Неорганическая химия. Атомы и химические реакции: ЕГЭ, олимпиады, поступление в вуз

А. В.  Бабков, П. А. Бабков

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

Атомы и химические реакции

Москва
Лаборатория знаний
2023

ЕГЭ · ОЛИМПИАДЫ · ПОСТУПЛЕНИЕ В ВУЗ

2-e издание, исправленное,
электронное 

УДК 54 (076)
ББК 24.1я729
Б12

Бабков А. В.
Б12
Неорганическая химия. Атомы и химические реакции:
ЕГЭ, олимпиады, поступление в вуз : учебное пособие /
А. В. Бабков, П. А. Бабков. — 2-е изд., испр., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2023. — 383 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-615-5
В этом пособии последовательно рассматривается весь комплекс
вопросов,
связанных
с
теорией
химических
реакций
и
атомами
как
микрочастицами
вещества,
сохраняющимися
при
любых
химических
превращениях.
Оно
ориентировано
на углубленное изучение этих фундаментальных разделов химии;
включает также современный подход к решению расчетных задач,
позволяющий глубже понять принципиальную основу решения,
и сократить запись решения. Также здесь имеется обширный
справочный материал как в виде таблиц, так и в виде словаря
химических терминов и понятий.
УДК 54 (076)
ББК 24.1я729

Деривативное издание на основе печатного аналога: Неорганическая химия. Атомы и химические реакции: ЕГЭ, олимпиады, поступление в вуз : учебное пособие / А. В. Бабков,
П. А. Бабков. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 380 с. : ил. —
ISBN 978-5-93208-241-6.

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 978-5-93208-615-5
© Лаборатория знаний, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1. Атомы как основа вещества  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1. Устойчивость и распад атомов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Химические элементы и нуклиды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3. Физическая основа периодичности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4. История периодического закона Менделеева  . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1.5. Происхождение химических элементов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Глава 2. Химические реакции. Стехиометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.1. Химические символы и написание уравнений реакций  . . . . . . . 91
2.2. Классификация химических реакций по типу превращения 
      структурных единиц реагентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.3. Расчеты по уравнениям химических реакций  . . . . . . . . . . . . . . 103
2.4. Законы, определяющие состояние газов. Решение задач 

      на реакции с участием газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.5. Эквиваленты веществ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Глава 3. Энергетика химических реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

3.1. Некоторые понятия химической термодинамики . . . . . . . . . . . . 135
3.2. Первое начало термодинамики и закон сохранения энергии . . 140
3.3. Энтропия. Второе начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.4. Эксперименты и расчеты в термодинамике  . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Глава 4. Обратимые реакции и химическое равновесие  . . . . . . . . . . . . . 173

4.1. Обратимые и необратимые химические реакции . . . . . . . . . . . . 173
4.2. Количественная характеристика химического равновесия  . . . . 176
4.3. Смещение химического равновесия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.4. Химическое равновесие в гетерогенных системах  . . . . . . . . . . . 195

Глава 5. Химическая кинетика  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

5.1. Темп и скорость химических реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.2. Простые и сложные реакции. Зависимость скорости 
     от концентраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.3. Зависимость скоростей реакций от температуры . . . . . . . . . . . . 220
5.4. Кинетика сложных реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.5. Катализ и ингибирование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

Глава 6. Кислоты и основания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

6.1. Теория Аррениуса  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.2. Протолитическая теория кислот и оснований  . . . . . . . . . . . . . . 245

Оглавление

6.3. Среда в водных растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.4. Сила кислот и оснований  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.5. Типы протолитических реакций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.6. Амфотерные вещества  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.7. Буферные растворы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.8. Электронная теория кислот и оснований  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Глава 7. Комплексные соединения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.1. Основные положения химии комплексных соединений  . . . . . . 275
7.2. Комплексные соединения с лигандами разных типов  . . . . . . . 281
7.3. Разновидности комплексных соединений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
7.4. Комплексные соединения с органическими лигандами  . . . . . . 290
7.5. Строение комплексных соединений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.6. Реакции комплексных соединений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.7. Равновесия в растворах комплексных соединений  . . . . . . . . . . 310

Глава 8. Реакции окисления-восстановления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

8.1. Сущность и основные понятия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.2. Разновидности реакций окисления-восстановления . . . . . . . . . . 325
8.3. Сила окислителей и восстановителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
8.4. Обратимость реакций окисления-восстановления . . . . . . . . . . . . 345

