Введение в общую химию

министерство образования и науки 
российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖнЫй ФедераЛЬнЫй университет»

Химический факультет

Т. Г. Лупейко

ВВедение В общую химию

Учебник

ростов-на-дону
издательство Южного федерального университета
2010

удк 542.8
ббк  .24.1 
Л 85

Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Южного федерального университета

Рецензенты:
заведующий кафедрой химии ростовского государственного строительного  
университета, доктор технических наук, профессор В. Т. Мальцев;
профессор кафедры общей и неорганической химии ЮФу А. А. Нестеров

Учебник подготовлен и издан в рамках национального проекта  
«Образование» по «Программе развития федерального государственного  
образовательного учреждения высшего профессионального образования  
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»

Лупейко Т. Г.

Л 85 
 
введение в общую химию: учебник. – ростов н/д: изд-во ЮФу, 2010. – 232 с.
 
ISBN 978-5-9275-0763-4
в работе обсуждается широкий круг взаимосвязанных вопросов, в числе которых 
строение атомов, квантовая механика, химическая связь, строение и свойства молекулярных и других веществ, понятия и определения химии, методология решения химических задач, моделирование фазовых систем.
учебник рассчитан на студентов, начинающих изучать химию в высшей школе, и 
подготовлен в необычной для традиционных учебников, увлекательной форме с целью 
не только научить, но и приобщить читателя к научному творчеству. Помимо студентов, работа может быть полезна преподавателям химии средних школ, школьникам и 
абитуриентам в качестве ориентира постшкольного изучения химии. а с учетом его 
нетрадиционного  стиля и  методологической направленности может заинтересовать 
других читателей, как изложение захватывающих перипетий становления химической 
науки и опыта решения ее задач.
допущено умо по классическому университетскому образованию для студентов, 
обучающихся по специальности 020101.65 – Химия.
 
удк 542.8
ISBN 978-5-9275-0763-4 
ббк 24.1 

© Лупейко т. Г., 2010
©  оформление. макет. издательство  
Южного федерального университета, 2010

Студент не сосуд, который надо наполнить, 
а светильник, который надо зажечь.

Неизвестный автор

пРедисЛоВие

основанием для подготовки настоящей работы были две основных причины. одна из них состояла в том, что в отечественном университетском 
химическом образовании первой изучается неорганическая химия. в связи 
с этим возникает потребность в кратком установочном курсе, в котором в 
доходчивой, понятной вчерашнему школьнику форме были бы изложены 
основные начала современной теоретической химии.
вторая причина заключалась в следующем. в настоящее время известно 
немало учебников химии. большинство из них написано химически профессионально, обстоятельно и… скучно. для молодежной аудитории, на которую 
эти учебники в первую очередь рассчитаны, этот момент является серьезным 
недостатком. и речь здесь идет не только о том, что такой стиль не соответствует современным информационным технологиям, рассчитанным на эту 
возрастную группу. самое неприятное, что за рафинированным изложением 
фактического материала теряется динамика. Химия в таком изложении предстает совокупностью многочисленных состоявшихся и незыблемых фактов 
(процессов, закономерностей), у которых не просматривается ни история, ни 
развитие, то есть теряется их живое, творческое начало. необходим новый 
подход к изложению фактического материала. Этот материал должен иметь 
свою предысторию, логично вытекать из анализа ограниченного числа исход- 
ных положений и складываться в общую картину развивающегося химичес- 
кого дизайна. в настоящей работе предприняты шаги в этом направлении. 
«Просто о химии», «как делаются открытия в химии», «введение в общую химию», «начала общей химии» – это те названия, которые в какой-то 
мере подошли бы к настоящей работе. Первое из них передает специфику изложения материала, второе – стремление раскрыть перед читателем на конкретных примерах увлекательнейший процесс научного творчества, благо 
сам материал в этом плане богатейший. однако в этих названиях не получают отражение другие стороны работы. два последних заголовка свободны от 
этих недостатков и несут важную смысловую нагрузку – показать, что те сведения, которыми мы сегодня располагаем в области теоретической химии, 
только введение в эту область знания, а впереди – открытый фронт работы и 
исследования для всех, кто к этому стремится. 
Поставленные задачи предопределили особенности настоящей работы. 
они состоят в том, что изложение материала дается, как правило, в историческом развитии, сопровождается авторским комментарием, наглядными 
примерами и стремлением приобщить читателя к творческому процессу познания. 

