Химия элементов : в 2 т. Т. 1

ХИМИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ

CHEMISTRY
OF THE ELEMENTS

Second Edition

N. N. Greenwood and A. Earnshaw
School of Chemistry
University of Leeds, U.K.

Oxford  Amsterdam  Boston  London  New York  Paris
San Diego  San Francisco  Singapore  Sydney  Tokyo

ХИМИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ

Н. Гринвуд, А. Эрншо

Перевод с английского
профессора, дра хим. наук В. А. Михайлова,
профессора, дра хим. наук Е. В. Савинкиной,
канд. хим. наук Ю. И. Азимовой,
канд. хим. наук Е. Э. Григорьевой,
Н. М. Логачевой,
канд. хим. наук Л. Ю. Аликберовой

ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

В двух томах
1

Москва

5-е издание, исправленное,
электронное

Лаборатория знаний
2021

УДК 541
ББК 24.12я2
Г82

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Гринвуд Н.
Г82
Химия элементов : в 2 т. Т. 1 / Н. Гринвуд, А. Эрншо ;
пер. с англ. — 5-е изд., испр., электрон. — М. : Лаборатория
знаний, 2021. — 664 с. — (Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-568-4 (Т. 1)
ISBN 978-5-93208-567-7
В фундаментальном учебном издании английских авторов химия элементов представлена как развивающаяся дисциплина, объединяющая разные
области науки, — неорганическая, аналитическая, теоретическая, металлоорганическая, бионеорганическая химия и химическая технология. Огромный
фактический
материал
изложен
в
рамках
современных
теоретических
концепций. Вводные главы посвящены общим вопросам: происхождение
и распространенность элементов, периодичность изменения химических
свойств в зависимости от положения элемента в Периодической системе.
В последующих главах систематически изложена химия одного из элементов или группы родственных элементов. Книга хорошо иллюстрирована,
содержит обширный справочный материал и подробную библиографию.
В русском издании книга выходит в двух томах. Том 1 включает главы
1–14.
Для студентов старших курсов, аспирантов и преподавателей химических факультетов и вузов, а также научных сотрудников и широкого круга
специалистов.
УДК 541
ББК 24.12я2

Деривативное издание на основе печатного аналога: Химия элементов :
в 2 т. Т. 1 / Н. Гринвуд, А. Эрншо ; пер. с англ. — 5-е изд., испр. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 607 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник). —
ISBN 978-5-00101-305-1 (Т. 1); ISBN 978-5-00101-304-4.

Редакция благодарит за помощь в переиздании Полторака Павла Андреевича

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими
средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения
убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-568-4 (Т. 1)
ISBN 978-5-93208-567-7

©
Copyright
1984, 1997, Elsevier Science Ltd.
All rights reserved
This edition of Chemistry of the Elements
by N. N. Greenwood and A. Earnshaw,
ISBN 0750633654, is published by arrangement
with Elsevier Ltd, The Boulevard,
Langford Lane, Kidlington, Oxford,
OX5 1GB, UK.
Это издание Chemistry of the Elements авторов
Н. Н. Гринвуда и А. Эрншо опубликовано
в соответствии с соглашением с издательством
Elsevier Ltd.

© Перевод, оформление, Лаборатория знаний,
2015

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Многие даже хорошие учебники по общей и
неорганической химии очень похожи друг на друга, так как оперируют одним и тем же набором
теоретических представлений и экспериментальных фактов, значительная часть которых вошла
в научный обиход много десятилетий или даже
одно-два столетия тому назад. Предлагаемая вниманию российского читателя книга Н. Гринвуда
и А. Эрншо не похожа ни на один из таких учебников. Отдавая должное исторически важным
ранним этапам развития химии, авторы не просто доводят изложение предмета вплоть до сегодняшнего дня (вернее, почти до дня сдачи в печать второго издания своей книги), но уделяют
открытиям и интересным экспериментам последнего времени особенно много внимания. Стремясь
освободиться от сложившихся стереотипов, создающих впечатление статичности науки, и представить химию в ее развитии, авторы даже в названии книги открыто отказались от традиционного термина «неорганическая химия», полагая его
устаревшим, и заменили его «химией элементов».
Если вспомнить известную шутку о том, что неорганическая химия — это то, чем занимаются химики-неорганики, этот терминологический радикализм не покажется столь уж неуместным, тем
более что занимаются они, как правило, именно
химией элементов.
При создании своего труда авторы, помимо
идеи непрерывного развития химии как науки и
постоянной опоры на Периодическую систему
элементов Д.И. Менделеева, руководствовались
несколькими четко обозначенными в их предисловиях принципами. В кратком изложении они
выглядят так:
— вынесение на первый план фактических сторон излагаемого предмета, а не покоящихся на этих
основаниях теоретических концепций (впрочем,

