Осенью 1951 г. молодой ассистент Гарвардского университета в Кембридже (США) Джеффри Уилкинсон, только что получивший ученую степень доктора философии, впервые начал читать курс лекций по неорганической химии для студентов, а студент Ф. Алберт Коттон стал одним из первых его слушателей. Увлеченность наукой и энтузиазм быстро сделали их коллегами по научным исследованиям. Ныне лауреат Нобелевской премии по химии Дж. Уилкинсон, получивший эту награду в 1973 г. за выдающийся вклад в развитие химии металлорганических л-комплексов, и профессор Ф. Коттон, один из самых талантливых ведущих химиков США, известны не только как авторы интереснейших научных исследований, но и как выдающиеся педагоги. Написанный ими учебник «Современная неорганическая химия» выдержал несколько изданий, стал одним из наиболее популярных учебников повышенного уровня в Европе и США и был переведен на ряд языков, в том числе и на русский*.
Настоящая книга — учебное руководство начального уровня, плод долголетней работы и поисков авторов. Требования, предъявляемые к современному учебнику, очень высоки и часто противоречивы. Он должен сочетать доступность изложения с достаточной строгостью, при ограниченном объеме должен вмещать и большой фактический материал, и изложение современных теоретических концепций, и необходимый минимум сведений из смежных дисциплин.
Неорганическая химия в результате необычайно быстрого развития за последние 15—20 лет, особенно в таких областях, как химия комплексных соединений, современная теория строения неорганических молекул на основе квантовой химии, а также в результате перехода от качественного описания неорганических систем к отысканию количественных закономерностей коренным образом изменила свою структуру и содержание. Поэтому необ-
ходимость в создании новых учебников ощущается особенно остро. Но ко всем названным трудностям написания такого учебника следует добавить еще одну: главная цель преподавания этой дисциплины состоит не только и не столько в том, чтобы студент ознакомился с некоторым стандартным набором фактов и современных концепций. Студент должен творчески овладеть ими, т. е. научиться анализировать фактический материал и самостоятельно делать выводы на основе такого анализа. Блестящая эрудиция обоих авторов, их богатый педагогический опыт, тщательный подбор материала и многочисленные методические находки, облегчающие усвоение предмета, позволили им в основном преодолеть указанные сложности. Более того, им удалось создать увлекательную книгу, приоткрывающую перед читателем, даже хорошо знакомым с предметом, новые перспективы развития, или освещающую уже известные факты с абсолютно новой точки зрения. Сложные современные концепции авторы стремятся изложить в простой качественной форме, и они так умело иллюстрируют их большим числом данных, удачно подобранных в диаграммы, таблицы и рисунки, что изложение не теряет убедительности.
Нельзя не упомянуть также о системе контрольных вопросов, которая будет очень полезна читателям. Они расположены в конце каждой главы, и их больше, чем в обычных учебниках. Все вопросы разбиты на две группы: для контроля (А) и для обучения (Б). Первая из них (до 20—25 вопросов) охватывает основные положения предшествующей главы, как правило в порядке их следования в тексте и в логической последовательности. Вторая группа — это вопросы, которые заставляют продумать материал с иной точки зрения, в связи с другой проблемой или применить его для решения задачи, часто непосредственно взятой из последних научных работ.
При переводе книги на русский язык мы стремились максимально сохранить стиль авторов и лишь исправили немногочисленные очевидные неточности и опечатки, а также дополнили списки литературы, рекомендованной для более глубокого изучения, книгами и обзорами, изданными в нашей стране (отмечены в списке звездочкой).
Нет сомнения в том, что этот интересный, современный и компактный учебник найдет многочисленных читателей не только среди студентов естественных и инженерных факультетов, которым он непосредственно адресован. Он будет очень полезен и будущим химикам для начального ознакомления с неорганической химией, а также окажет большую помощью преподавателям и профессорам химических дисциплин и, может быть, послужит полезным примером тем из них, кто решится взять на себя нелегкий труд написания новых учебников и учебных пособий по химии.
Ю. Устынюк
Предисловие
Тот, кто стремится к открытиям и твердому знанию, а не к догадкам и прорицаниям, тот, кто не намерен создавать иллюзорные миры в своем воображении, но желает испытывать и исследовать природу в ее настоящем собственном мире, должен во всем доходить до
истинных фактов.
Ф. БЭКОН, 1620
Уже существует несколько учебников по неорганической химии, значительно меньших по объему, чем наша монография «Современная неорганическая химия»*. Более того, в большинстве из них много внимания уделено вводной теории, которую мы исключили из нашей большой книги в целях экономии места. В результате все эти учебники содержат очень мало того, что составляет истинное тело неорганической химии, т. е. фактов о свойствах и поведении неорганических соединений.
Мы написали книгу «Основы неорганической химии» с целью помочь в изучении этой науки студентам, которые не имеют времени, а иногда и склонности слишком в нее углубляться, но которым тем не менее нужно получить ясное представление об основных положениях элементарной теории валентности и об электронном строении атомов. Поэтому мы включили в книгу основные сведения и факты по этим вопросам.