автор благодарен преподавателям кафедры общей и неорганической химии Южного федерального университета а. Ф. Пересунько, а. с. Пахомову, 
в. в. крикову, и. в. Лисневской, е. м. баян за ценные замечания по работе, 
а также студентам м. П. Петрову и в. с. Чернову за помощь в оформлении рисунков. особая благодарность профессору а. а. нестерову и доценту 
в. б. налбандяну, чья помощь была явно выше простых замечаний. При этом 
часть материала модуля 13 подготовлена на базе лекций в. б. налбандяна, а 
результаты, получившие отражение в модуле 15, являются итогом совместной работы автора с доцентами н. и. тарасовым и в. н. зяблиным. автор 
благодарен также всему коллективу кафедры, творческая атмосфера которого во многом способствовала появлению этой книги.
настоящая работа, как и любая другая, несет отпечаток авторского опыта 
и восприятия предмета, и в этом ее небольшие достоинства и большие недостатки. автор заранее искренне признателен всем за любую помощь в исправлении этих недостатков.

ВВедение

когда в начале двадцатого столетия, нильс бор, ставший впоследствии 
знаменитым, сформулировал свои постулаты, послужившие научной основой объяснения необычного строения атома, это было не только выдающееся 
научное событие, но и достойный уважения поступок исследователя. ситуацию того времени можно представить примерно так. да, «самокритично сознавался» н. бор, мы пока не в состоянии объяснить, почему именно так 
необычно устроен атом. но, если принять без доказательства ряд положенийдопущений (постулатов), то, исходя из них, можно получить удивительно 
логичную, хотя и необычную, картину атомной структуры. такой подход позволил н. бору серьезно продвинуться в исследовании строения атома, за 
что ему была присуждена нобелевская премия, а мы получили наглядный 
образец того, как можно в науке двигаться вперед. одновременно это пример самокритичной оценки исходных посылок, позволивших сделать вклад 
в решение проблемы, благодаря чему, был не только достигнут серьезный 
прогресс в понимании строения атома, но и со всей остротой встали новые, 
фундаментальные и увлекательные вопросы, связанные с природой самих 
постулатов. 
на смену постулатам бора пришла квантовая механика. она «берется» 
решать проблемы, связанные с необычными законами микромира и, в частности, объяснить постулаты бора, выяснить особенности строения атома как 
одного из объектов микромира. собственно для этого она и была разработана. Пока, не касаясь ее возможностей (об этом речь впереди), обратим внимание только на то, что квантовая механика исходит из двойственной природы 
объектов микромира. удивительно, но факт: объекты микромира по своей 
природе корпускулярно-волновые кентавры. При этом от всеобщего внимания почему-то ускользает та деталь, что это исходное положение по существу 
постулат. не ясно почему, но если признать корпускулярно-волновой дуализм микромира, то можно объяснить экспериментальные данные. При этом 
квантовая механика является всего лишь техническим (математическим) 
инструментом, который, взяв за основу этот негласный постулат, пытается, 
используя различные подходы, по возможности точнее передать необычную 
механику, состояние и природу объектов микромира. 
основной рабочей «лошадкой» химии в квантовом мире является электрон – типичное корпускулярно-волновое «создание» этого мира. «Поведение» электрона можно понять только с учетом его непривычной для объектов макромира, специфичной природы. еще более необычной, интересной 
и многообразной становится ситуация, когда электрон не свободен, а удерживается, например, положительно заряженным ядром атома. (вот уж джин 
в бутылке!) его «вольнолюбивая» волновая ипостась не исчезает, а удиви

тельным образом трансформируется в ограниченном атомном пространстве. 
в итоге, двойственность природы электрона в сочетании с «прокрустовым 
ложем» поля ядра создают неповторимую ауру атомной структуры. если же 
речь идет о поле двух или большего числа ядер, да еще с участием не одного, а двух и большего числа электронов, то это уже удивительная и необъятная «терра инкогнито». она является основой для понимания и объяснения химической связи, строения молекул, а также строения и свойств более 
крупных структурных образований. Понять и описать механику электрона 
или электронов в таких ситуациях – значит выяснить и объяснить тонкости 
строения атома, природу химической связи, особенности строения вещества 
и другие вопросы. 
Подходов к решению этой задачи в рамках квантовой механики известно 
немало. но ясно, что природа электронов одна, а подходов к ее описанию 
может быть сколь угодно много, и насколько они удачны, это еще тот вопрос. 
отсюда следует, что нынешняя квантовая математическая алхимия (возможно, так будут называть в недалеком будущем современную теоретическую 
химию), далеко не абсолют в своих возможностях и получаемых результатах, да к тому же в ее фундаменте «зыбкий песок», требующих выяснения 
постулатов. Почему микромир двойственен, а не, например, тройственен, 
как утверждает библия, и почему он двойственен именно в корпускулярноволновом, а не в каком-либо другом варианте и т. д. 
с учетом объектов, которым посвящена настоящая работа, она может 
быть условно разбита на три взаимосвязанные и переплетающиеся части. 
задача ее первых разделов состоит в том, чтобы проследить становление 
идей, предшествующих и создавших основу квантовой механики. При этом 
ставилась цель в простой и, вместе с тем, достаточно строгой форме представить современные достижения в области строения атома, квантовой механики и теоретических основ химической связи, а также критически оценить 
возможности квантовой химии. в целом речь идет о такой области научных 
знаний, которая составила, по существу, основу научного прогресса двадцатого столетия и, в частности, основу современной теоретической химии.
во второй части работы речь идет о химической связи и строении молекулярных и других структур вещества, а также обсуждается ряд базовых 
понятий химии. в завершающей части обсуждаются современные подходы 
к исследованию фазовых состояний конденсированных систем с использованием методов геометрического и аналитического моделирования.
начиная изложение работы, посвященной определенной области знаний, 
желательно четко определить ее место среди других изучаемых дисциплин, 
а также ее цели и задачи в общей системе знаний. в этом плане настоящая 
работа занимает по праву особое место.