утверждение авторов об «эфемерности» любых теорий представляется излишне категоричным);
— сбалансированное включение в изложение
химии элементов всех связанных с ней разделов
из других областей химии (физической, аналитической, элементоорганической, химической технологии и т.п.) и даже глобальных проблем развития общества (так, в главе о водороде достаточно
детально обсуждаются перспективы водородной
энергетики);
— ориентация на разных читателей: на тех, кого
больше привлекают логика и красота науки, и на
тех, кто в первую очередь интересуется многообразными приложениями химии в современном
мире. Здесь стоит отметить не имеющее прецедента обращение авторов в сотни химических фирм и
включение полученной от них информации в текст
соответствующих глав, что придает изложению
особую привлекательность, хотя порой и не лишено легкого привкуса рекламы.
Читатель без труда обнаружит и те методические принципы, которыми руководствовались авторы, и скорее всего не сможет не согласиться с
ними. Наиболее ценная методическая особенность
книги — все реже встречающаяся теперь, но в полной мере присущая авторам почти по-юношески
романтическая увлеченность химией (сами авторы предпочитают говорить об испытываемом ими
волнении и очаровании), которая определяет весь
стиль изложения и быстро «заражает» читающего.
Естественно, что удовольствие, испытываемое при
чтении книги всяким мало-мальски подготовленным читателем, положительно сказывается на эффективности усвоения материала.
Книга Гринвуда и Эрншо давно переведена на
многие языки. Русское издание, конечно, запоздало. Однако в определенном смысле оно выходит как нельзя более своевременно — в момент

перехода российской высшей школы на двухуровневую систему бакалавр-магистр (или специалист).
Большая часть переводчиков этой книги — преподаватели кафедры неорганической химии Московской государственной академии тонкой химической технологии (МИТХТ), которая одной из первых в России перешла на двухуровневую систему.
Приступая к переводу книги, издательство и
коллектив переводчиков исходили из того, что она
может служить почти идеальным учебным и справочным пособием для обучающихся в магистратуре и аспирантуре химических факультетов университетов и химических вузов. Книга содержит
31 главу; по сути каждая из них представляет собой исчерпывающую обзорную статью. Все они
объединены общей идеей и снабжены в общей
сложности несколькими тысячами ссылок на монографии, обзоры и оригинальные статьи. Это
предоставляет студенту, аспиранту и преподавателю самые широкие и разнообразные возможности работы над материалом — от создания небольшого курса лекций, охватывающего по усмотрению преподавателя содержание всего нескольких
глав, до составления обстоятельных обзоров литературы и курсовых работ с использованием приведенной в книге библиографии. Книга является
прекрасной стартовой площадкой для перехода от

изучения химии к самостоятельной творческой работе в науке.
Разумеется, круг возможных читателей этого
учебника не ограничивается будущими магистрами, аспирантами и преподавателями высшей
школы. Чтение учебника не предполагает очень
серьезной предварительной физико-химической
подготовки, поэтому отдельные главы с интересом и большой пользой для себя прочтут продвинутый школьник, хорошо успевающий студентхимик младших курсов, не чувствующий себя
вполне удовлетворенным предлагаемым ему обязательным учебным материалом школьный преподаватель. Много интересного найдет в книге молодой (да и не только молодой!) ученый. По названным причинам книга будет выглядеть вполне
уместно в фондах почти любой библиотеки — от
школьной и районной до библиотеки академического института.
Перевод выполнен В.А. Михайловым (предисловия, гл. 1−3, 31), Е.В. Савинкиной (гл. 4−7, 28, 29,
приложения), Ю.И. Азимовой (гл. 8), Е.Э. Григорьевой (гл. 9, 10), Н.М. Логачевой (гл. 11−13),
Л.Ю. Аликберовой (гл. 14−18), Н.С. Рукк (гл. 19−22,
30), М.Ф. Рукк (гл. 23−25), С.М. Пестовым (гл. 26, 27).

