Общая химия

 В.В. Болтромеюк





                Общая химия







  Утверждено
  Министерством образования

   Республики Беларусь в качестве учебника для студентов учреждений высшего образования




















  Минск «Вышэйшая школа» 2012

УДК 54(075.8)
ББК 24я73
    Б79
   Р еценз енты: кафедра общей и биоорганической химии УО «Гомельский государственный медицинский университет» (заведующий кафедрой кандидат химических наук, доцент А.В.Лысенкова); профессор кафедры общей химии и методики преподавания химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук И.Е.Шиманович
   Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства
      Болтромеюк, В. В.
Б79 Общая химия : учеб. пособие / В. В. Болтромеюк. -Минск : Выш. шк., 2012. - 624 с. : 188 ил.
         ISBN 978-985-06-2144-3.

         Рассмотрены избранные разделы физической, коллоидной и общей химии, которые необходимы при изучении физикохимической сущности и механизма процессов, происходящих в организме человека на молекулярном и клеточном уровнях.
         Для студентов учреждений высшего образования по специальностям «Лечебное дело», «Педиатрия».
         Будет полезно преподавателям и аспирантам.
УДК 54(075.8)
ББК 24я73
Учебное издание
Болтромеюк Виктор Васильевич
ОБЩАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие

Редактор А.В.Новикова. Художественный редактор Т.В.Шабунько. Технический редактор НАЛебедееич. Корректоры В.И.Аверкина, ТВ.Кульнис, ЕЗЛипень, Н.Г.Баранова. Компьютерная верстка ААНечая.
Подписано в печать 24.09.2012. Формат 84x108/32. Бумага офсетная.
Гарнитура «Peterburg». Офсетная печать. Усл. печ. л. 32,76.
Уч.-изд. л. 34,1. Тираж 1000 экз. Заказ 2179.
Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая школа”». ЛИ № 02330/0494062 от 03.02.2009. Пр. Победителей, И, 220048, Минск, e-mail: market@vshph.com http://vshph.com
Филиал № 1 открытого акционерного общества «Красная звезда».
ЛП № 02330/0494160 от 03.04.2009. Ул. Советская, 80, 225409, Барановичи.
ISBN 978-985-06-2144-3       © Болтромеюк В.В., 2012
                             © Оформление. УП «Издательство “Вышэйшая школа”», 2012

        ПРЕДИСЛОВИЕ


   Подготовку современного врача, достижения медицины нашего времени невозможно представить без соответствующей базы, которую закладывают фундаментальные естественно-научные дисциплины: физика, биология и, конечно, химия. Изучение достижений современной химии наряду с освоением ее накопленного за многие годы научного и практического опыта позволяет глубоко понимать закономерности протекания процессов жизнедеятельности в живых организмах, находить разнообразные методы и средства лечения болезней.
   Содержание образовательно-учебного материала должно быть направлено на освоение химических знаний на основе законов, теорий, понятий, связанных с общей, физической и аналитической химией. Обучение студентов при этом ориентируется не только на получение конкретных теоретических знаний, но и на приобретение ими практических умений и навыков, необходимых в будущей профессии, на формирование у них понимания роли и значения химии в повседневной жизни людей и в развитии общества.
   Главная роль при решении данных задач отводится физической химии, представляющей собой науку, объясняющую химические явления и устанавливающую их закономерности на основе общих принципов физики.
   Объектами изучения физической химии являются любые системы живой и неживой природы, в которых могут протекать химические превращения.
   Физическая химия исследует происходящие в данных системах изменения, сопровождающиеся переходом химической энергии в ее различные физические формы: тепловую, лучистую, электрическую, механическую и т.д. Она рассматривает химические процессы не сами по себе, а в неразрывной связи с сопровождающими их физическими явлениями — выделением (поглощением) теплоты, образованием электрического заряда, прохождением электрического тока и т.п.
   Основной задачей современной физической химии является установление детальных механизмов, изучение и объяснение основных закономерностей, определяющих направление химических процессов, скорости их протекания,

3

влияние на них характера среды, примесеи, температуры, излучения и других внутренних и внешних факторов.
   Главными разделами физической химии являются химическая термодинамика и химическая кинетика. Наряду с ними она включает учение о строении атомов, ионов, молекул, учение о механизме образования химической связи, коллоидную химию, электрохимию, учение об истинных растворах низкомолекулярных соединений и полимеров. Служит теоретической основой неорганической, органической, фармацевтической и аналитической химии, а также химической и физико-химической технологий. Оказывает существенное влияние на формирование естественнонаучного стиля мышления студентов медицинских вузов, дает им необходимые знания для рассмотрения физико-химической сущности и механизмов процессов, происходящих в организме человека на молекулярном и клеточном уровнях.