во-первых, ее объектами являются фундаментальные проблемы, без 
которых невозможна современная трактовка и изучение химических (да и 
многих других) дисциплин. действительно, как можно говорить о свойствах 
веществ, не располагая знаниями о строении и свойствах атомов, обсуждать 
проблемы химии и, в частности, химические процессы или строение вещества без представлений о природе химической связи и т. д.
второй особенностью настоящей работы является то, что ее фактический 
материал является прямым отражением уровня нашего современного понимания и восприятия системы мироздания в целом, то есть тематика работы 
напрямую связана с проблемами, которые всегда волновали лучшие умы. 
действительно, что может быть более интересным и захватывающим для 
человеческого разума в сравнении с поиском ответов на такие вопросы, как: 
что есть окружающий нас мир и каковы его основы? 
и, наконец, эта работа относится к области науки, которая особенно богата примерами того, как в процессе научного познания прокладывает дорогу, 
пульсирует и бьется живая творческая мысль с ее трагическими заблуждениями, обидными ошибками, удивительными находками и гениальными озарениями, то есть примерами того, как делаются открытия и как развивается 
процесс научного творчества.
излагая материал, постараемся максимально приобщиться к тернистому 
историческому пути становления знаний о строении вещества и химической 
связи. При этом постараемся пройти его основные этапы, так как, с одной 
стороны, это выверенный жизнью, и, следовательно, самый логичный и доказательный путь к современным представлениям в этой области знаний, а 
c другой – это сам по себе увлекательный процесс, так как он буквально 
пестрит примерами научного творчества и логики научных доказательств. 
(настоящий детектив, только не выдуманный.)
Хотелось бы также отметить еще одну интересную закономерность. наиболее революционные, поворотные научно-технические открытия совершались, как правило, на границе веков. в связи с этим интересен вопрос: что 
век наступивший нам готовит помимо наметившегося прорыва в области систем коммуникации? Пока мы можем дать исчерпывающий ответ только на 
вопрос о том, что предшествовало появлению важнейших научных событий 
двадцатого столетия. на этом материале попытаемся понять или хотя бы почувствовать логику развития научного прогресса. кто знает, может при этом 
приблизимся и к ответу на поставленный вопрос.
давайте начнем отсчет событий с конца девятнадцатого столетия, на миг 
окунувшись в атмосферу того, по своему удивительного и неповторимого 
времени. Это время всеобщего триумфа в науке атомистики и механики. достаточно вспомнить совершенство и всеобщность периодической системы 

элементов д. и. менделеева и удивительные успехи небесной механики, эти 
поразительные по точности расчеты астрономов, касающиеся времени затмений, орбит планет, комет и других небесных тел. 
казалось, до законченной и четкой картины мироздания от космоса и 
галактик до последнего атома оставалось «рукой подать». настроение того 
времени довольно точно передает фраза одного известного исследователя: 
«а что еще осталось открывать?» Поразительное всеобщее заблуждение, но, 
как это ни странно, не столь уж редкое в научном мире. разве что в этом 
случае впечатляют масштабы заблуждения. надо же! заявить такое в преддверии века электроники!
а ведь не только заявления, но и вполне существенные вещи и, что удивительно, прямые свидетельства давних заблуждений имеют непосредственное отношение к настоящей работе. судите сами. мы начинаем изучать 
раздел, название которого – «строение атома»; звучит парадоксально, если 
вспомнить, что слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». 
таким образом, мы приступаем к изучению строения неделимого (с чем мы 
вас и поздравляем). в оправдание можно привести лишь еще более впечатляющие примеры совмещения несовместимого: завод «красная синька», роман «Горячий снег» и другие.