В.А. Михайлов

6
Предисловие к русскому изданию

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Появившись впервые в 1984 г., эта книга быстро зарекомендовала себя как один из лучших учебников и полезный справочник. Она была одобрена и студентами, и преподавателями и уже переведена на несколько языков в Европе и Азии.
Было ясно, что новые подходы, положенные в ее
основу (см. предисловие к первому изданию), высоко оцениваются научной и педагогической общественностью, и нам неоднократно и настойчиво
предлагали выпустить второе издание книги. В соответствии с этими пожеланиями мы полностью
пересмотрели и сделали более современным текст
и добавили более 2000 новых ссылок на работы,
появившиеся после выхода в свет первого издания. В связи с последними достижениями химии
элементов в текст внесены бесчисленные изменения и дополнения, затронувшие фактически каждую страницу. В то же время при тщательном редактировании книги мы постарались сохранить
все ее особенности, сделавшие первое издание
столь привлекательным для читателей.
Основной план книги остался неизменным,
лишь раздел о химии металлоорганических соединений был изъят из главы 8 («Углерод») и включен вместе с кратким изложением других аспектов координационной химии в переработанную
главу 19. Однако химия даже самых простых с точки зрения химика элементов за последние годы
существенно обогатилась, а иногда даже претерпела драматические изменения. Так, современную
сложную химию щелочных металлов нельзя было
даже представить десять иди двадцать лет тому
назад; например, для лития в настоящее время
известно по меньшей мере 20 способов координации с координационными числами от 1 до 12. Известны соединения с анионами щелочных металлов и даже электриды. Аналогичным образом в
химии металлоорганических соединений все боль
ший интерес вызывают тяжелые элементы группы магния, особенно их соединения с крупными
лигандами. Продолжает удивлять химиков бор,
химия кластеров на его основе постоянно развивается и расширяется, так же как химия соединений, содержащих связь сера–азот, химия гетерополикислот, бионеорганическая химия многих
элементов, химия соединений лантанидов в низких степенях окисления и т.д. Подобное утверждение верно для материала практически всех остальных глав вплоть до синтеза и определения
свойств самого тяжелого из трансактинидных элементов с Z = 112. Здесь уместно напомнить, что в
настоящее время известно на 49 элементов больше, чем знал Менделеев (63 элемента), когда создавал свою периодическую систему элементов.
О быстром прогрессе химии элементов за последние 15 лет свидетельствуют также несколько
совершенно новых разделов, посвященных не существовавшим ранее совершенно неожиданным
областям химии. К ним относятся а) координационные соединения дигапто-диводорода, б) фуллерены и их многочисленные производные, в) меткары и г) высокотемпературные оксидные сверхпроводники.
Мы надеемся, что новое издание «Химии элементов» окажется столь же полезным для его читателей, как и предыдущее, и они испытают то же
волнение и очарование, которые вызывает у нас
эта развивающаяся на наших глазах область науки. Мы должны также поблагодарить наших многочисленных корреспондентов, сообщавших нам
о своих работах, и Школу химии университета города Лидс, создавшую нам благоприятные условия для работы над книгой.