Автор

            ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА БИОЭНЕРГЕТИКИ



        ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

  Термодинамика как научная дисциплина сложилась в начале XIX в. и является одной из составных частей физической химии. Она изучает общие законы взаимного превращения энергии из одной формы в другую в результате протекания физических, химических или физико-химических процессов.
  Термодинамика включает следующие разделы: 1) общую, или физическую, термодинамику, изучающую наиболее общие законы превращения энергии; 2) техническую термодинамику, рассматривающую взаимопревращения теплоты и механической работы в различного рода машинах и двигателях; 3) химическую термодинамику, предметом изучения которой являются превращения различных видов энергии при протекании химических реакций, процессов растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции.
  Химическая термодинамика количественно определяет тепловые эффекты вышеперечисленных процессов, выясняет возможность самопроизвольного их протекания в том или ином направлении и условия, при которых химические реакции будут находиться в состоянии равновесия. Причем изучение происходящих превращений не требует, с позиций термодинамики, сведений об их механизмах, представлений о строении молекул, участвующих в реакциях веществ. Достаточно только знать начальное состояние системы и те внешние условия, в которых она находится.
  Следует подчеркнуть также, что термодинамика не может ответить на вопросы о том, с какой скоростью и по какому механизму будет протекать тот или иной процесс, какое количество времени потребуется для достижения в нем химического равновесия.
  В настоящее время термодинамический метод исследования является одним из наиболее надежных и эффектив

5

ных средств для изучения обмена веществ и энергии, происходящего в клетках животных, растений и человека.
  Живые организмы усваивают поступающие к ним из окружающей среды вещества, перерабатывают их, синтезируют и накапливают новые высокомолекулярные соединения для создания и обновления клеток и тканей, аккумулирования больших запасов химической энергии. Совокупность всех этих процессов называют ассимиляцией или анаболизмом (рис. 1).

Питательные веществ

Q

ТЕПЛОТАПоддержание постоянной температуры тела; рассеяние энергии (диссипация)

к А т А Б О Л И 3 м

РАБОТА

химическая, ■ механическая, электрическая, другие виды

Биосинтез веществ,г*-необходимых для жизнедеятельности/

А Н А Б О Л и 3 м



Рис. 1. Энергетические потоки в живых системах


   Одновременно в организме протекают противоположные процессы — диссимиляция, или катаболизм, сводящиеся к разложению сложных органических соединений, окислению их до Н₂О, СО₂ и высвобождению при этом энергии.
   В раннем периоде развития в организме человека, как и во всем живом, процессы ассимиляции превалируют над диссимиляцией, но по мере приближения к старости начинают доминировать процессы диссимиляции, что приводит к уменьшению в организме запасов химической энергии.
   Изучением данных явлений занимается биоэнергетика, которую можно рассматривать одновременно и как часть биохимии, и как часть биофизики.
   Теоретической же основой биоэнергетики и инструментом, с помощью которого она решает свои задачи, является химическая термодинамика.

6

Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные

   При изложении основных положений термодинамики пользуются набором определенных строго сформулированных понятий, начальное из которых - понятие термодинамической системы, являющейся объектом исследования в термодинамике.
   Под термодинамической системой подразумевают избранную совокупность тел или веществ, состоящую из большого числа структурных единиц (молекул, атомов, ионов) и отделенную от окружающей внешней среды определенной границей, или поверхностью раздела. Внешняя среда или внешний мир представляет собой то, что находится с наружной стороны поверхности раздела.
   Выделение термодинамической системы из окружающей среды или внешнего мира весьма относительно. Менее сложные системы, являясь самостоятельной структурной единицей, могут одновременно быть составными частями более сложных систем, в данном случае они часто называются подсистемами. Это можно проиллюстрировать на примере биологических систем, расположенных в порядке усложнения в следующем иерархическом ряду: органелла — клетка — ткань — орган — система органов — организм — популяция — биоценоз — биосфера.
   Граница, или поверхность, раздела термодинамической системы может представлять собой какую-нибудь реальную оболочку. Например, стенки сосуда, в котором осуществляется химическая реакция, мембрана животной и растительной клеток. Но чаще всего граница бывает воображаемой, или условной, и наделенной заранее заданными свойствами. Так, она может быть проницаемой или нетеплопроводной, механически жесткой или нежесткой, т.е. способной изменять свои размеры.
   В зависимости от свойств поверхности раздела термодинамические системы делятся, в первую очередь, на закрытые, открытые и изолированные (рис. 2).
   Закрытые системы обмениваются с внешним миром только энергией, а открытые — и веществом, и энергией. Изолированные системы не могут обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