модуль 1 
РАЗВиТие ВЗГЛЯдоВ нА сТРоение АТомоВ

Комплексная цель модуля
дать понятие об основных этапах развития представлений о строении 
атома.

Содержание

1.1. примеры опытов, доказывающих сложность  
строения атомов 

изложение материала начнем с тех опытов, которые пробили брешь в 
представлении о неделимости атома. таких опытов-фактов в настоящее время известно много, нам нет необходимости их все перечислять. достаточно 
остановиться на каком-то их минимуме, необходимом для решения вопроса. 
По ряду соображений, в том числе и по их исторической значимости, коснемся открытия катодных лучей и опытов милликена. сошлемся также на 
открытие фотоэффекта. 
итак, что же такое катодные лучи? если в вакуумированной камере 
между впаянными электродами, один из которых (сплошной) катод, а второй (кольцевой) – анод, создать достаточную разность потенциалов, то от 
катода к аноду и далее сквозь его отверстие начнет распространяться поток излучения – катодные лучи, которые во внешнем электромагнитном поле 
отклоняются в сторону положительно заряженного полюса. их можно фиксировать по вспышкам на экране, покрытом веществом типа сульфида цинка. изменяя напряженность внешнего поля, можно управлять отклонением 
этих лучей, на чем, кстати, основана работа электронно-лучевых трубок кинескопов телевизоров, дисплеев, мониторов компьютеров и т. д. используя 
подобную установку, дж. томсону (англия, 1897 г.) удалось доказать, что 
катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц 
(названных им электронами). им была также установлена величина отношения заряда электрона (е) к его массе (me). расчет этой величины был сделан 
по степени отклонения катодных лучей во внешнем магнитном поле. Это 
отклонение, как очевидно, при одном и том же внешнем поле будет тем больше, чем больше заряд частиц, и тем меньше, чем больше их масса, то есть 
по степени отклонения, зависящей и от заряда и от массы частиц, можно 
определить только отношение этих величин, что и было сделано. значение 
этого (впоследствии уточненного) отношения следующее:

е/me = 1,7588·1011  Кл/кг.

запомним эту цифру.
в 1909–1914 гг. американским исследователем милликеном была поставлена серия остроумных опытов по изучению движения, ионизированных капель масла в поле плоского конденсатора. между пластинами конденсатора 
создавался туман из капель масла, и эти капли подвергались рентгеновскому 
облучению. При этом капли масла за счет ионизации приобретали заряд, величину которого можно было определить, зная массу капель и то напряжение на пластинах конденсатора, при котором капли переставали оседать. в 
результате было установлено, что заряд отрицательно ионизированных капель всегда кратен некоторому значению и не может быть меньше некоторой 
минимальной величины. При этом, естественно, удалось установить значение этого минимального заряда. 
объяснение результатов опыта могло быть только следующим. в процессе ионизации капля масла захватывает один или несколько электронов 
(или ионов), и поэтому заряд капель масла всегда кратен заряду электрона. 
а поскольку самое меньшее, что может быть захвачено каплей, это один 
электрон, то заряд капли масла никогда не бывает меньше заряда электрона. 
отсюда вывод – наименьший заряд капли и есть заряд электрона (однозарядного иона). впоследствии эта величина была уточнена и составила

 
е = 1,60219·10–19 Кл.

ясно, что, зная величину отношения е/mе из опытов томсона и величину 
заряда электрона е, легко определить массу электрона: 

 
me = 9,1095·10–31 кг.

никогда еще, наверное, цифра не производила больший эффект, чем полученная величина массы электрона me, так как с неумолимой логикой толкала в настоящий водоворот непреложных выводов, значение и последствия 
которых сохраняются и до настоящего времени.
действительно, самый легкий из известных атомов (напомним, мельчайший из неделимых) – атом водорода – имеет, как известно, массу 
1,67356·10–27 кг. следовательно, он примерно в 1837 раз больше по массе, 
чем электрон. (вот тебе и мельчайшая частица!)
таким образом, атом даже водорода, оказывается, не самая мелкая, как 
считали, частица материи. но может (спасительная мысль!) атом сам по себе, 
а электроны сами по себе, то есть просто открыта еще одна более мелкая, 
ранее неизвестная частица. нет, появились непреложные факты, что атомы 
содержат электроны в своем составе. так, например, было показано, что при 
облучении ряда металлов и полупроводников достаточно жестким электро