Н.Н. Гринвуд
А. Эрншо
Август, 1997

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

В этой книге мы попытались дать сбалансированный, последовательный и исчерпывающий обзор химии элементов для студентов и аспирантов.
Рассматриваемая центральная область химии изобилует остроумными экспериментами, интригующими соединениями и волнующими новыми
открытиями. Мы намеренно избегали термина
«неорганическая химия», так как он выражает устаревший взгляд на химию, уже не соответствующий последним десятилетиям ХХ века. В соответствии с этим в химии элементов мы имеем дело
не только с неорганической химией, но и с аналитической, теоретической, промышленной, металлоорганической или бионеорганической химией, а также с любыми другими из существующих ныне многочисленных областей химии.
Мы сознательно уделяем основное внимание
химическим явлениям и фактическим основаниям
предмета. Разумеется, химия элементов обсуждается в рамках принятых теоретических концепций,
что придает тексту цельность и последовательность. Но при этом всегда на первый план выносится то, что может быть названо «химической
химией». Для этого есть несколько причин. Прежде всего, теории изменяются, а с фактами это происходит реже, поэтому более долговечны и полезны подходы, основанные на знании и понимании
фактических оснований предмета. Мы признаем,
конечно, что хотя сами факты не могут изменяться принципиально, их значение часто сильно меняется. Поэтому важно научить читателя правильно оценивать наблюдения и анализировать информацию, этому служат многочисленные примеры в
тексте. Кроме того, методически неправильно сначала излагать научную теорию, а затем описывать
эксперименты, которые должны ее подтвердить.
Важно различать факты и теории и понимать, что
теории по своей природе эфемерны и постоянно

изменяются. Наука продвигается вперед путем устранения ошибок, а не установления истин, и никакое количество экспериментов не может «подтвердить» теорию, можно лишь констатировать,
что теория согласуется с уже известными фактами. (При более тщательном анализе мы убеждаемся также, что все факты уже отягощены теорией.)
Важно также осознать, что химия не представляет  собой  некий  неизменный  объем  знаний,
определяемый содержанием учебника. Химия возникла когда-то в прошлом и развивается в настоящее время в многочисленных направлениях. Это
живая саморазвивающаяся дисциплина, и мы пытались передать это ощущение постоянного роста, обращаясь к истории предмета всякий раз, когда это было уместно. Химия элементов представлена логически и методически обоснованно, но
изложение перемежается дополнительным материалом, который иллюстрирует, насыщает примерами, расширяет или иным образом обогащает обсуждаемый раздел химии.
Химия — это область человеческой деятельности, и ее достижения оказывают существенное
влияние на нашу повседневную жизнь. Однако мы
не позволяли себе увлечься сиюминутной «полезностью», ибо сегодняшнее полезное — это завтрашнее устарелое. В то же время в современном мире
неразумно не признавать, что химия не только теоретически и эстетически привлекательна, но часто просто полезна. Это придает дополнительный
интерес многим разделам химии элементов, которые, конечно же, во многом развиваются именно
благодаря потребностям общества. Для многих
людей именно потенциальная польза представляет наиболее привлекательный аспект предмета.
Поэтому мы запросили у более чем 500 химических фирм во всем мире сведения о производимых или используемых ими химикатах, их коли

чествах и назначении. Полученная обширная техническая информация оказалась бесценным источником данных при изложении химии элементов. Поскольку собственный педагогический опыт
убедил нас в том, что студенты с трудом овладевают подобной информацией, мы распределили
бóльшую часть этого материала по всему тексту.
Мы полагаем, что важно знать, получено ли данное соединение в количестве нескольких миллиграммов и, возможно, лишь один раз или же оно
ежегодно производится в количестве многих тонн;
кроме того, нужно знать и для каких целей оно
производится.
Учебник, посвященный химии элементов, логично начать с вопросов: откуда произошли химические элементы? как они возникли? чем
объясняется их наблюдаемая распространенность
на Земле? что определяет их атомные массы? и т.п.
Эти вопросы, хотя они обычно игнорируются в
учебниках и трудны для ответа, являются в настоящее время предметом активных исследований. В
первой главе нашей книги мы рассказываем, как
современная наука пытается ответить на подобные вопросы. Далее следует краткое описание химической периодичности и периодической систе
мы, и лишь после этого мы переходим к систематическому обсуждению химии отдельных элементов и
взаимоотношений между элементами в группах.
Большую поддержку мы ощущали благодаря замечаниям и комментариям по отдельным главам,
которые получали от многих коллег не только в
Соединенном Королевстве, но и из Австралии,
Канады, Дании, ФРГ, Японии, США и других
стран. Мы полагаем, что предложенный нами новый подход большинством коллег будет воспринят с одобрением как основа для обсуждения чрезвычайно разнообразного поведения химических
элементов и их соединений.
С огромным удовольствием мы выражаем благодарность персоналу библиотеки им. Эдварда
Бойля в университете Лидса, который оказывал
авторам неизменную помощь в течение многих лет
работы над этой книгой. Нам хотелось бы также
поблагодарить миссис Джейн Томас за ее настойчивость и выдающееся мастерство при подготовке
рукописи к изданию. Без ее постоянной помощи
и понимания со стороны наших семей мы не смогли бы завершить эту работу.