7

Рис. 2. Примеры закрытой (а), открытой (б) и изолированной (в) систем

   Следует подчеркнуть, что реальные системы никогда не бывают абсолютно изолированными, они лишь в той или иной степени приближаются к данному понятию, но полностью с ним не совпадают.
   Некоторые системы можно поместить (реально или мысленно) в условия, которые делают их искусственно изолированными. Примером такой изолированной системы является химическая реакцая, идущая в термостате. Изменение энергии в ходе протекания реакции компенсируется включением или выключением нагревателя, в результате чего общая энергия системы будет оставаться постоянной.
   Закрытые и открытые системы существовуют реально, причем наиболее распространенные системы в природе — открытые системы. К их числу относятся все биологические системы: животные и растительные клетки, организмы, человек и т.д. Пример закрытой системы — любой герметический сосуд с протекающей в нем той или иной химической реакцией.
   Термодинамика открытых систем описывается с помощью сложного математического аппарата, который до настоящего времени полностью не разработан. Закрытые и особенно изолированные системы имеют более простое математическое описание, и полученные на их основе результаты часто успешно используются для прогнозирования протекания аналогичных физико-химических процессов в открытых системах.
   В зависимости от своего состава термодинамические системы подразделяются на простые, или однокомпонентные, и сложные, или многокомпонентные (рис. 3).
   Простые системы состоят только из одного вещества, сложные системы включают несколько различных химических веществ.

8

Рис. 3. Различные виды термодинамических систем:
а — однофазная гомогенная система, состоящая из воды; б — двухфазная однокомпонентная система «вода — пар»; в — трехфазная однокомпонентная система «лед — вода — пар»; г — трехфазная многокомпонентная система «СаСО₃ — СаО — СО₂»; Э — четырехфазная многокомпонентная система «ртуть — вода — бензол — пар»; е — неустановившаяся система с неопределенным числом фаз

   Если между отдельными частями системы не существует физических, т.е. реальных, границ раздела, то такие системы называются гомогенными (однородными). Свойства данных систем, находящихся в состоянии равновесия, одинаковы во всех их точках (см. рис. 3, а).
   Существуют также системы, между отдельными частями которых имеются границы раздела. При переходе через них многие свойства меняются скачкообразно. Такие системы называются гетерогенными (см. рис. 3, б—е).
   Совокупность всех однородных по составу и физико-химическим свойствам частей гетерогенной системы, отделенной четкой и определенной поверхностью раздела,

9

называется фазой. Гомогенные системы всегда состоят из одной фазы, а гетерогенные являются многофазными: двухфазными, трехфазными и т.д. Очень часто вещества, находящиеся в различных фазах, отличаются друг от друга агрегатными состояниями (см. рис. 3, б, в). Но могут быть и гетерогенные системы, в которых разные фазы находятся в одном и том же агрегатном состоянии. Например, три несмешивающиеся между собой жидкости: бензол, вода и ртуть (см. рис. 3, д).
   И гомогенные, и гетерогенные системы могут быть однокомпонентными и многокомпонентными.
   Однокомпонентной гомогенной системой является любое жидкое или газообразное вещество, помещенное в тот или иной сосуд (герметический или открытый).
   Трехфазной гетерогенной системой, состоящей из одного химического вещества, является, например, сосуд, частично заполненный водой, в которой плавают кусочки льда, а над поверхностью жидкости находятся водяные пары (см. рис. 3, в).
   Многокомпонентной гомогенной системой является смесь из нескольких газов (например, воздух), истинный раствор вещества (или смеси веществ) в воде либо в каком-нибудь другом растворителе.


        Термодинамические параметры

   Физические величины, характеризующие какое-либо свойство системы, называются термодинамическими параметрами. Они могут быть микроскопическими и макроскопическими.
   Совокупность значений размеров и масс всех частиц (молекул либо ионов), составляющих систему, их положений в пространстве, скоростей движения и так далее, называется набором микроскопических параметров.
   Величины, характеризующие всю систему в целом (давление, объем, температура, масса, плотность и т.д.), называются макроскопическими параметрами.
   Некоторые макроскопические параметры системы (масса, внутренняя энергия) могут быть заданы как сумма соответствующих микроскопических параметров. В соответствии с этим макроскопические параметры делятся на две группы: экстенсивные и интенсивные параметры.


10