Глава 9. Химическая номенклатура  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

9.1. Химические элементы и простые вещества  . . . . . . . . . . . . . . . . 350
9.2. Бинарные соединения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9.3. Номенклатура ионов и кислот  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
9.4. Номенклатура комплексных (координационных) 

      соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

Приложения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Список рекомендуемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

ПРЕДИСЛОВИЕ

Посвящается выпускникам 1960 года 
Химического факультета МГУ
им. М. В. Ломоносова

В широком спектре современной учебной литературы по химии недостает книги, в которой специально, а следовательно, и подробнее, 
рассматривалась бы многогранная по внешним проявлениям и неисчерпаемая для ума область явлений окружающего мира — химические реакции. Эти явления с особым разнообразием представлены в условиях нашей планеты. Химические реакции непрерывно 
совершаются в каждой клетке бытия. Практическим и научным 
значением химических реакций обусловлено выделение химии в 
самостоятельную науку из более всеобъемлющей науки о природе — физики. Вполне понятный интерес к химическим реакциям 
побудил авторов создать доступное на уровне общеобразовательной 
школы учебное и справочное пособие по этой важнейшей составляющей химии.
Книгу можно рекомендовать как пособие старшеклассникам общеобразовательных школ, абитуриентам, студентам технических 
университетов, всем, кто серьезно интересуется химией.
В предлагаемой книге рассматриваются вопросы, связанные с 
учением о химических реакциях: существование атомов как частиц, 
сохраняющихся при химических реакциях; стехиометрия реакций 
и основанные на ней расчеты; направление протекания реакций, 
зависящее от их энергетики; управление скоростями реакций; разновидности и классификация реакций.
 Перечисленные аспекты учения о химических реакциях излагаются в этой книге более подробно, и в известной мере с обновленных позиций. Особенно это относится к стехиометрии, современное содержание которой использовано в данной книге полнее, 
чем в других отечественных учебниках и пособиях. На этой основе 
подробно разработана методика решения задач на расчеты по уравнениям химических реакций. Запись решения типовой химической 
задачи упрощается настолько, что ее оказалось возможным использовать для оформления переплета. Эта методика, в принципе уже 
известная, с успехом может заменить сложившиеся подходы к решению таких задач, переходящие из учебника в учебник, начиная 
с первых десятилетий прошлого века.
Некоторые темы, излагаемые в существующих учебниках и пособиях вскользь и мимоходом, в предлагаемой книге представлены 

Предисловие

подробнее и глубже. Это относится, например, к принципу смещения химического равновесия, учению о комплексных соединениях, 
скоростям реакций. Обращено внимание не только на применение 
теоретических положений и уравнений, но и на их обоснование и 
вывод. К каждой главе дается краткая историческая справка, повышающая интерес к восприятию материала главы.
Справочный материал книги представлен таблицами, определениями понятий, законами. Числовые данные даются по новейшим 
источникам. Приведены многочисленные примеры рассуждений и 
расчетов, помогающие понять суть теорий.
Авторы выражают глубокую благодарность академику РАО Владимиру Андреевичу Попкову и всему коллективу кафедры общей 
химии Сеченовского Университета за уроки образования — как в 
широком, так и в формальном смысле этих слов, — результаты которых так или иначе отразились в этом труде.

