алфавита»);
 • формулы веществ («слова»);
     химические уравнения («предложения»),
     В настоящее время были идентифицированы 114 элементов. Элементы 112, 114 и 116 были синтезированы недавно, их еще не назвали, 113 элемент ещё не открыт. 110 химических элементов перечислены в периодической таблице (табл. 1). Для обозначения элементов химики используют латин
3

of elements. Table 1 gives only russian names of elements. Chemical elements differ in their importance for chemistry. Compounds of some elements have the greatest practical application. In the periodic table, these elements are mainly located in periods 1-4. First of all, it is necessary to remember symbols and names of these elements.

ские буквенные символы. Химические элементы отличаются по своей важности в химии. Соединения некоторых элементов находят большое практическое применение. Главным образом эти элементы расположены в 1-4 периодах таблицы Д. И. Менделеева.

       First of all, it is necessary to remember symbols and names of elements located in 1-4 periods of the periodic table.


    About 86 chemical elements occur in nature. The elements differ in their prevalence in nature. Only five elements (oxygen, silicon, aluminum, iron and calcium) form more than 90 % of Earth crust on weight. The content of oxygen makes 45, 5 %, silicon - 27,2 %, aluminum - 8,3 %, iron - 6,2 %, and calcium -4,1 %.
    The following elements prevail in a human body: oxygen (65 %), carbon (18 %), hydrogen (10 %), nitrogen (3 %), calcium (1,6 %), phosphorus (1,2 %) mass percentage.

       Нужно запомнить символы и названия элементов, расположенных в 1-4 периодах периодической таблицы.


      В природе существует 86 химических элементов, котоыре отличаются по своей распространенности. Более чем 90 % земной коры по массе составляют всего пять элементов (кислород, кремний, алюминий, железо и кальций). Содержание этих элементов в процентах по массе: кислород - 45,5 %; кремний -27,2 %; алюминий - 8,3 %; железо -6,2 %; кальций - 4,1 %. В человеческом теле преобладают элементы: О, С, Н, N, Са, Р. Содержание в процентах по массе: кислород - 65 %, углерод - 18 %, водород - 10 %, азот - 3 %, кальций -1,6 %, фосфор -1,2 %.

4

Периодическая таблица

Table 1 (Таблица 1)

Periodic table

Пери- 1                   Группы                                                                      
 оды  сц    I       II      III        IV         V       VI      VII    VIII                         
  I   1  Н 1                                                              Не 2                        
         Водород                                                         Гелий                        
          1,008                                                          4,003                        
  п   2   Li 3     Be 4     В 5    С 6           N 7   О 8        F 9     Ne 10                       
          Литий  Бериллий   Бор      Углерод    Азот   Кислород Фтор      Неон                        
          6,941   9,012    10,811    12,011    14,007   15,999  18,998   20,179                       
ш     3   Na 11   Mg 12    А1 13      Si 14     Р 15     S 16    С1 17    Аг 18                       
         Натрий   Магний  Алюминий   Кремний   Фосфор    Сера     Хлор    Аргон                       
         22,990   24,305   26,982    28,086    30,974   32,066   35,453  39,948                       
IV    4   К 19    Са 20    21 Sc      22 Ti     23 V    24 Сг   25 Мп     26 Fe    27 Со     28 Ni   
         Калий   Кальций  Скандий     Титан    Ванадий Хром     Марганец Железо   Кобальт    Никель  
         39,098   40,078   44,956     47,88    50,942  51,996    54,938  55,847   58,933     58,69   
      5   29 Си   30 Zu    Ga 31      Ge 32     As 33   Se 34    Вт 35    Кг 36                       
          Медь     Цинк    Галлий   Германий   Мышьяк   Селен     Бром   Криптон                      
         63,546   65,39    69,723     72,59    74,922   78,96    79,904   83,80                       
  V   6   Rb 37   Sr 38     39 Y      40 Zr     41 Nb   42 Мо    43 Тс    47 Ru    45 Rh   46 Pd     
         Рубидий Стронций  Иттрий   Цирконий   Ниобий  Молибден Технеций Рутений   Родий   Палладий  
         85,468  87,62     88,906    91,224    92,906   95,94    98,906  101,07   102, 91  106,42    
      7   47 Ag   48 Cd    In 49      Sn 50    Sb 51    Те 52     I 53    Хе 54                      
         Серебро  Кадмий  Индий       Олово    Сурьма   Теллур    Иод    Ксенон                      
         107,868  112,41  114,82     118,71    121,75   127,60  126,905  131,29                      
VI    8   Cs 55   Ва 56    57 La*     72 Hf     73 Та    74 W    75 Re    76 Os    77 1г   78 Pt     
          Цезий   Барий    Лантан    Гафний    Тантал  Вольфрам  Рений    Осмий  Иридий     Платина  
         132,905  137,33  138,906    178,49    180,948 183,85   186,207   190,2  192,22      195,08  
      9   79 Au   80 Hg    Т1 81      РЬ 82     Bi 83   Ро 84    At 85    Rn 86                       
         Золото   Ртуть    Таллий    Свинец    Висмут  Полоний   Астат    Радон                       
         196,967  200,59  204,383     207,2    208,98   [209]     [2Ю]    [222]                       
VI    10  Fr 87   Ra 88    89 Ас*  104 Rf      105 Db   106 Sg   107 Bh  108 Hs   109 Mt       НО    
         Франций Радий    Актиний  Резерфордий Дубний  Сиборгий  Борий   Хассий  Мейтнерий Дармштатий
          [223]  226,02    [227]      [261]     [262]   [263]    [262]    [265]    [266]     [272]   
           Лантаниды                          
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68  69  70  71 
Се Рг Nd Рш Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er  Tm  Yr  Lu 
            Актиниды                          
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Th Ра и  Nb Pu Am Cm Bk Cf Es  Fm Md  No  Lr 