Н.Н. Гринвуд
А. Эрншо

9
Предисловие к первому изданию

1.1. Введение

Эта книга посвящена химии элементов. В настоящее время известно 112 элементов, хотя не все из
них встречаются в природе. Из 92 элементов от
водорода до урана все, за исключением технеция
и прометия, найдены на Земле, технеций обнаружен на некоторых звездах. Еще 20 элементов были
добавлены искусственным ядерным синтезом в
лабораториях. Почему в природе существуют толь-
ко 90 элементов? Чем обусловлены наблюдаемые
распространенности элементов и относительные
содержания каждого изотопа в природной смеси?
Конечно, мы должны также ответить на вопрос, в
какой степени изотопный состав элементов подвержен изменениям в природе, имея в виду, что
его изменения ведут к непостоянству атомных
масс и, возможно, даже ставят под сомнение классические способы определения химического состава и строения веществ посредством химического анализа.
Теорий много, и всегда важно четко различать
экспериментальные данные, модели, полезные для
планирования последующих экспериментов, и
принятые в данное время теории, цель которых —
интерпретация известных фактов. «Пробная», т.е.
неокончательная природа нашего знания, вероятно, нигде не проявляется с большей очевидностью,
чем в вопросах о происхождении химических элементов и их современном изотопном составе, которые рассматриваются в нескольких первых
разделах этой главы. Это и неудивительно, так
как прогресс в этой огромной области знания
стал возможен лишь в последние десятилетия
благодаря новым открытиям в ядерной физике,
астрофизике, теории относительности и квантовой теории.

1.2. Происхождение Вселенной

В настоящее время большинство ученых объясняют происхождение и эволюцию Вселенной к ее
современному виду теорией Большого Взрыва [1].
Эта теория предполагает, что вся материя Вселенной некогда была сосредоточена в первичном ядре
с огромными плотностью (∼1096 г•см−3) и температурой (∼1032 К), которое по некоторым причинам
взорвалось и распространило излучение и материю
по всему пространству. По мере расширения Вселенная охлаждалась; это позволило постепенно
дифференцироваться четырем основным типам
взаимодействия и привело к образованию частиц
различных типов. Наука ничего не может сказать
об условиях, существовавших до достижения времени Планка tP [(Gh/c5)1/2 = 1,33•10−43 c], когда гравитационные и электромагнитные, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия были недифференцированы и равносильны. Через 10−43 с
после Большого Взрыва (Т = 1031 К) гравитация
выделилась как отдельная сила, а через 10−35 с
(1028 К) сильные ядерные взаимодействия отделились от все еще неразделенных сил электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия. Речь
здесь идет о невообразимо малых временах и высоких температурах: так, например, фотону, движущемуся со скоростью света, нужно 10−24 с, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру атомного ядра. Через 10−10 с после Большого Взрыва
температура, согласно расчетам, понизилась до
1015 К, что позволило дифференцироваться электромагнитным и слабым взаимодействиям. К моменту 6•10−6 с (1,4•1012 К) из кварков образовались  протоны  и  нейтроны,  затем  стабилизировались  электроны.  Через  одну  секунду от
момента Взрыва, после периода аннигиляции

1
Происхождение элементов.
Изотопы и атомные массы