ВВЕДЕНИЕ

Все, что нас окружает, — предметы природы, изделия промышленности, мы сами — состоит из веществ, пределом разложения которых при повышении температуры до 30004000С являются атомы.
Согласно результатам современных исследований Вселенной, 
материя с атомной структурой составляет около 4% всей массы в 
наблюдаемом пространстве. Остальная масса — это излучение и так 
называемая темная материя, выявляемая только по ее гравитации, 
но природа которой совершенно не ясна. Нет сомнений в том, что 
для нас, человечества, исключительно важна атомная материя, так 
как живой мир Земли, к которому мы принадлежим, основан на 
этой самой материи.
Превращения веществ человек начал целенаправленно осуществлять уже в первобытные времена, и постепенно это направление 
деятельности расширялось и усложнялось. Превращения веществ 
наблюдались в явлениях, сопровождающих смену времен года и 
при пожарах; осуществлялись в гончарном деле, металлургии, изготовлении стекла, крашении тканей, выделке шкур, приготовлении 
лечебных средств и напитков. Опытные мастера совершенствовали 
свое производство, подбирая удачный состав смесей, используя случайные производственные находки. Все это могло обеспечить лишь 
очень медленный прогресс. Ускорить прогресс невозможно было 
без науки, и она начала стихийно создаваться усилиями отдельных 
людей, которые задумывались над причинами всего происходящего 
вокруг и сущностью вещей. Зарождающаяся наука не могла развиваться без письменности. У разных народов были изобретены различные варианты письменности. Без ведения записей невозможно 
было бы сохранить накопленный опыт.
Из первого тысячелетия до Р. Х. до нас дошли имена греческих 
мыслителей, создававших умозрительные теории устройства природы и человека. Их рассуждения и выводы принято называть натурфилософией, а самих мыслителей — философами. Слово «атом» в 
греческом языке (, ) означает «неделимый». Так в натурфилософии Древней Греции называли предполагаемые частицы, 
являющиеся пределом измельчения любых тел и веществ. Идею 
существования атомов развивал философ Демокрит в V в. до Р. Х. 
Атомистика, т. е. учение о существовании атомов, не угасала на 
протяжении всех последующих веков. Натурфилософия охватывала все начатки знаний, которые теперь мы относим к математике, 
физике, химии, биологии, медицине, технике.

Введение

В следующем тысячелетии научные знания расширялись главным образом на Арабском Востоке. Наблюдения удивительных химических явлений наводили на мысль о необычайных возможностях превращений веществ. Отсюда возникла идея превращения 
легкодоступных металлов в золото, положившая начало алхимии. 
Идеи и бесконечные поиски алхимиков способствовали совершенствованию методов работы с химическими препаратами и сыграли 
определенную положительную роль, хотя и происходила трата времени и средств на ложные, тупиковые поиски.
С XIII в. оживилась научная мысль в Европе. Начали открываться университеты. Среди факультетов в европейских университетах непременно имелись медицинские факультеты, и именно выпускаемые ими врачи нередко переходили в ряды алхимиков, а потом 
и химиков.
В средневековом мире по мере развития и совершенствования 
ремесел были открыты сильные кислоты. Несмотря на опасность 
для работников, эти вещества получили широкое применение благодаря замечательным превращениям веществ, проводимым с их 
участием. Три главные кислоты, серная, азотная и соляная, известны не только химикам, но и вообще всем как соединения, 
имея дело с которыми надо проявлять большую осторожность и 
соблюдать инструкции.
Можно предполагать, что первой была получена серная кислота 
H2SO4, так как она может образовываться самопроизвольно из природных веществ:

S O2 SO2

2SO2 O2 2SO3 (медленно)

SO3 H2O H2SO4
От мастеров требовалось изобрести способ получения кислоты 
в концентрированном виде. Одним из способов было термическое 
разложение сульфатов с низкими температурами разложения, например Fe2(SO4)3 · 9H2O. Имея концентрированную серную кислоту, 
можно было путем перегонки получать другие кислоты. Использование азотной кислоты описано в трактатах Джабира в VIII в. Соляную кислоту впервые получил Василий Валентин в начале XVI в. 
в Германии. Личность Василия Валентина не ясна. Возможно, что 
это псевдоним какого-то образованного монаха-алхимика.
Химия как наука возникла приблизительно в начале XVII в. 
в условиях общего повышения интереса к освоению и расширению 
знаний. Одаренные выходцы из состоятельных классов общества создавали свои лаборатории и проводили опыты просто из стремления 
понять сущность веществ и их превращений. Началось накопление 
экспериментальных данных об атомном строении вещества, закончившееся прямым подтверждением реальности атомов. Важнейшие 