5

    Two elements - oxygen and hydrogen, (especially, the hydrogen cation H⁺) play the most important role in chemistry.
    The periodic table is a convenient tool to study chemistry, it helps us to predict chemical properties of elements and their compounds.

   Особо важную роль в химии играют два элемента - кислород и водород (особенно водородный катион Н⁴).
   Очень удобным инструментом для изучения химии является периодическая таблица. Она позволяет предсказывать химические свойства элементов и их соединений.

When studying chemistry it is im
При изучении химии важно научить
portant to gain skills in the usage of periodic table.



    The smallest particle of any element is an atom. The atom is the main unit of any element. All the atoms of a single element are identical. Atoms of one element differ from atoms of all the other elements.
    Only six noble gases from group 8A of the periodic table (He, Ne, Ar, Kr, Xe and Rn) exist as separate atoms in the nature. Atoms of one element usually combine with each other to form a simple substance. Substances formed by atoms of only one element are called simple.

    In any metal (for example, iron or copper) atoms are connected by a special


ся использовать периодическую таблицу для предсказания свойств химических элементов и их соединений.


   Мельчайшей частицей любого элемента является атом. Атом - основная единица элемента. Атомы одного элемента идентичны, но отличаются от атомов остальных элементов.
   В виде отдельных атомов в природе существует только шесть благородных газов: Не, Ne, Ar, Кг, Хе, Rn. Обычно атомы одного элемента объединяются друг с другом, чтобы сформировать простое вещество. Вещества, образованные атомами только одного элемента, называются простыми.
   В любом металле (например, железе или меди) атомы соединены особым

type of a chemical bond which is called metal bond. This type of bond causes distinctive physical properties of metals. Metals are good heat and electricity conductors. Nonmetals are usually bad heat and electricity conductors.

    If atoms of elements in simple substances are connected by a metal bond, such elements are classified as metals.
    The majority of known elements are metals; only 24 elements are nonmetals.

    Nonmetal atoms are connected by covalent chemical bonds in simple substances to form molecules or coordination structures. For example, the simple substance of nitrogen exists as diatomic N₂ molecules. Other elements, which usually exist as diatomic molecules, are hydrogen (H₂), oxygen (O₂), fluorine (F₂), chlorine (Cl₂), bromine (Br₂) and iodine (I₂).
    However, silicon exists as a three-dimensional crystal structure as well as diamond is formed of carbon atoms.

    The subdivision of elements into metals and nonmetals is important for chemistry, because properties of simple substances and

типом химической связи, которую называют металлической связью. Этим типом связи обусловлены отличительные физические и химические свойства металлов. Металлы, в отличие от неметаллов, являются хорошими проводниками тепла и электричества.
   Элементы классифицируют как металлы, если атомы в простых веществах соединены металлической связью.
   Большинство известных элементов являются металлами; только 24 элемента - неметаллы.
   Атомы неметаллов в простых веществах связаны ковалентными химическими связями с образованием молекул или координационных структур.
   Например, азот существует в виде двухатомных молекул N₂. В виде двухатомных молекул существуют также водород (Н₂), кислород (О₂), фтор (F₂), хлор (С1₂), бром (Вг₂) и йод (1₂).
   Но, например, кремний существует в виде трехмерной кристаллической структуры, как и алмаз, образованный атомами углерода.
   Деление элементов на металлы и неметаллы в химии очень важно, так как свойства простых веществ и со
7

compounds of metals and nonmetals significantly differ from each other.
    In the modem periodic table nonmetals are concentrated on the right side, nonmetals finish the periods. In the table 2 the nonmetals cells are highlighted in gray.

единений металлов и неметаллов существенно различаются.
   В современной периодической таблице неметаллы сконцентрированы в правой стороне, они заканчивают периоды. В табл. 2 ячейки неметаллов выделены серым цветом.

It is useful to remember nonmetals

Полезно запомнить элементы
- they are only 24, other elements are неметаллы, их всего 24, остальные

metals.

                          элементы - металлы.

    Nonmetals are conveniently grouped in the modem periodic table (table 2), but it is needed also to find nonmetals in the traditional table. Table. 3 shows the position of nonmetals in the classic table of D. I. Mendeleev.
    The majority of elements can interact with other elements to form various compounds.

   В современной периодической таблице (табл. 2) неметаллы удобно сгруппированы, но их также надо находить в традиционной таблице. Положение неметаллов в классической таблице Д. И. Менделеева представлено в табл. 3.
   Обычно элементы, взаимодействуя друг с другом, образуют разнообразные соединения.

8

Table 2 (Таблица 2)

Modem periodic table Современная периодическая таблица

    1  2  3   4   5   6   7    8   9  10  11 12  13 14  15  16 17  18 
    IA НА ШБ IVE VE  VIE VIIE   Vins      IE ПБ III IVA VA VIA VII VII
                                                A               A   A 
I   1                                                              2  
    н                                                              He 
II  3  4                                          5  6  7   8  9   10 
    Li Be                                       В    C  N  О   F   Ne 
III 11 12                                       13  14  15 16  17  18 
    Na Mg                                       Al  Si  P   s  Cl  Ar 
IV  19 20 21 22  23  24  25   26  27  28  29 30  31 32  33 34  35  36 
    К  Ca Sc Ti  V   Cr   Mn  Fe  Co  Ni  Cu Zn Ga  Ge  As Se   Br Kr 
V   37 38 39 40  41  42  43   44  45  46  47 48 49  50  51 52  53  54 
    Rb Sr Y  Zr  Nb  Mo  Tc   Ru  Rh  Pd  Ag Cd In  Sn  Sb Те  I   Xe 
VI  55 56 57 72  73  74  75   76  77  78  79 80 81  82  83 84  85  86 
    Cs Ba La Hf  Ta  W   Re   Os  Ir  Pt  Au Hg  Tl Pb  Bi Po   At Rn 
VII 87 88 89 104 105 106 107  108 109 110                              
    Fr Ra Ac Rf  Db  Sg  Bh   Hs  Mt  Ns                               

Table 3 (Таблица 3)

Nonmetals in the classic table of D. I. Mendeleev Неметаллы в классической таблице Д. И. Менделеева


 Main   IA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA
groups/                              
periods                              
   I    H                        He  
  II        В    C  N   О   F    Ne  
  III           Si  P   s   Cl   Ar  
  IV            Ge  As Se   Br   Kr  
   V                Sb Те   I    Xe  
  VI                        At   Rn  

9

        1.2. Chemical compounds and chemical formulas
        1.2. Химические соединения и химические формулы


    Nowdays more than 20 million substances are known, and the list is expanding quickly.
    A chemical compound consists of two or more elements chemically combined in certain proportions. Any chemical compound has a certain and constant composition.


    The atoms in chemical compounds are held together by chemical bonds.

    Chemical bonds in compounds are generally divided into two fundamentally different kinds: ionic and covalent.
    In reality, however, the bonds in most substances are neither purely ionic nor purely covalent, but they are closer to one of these extremes.

    Substances with different kinds of chemical bonds have very different properties.
    Ionic compounds consist of positively and negatively charged ions held together by strong electrostatic forces.
    Covalent compounds exist in form of

    В настоящее время известно более 20 миллионов веществ, и их список быстро растет.
    Сложное вещество или химическое соединение состоит из двух или более элементов, химически объединенных в определенных пропорциях. У химических веществ есть определенный и постоянный состав.
    Атомы в химических соединениях удерживаются вместе химическими связями.
    Химические связи в соединениях обычно делятся на два принципиально различных типа: ионные и ковалентные.
    В действительности, однако, связи в большинстве соединений не являются ни чисто ионными, ни чисто ковалентными, но они могут приближаться к соответствующим экстремумам.
    Вещества, которые имеют разные типы химических связей, имеют разные свойства.
    Ионные соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, удерживаемых вместе сильным электростатическим взаимодействием.

10