Введение

«блоки» в становлении научной химии были заложены английским 
ученым Робертом Бойлем (16271691). Он разграничил понятия 
простого тела (элемента) и смешанного тела (сложного вещества). 
Элементом по Бойлю должно быть вещество, а не некое неуловимое 
начало типа огня, сухости, холода. Бойль обосновал необходимость 
эксперимента в химии, как заранее спланированного опыта, позволяющего подтвердить или опровергнуть какие-то научные идеи и 
предположения. Бойль обнаружил увеличение массы металла после прокаливания его на воздухе, но не дал этому факту верного 
объяснения. В тот момент истории еще не было представления о 
том, что в превращении вещества может участвовать какая-то часть 
воздуха. Если бы Бойль провел опыт с металлом в запаянной реторте, то смог бы открыть закон сохранения массы. Это открытие 
было сделано уже в следующем веке М. В. Ломоносовым (1748), 
а позднее и А. Лавуазье (1789).
Исследования газов сыграли важную роль в развитии атомномолекулярного учения. Во второй половине XVIII в. в химии был 
период, названный пневматической химией, когда особый интерес 
исследователей обратился к газам. Самые известные ученые этого 
периода — Дж. Блэк (17281799), Г. Кавендиш (17311810), Дж. Пристли (17331804), Д. Резерфорд (17491819), К. Шееле (17421786). 
Пневматики установили, что воздух состоит из нескольких газов, 
а также открыли много газообразных веществ.
В древности по мере развития ремесел и знаний о природе человек сталкивался с возрастающим числом веществ, которые получали 
названия, происхождение которых трудно установить. В алхимический период заметно возросло количество известных соединений, и 
присваиваемые им названия отражали их свойства или источники 
получения. Так было вплоть до конца XVIII в., когда уже развивалась химическая наука и стало трудно ориентироваться в названиях многочисленных веществ. В 1782 г. французский ученый 
Г. де Морво высказал идею о необходимости систематизации их названий. Была создана комиссия, в которую входили известнейшие 
ученые — А. Л. Лавуазье, Г. де Морво, А. Ф. Фуркруа и К. Л. Бертолле — и которая представила в 1787 г. проект химической 
номенклатуры. Каж дому химическому веществу присваивалось название, характеризующее его состав.
В этом проекте номенклатуры простые вещества были разделены на металлы и неметаллы. Сложные вещества получили названия, состоящие из двух слов, указывающих на принадлежность 
вещества к определенному классу и виду, подобно ботаническим 
названиям растений. Например, среди веществ класса кислот появились названия «серная кислота», «фосфорная кислота», «борная 
кислота», «уксусная кислота» и т. д.
К началу XIX в. было известно уже 43 химических элемента. 
Для удобного выражения состава веществ и для написания хими

Введение

ческих текстов понадобилась разработка химической символики. 
За выполнение этой задачи взялся один из крупнейших химиков 
шведский ученый Й. Я. Берцелиус. Элементы-неметаллы он предложил обозначать первой буквой их латинского названия. Для металлов он стал использовать две первые буквы названия. Для неметаллов, начинающихся с одной и той же буквы, также потребовалось 
использовать две первые буквы (cера S и селен Se). В дальнейшем 
для вновь открываемых элементов допускались отклонения от этих 
правил, в отдельных случаях изменялись символы элементов, но в 
общем символика Берцелиуса используется по сей день.
Для записи формул сложных веществ Берцелиус предлагал излишне запутанные правила. Они не вошли в арсенал химического 
языка. Но позднее он ввел формулы веществ, в которых число атомов элемента в составе вещества обозначалось верхним индексом. 
Практически применялись иногда верхние, иногда нижние числовые индексы. Верхние индексы использованы, например, в первых 
изданиях «Основы химии» Д. И. Менделеева. В XX в. стали применяться только нижние индексы.
Также Й. Я. Берцелиус, который уже упоминался как автор 
символики химических элементов, разрабатывал химическую номенклатуру. Он впервые применил приставки, суффиксы и окончания для формирования систематических названий химических 
соединений. Берцелиус также построил электрохимический ряд 
элементов, который в настоящее время может рассматриваться как 
ряд по повышению электроотрицательности атомов.
С созданием формул веществ появилась возможность записи 
химических превращений в виде уравнений химических реакций. 
В 1823 г. запись химического взаимодействия веществ в форме уравнения реакции предложил Й. Деберейнер. В 1826 г. французский 
химик Ж. Дюма применил уравнения химических реакций уже в 
законченном виде. Эти уравнения не сразу приняли известную нам 
форму. Например, в изданиях второй половины XIX в. встречаются 
уравнения, в которых формулы исходных веществ разделены знаком «», а формулы продуктов записаны через запятые. Уравнения 
обратимых реакций со знаком обратимости появились в учебниках 
только в прошлом веке.
Раздел науки «химия комплексных соединений» появился в 
химии довольно поздно — в самом конце XIX в. К этому времени учеными в разных странах было синтезировано достаточно 
много химических соединений, которые не подчинялись установившимся представлениям о валентности элементов. Состав большинства известных веществ соответствовал обычно наблюдаемым 
валентностям, но были известны и такие вещества, которые обнаруживали способность к реакциям присоединения, в результате 
чего получались новые вещества с отклонениями от нормальной 
валентности.