Однако мы исходили из того, что в нашей книге прежде всего должны быть систематическим образом представлены факты. Мы решительные сторонники бэконовской философии в подходе ко всей химии и, в частности, к неорганической. Мы убеждены, что неорганическая химия без фактов (или почти без них), как она изложена в некоторых книгах, подобна странице музыки без ин-
Содержание
От переводчика 5
Предисловие 7
1. ПЕРВЫЕ ПРИНЦИПЫ 9
1. Некоторые предварительные сведения из физической химии 9
1.1. Системы единиц 9
1.2. Термохимия 13
1.3. Свободная энергия и энтропия 19
1.4. Химическое равновесие 20
1.5. Использование значения ДО° для предсказаний 20
1.6. Зависимость константы химического равновесия or температуры 22
1.7. Кинетика реакций 23
1.8. Электрохимический элемент и электродные потенциалы 29
1.9. Атомные ядра и ядерные реакции 34 Контрольные вопросы 39 Глава 1. Руководство к изучению 40
Дополнительная литература 40
2. Строение атома 41
2.1. Введение 41
2.2. Волновая механика 44
2.3. Атомные орбитали в волновой механике 46
2.4. Спин электрона. Принцип исключения. Электронные конфигурации 51
2.5. Строение многоэлектронных атомов 52
2.6. Периодическая система элементов 55
2.7. Первое правило Хунда. Изменение энтальпии ионнзац-ии в
зависимости от атомного номера 58
2.8. Магнитные свойства атомов и ионов 62
2.9. Электроотрицательность 63 Контрольные вопросы 66 Глава 2. Руководство к изучению 68
Дополнительная литература 68
3. Химическая связь 69
3.1. Введение 69
3.2. Перекрывание орбиталей 69
3.3. Почему молекула Н2 устойчива, а молекула Не2 nei ? 72 43*
3.4. Общая теория МО для гомоядерных двухатомных молекул 74
3.5. Гетероядерные двухатомные молекулы 84
3.6. Теория молекулярных орбиталей для многоатомных молекул 86
3.7. Приближение локализованных связей. Валентное состояние
и гибридизация 90
3.8. Резонанс 96
3.9. Многоцентровые связи в электронодефицитных молекулах 98
3.10. Формы молекул 104
3.11. Длины связей и ковалентные радиусы 109
3.12. Молекулярная упаковка, вандерваальсовы радиусы ПО Контрольные вопросы 111 Глава 3. Руководство к изучению 113
Дополнительная литература 113
4. Ионные твердые тела 114
4.1. Введение 114
4.2. Энергия решетки хлорида натрия - 115
4.3. Обобщение и уточнение расчетов энергии решетки 118
4.4. Цикл Борна—Габера 119
4.5. Ионные радиусы ~ ¦ 121
4.6. Структуры ионных кристаллов 123
4.7. Структуры с плотными упаковками анионов 127
4.8. Смешанные оксиды металлов 128 Контрольные вопросы 129 Глава 4. Руководство к изучению 131
Дополнительная литература 131
5. Химия анионов 132
5.1. Введение 132 Кислородсодержащие анионы 133
5.2. Оксид- и гидроксид-ионы 133
5.3. Моноядерные оксо-анионы 136
5.4. Полиядерные оксо-анионы 140 Простые и комплексные анионы, содержащие галогенид-, псевдогало-генид- и сульфид-анионы 145
5.5. Ионные галогениды 145
5.6. Комплексные галогенид-анионы 147
5.7. Псевдогалогениды 148
5.8. Сульфид- и гидросульфид-ионы 149 Контрольные вопросы 149 Глава 5. Руководство к изучению 150
Дополнительная литература 150
6. Координационная химия 151
6.1. Введение 151
6.2. Координационные числа и геометрия 153
6.3. Типы лигандов 157
6.4. Изомерия координационных соединений 160
6.5. Номенклатура комплексных соединений 164
6.6. Константы образования комплексов в растворах 166
6.7. Хелатный эффект 169
6.8. Реакции комплексов 171
6.9. Обмен молекул воды и образование комплексов из гидрати-
¦ , рованных ионов 175
6.10. Реакции замещения лигандов в октаэдрических комплексах 177
6.11. Реакции замещения лигандов в квадратных комплексах 180
6.12. Реакции переноса электрона 185
6.13. Стереохимически нежесткие и флуктуирующие комплексы 189' Контрольные вопросы 192 Глава 6. Руководство к изучению 194г
Дополнительная литература 194-
7. Растворители, растворы, кислоты и основания 195
7.1. Свойства растворителя 195
7.2. Донорно-акцепторные свойства 197
7.3. Протонные растворители 197
7.4. Апротонные растворители 199
7.5. Расплавы солей 200
7.6. Растворители для электрохимических реакций 200
7.7. Чистота растворителей 201
7.8. Определения кислот и оснований 202
7.9. «Жесткие» и «мягкие» кислоты и основания 206
7.10. Ковалентная и ионная составляющие взаимодействия льюи-совских кислот и оснований 207
7.11. Некоторые общеизвестные водные кислоты 208
7.12. Некоторые правила, определяющие силу кислородсодержащих кислот 211
7.13. Сверхкислоты 212 Контрольные вопросы 214 Глава 7. Руководство к изучению 215
Дополнительная литература 215
8. Периодическая система и химия элементов 216
8.1. Введение 216 Природа и типы элементов 217
8.2. Одноатомные элементы: Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 217
8.3. Двухатомные молекулы: Н2, N2, О2, Рг, СЬ, Вг2, h 218
8.4. Дискретные полиатомные молекулы: Р4, Sn, See 218
8.5. Гигантские молекулы 219
8.6. Металлы 223 Химия элементов и ее связь с положением элементов в периодической системе 227
8.7. Водород Is1 228
8.8. Гелий Is2 и благородные газы ns2nps 229
8.9. Элементы первого короткого периода 229
8.10. Второй короткий период 234
8.11. Остальные непереходные элементы 236
8.12. Переходные элементы d- и /-блоков 243 Контрольные вопросы 246 Глава 8. Руководство к изучению 247
Дополнительная литература 247
II. ЭЛЕМЕНТЫ ГЛАВНЫХ ПОДГРУПП ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 248
9. Водород 248
9.1. Введение 248
9.2. Типы связи водорода 250
9.3. Водородная связь 251
9.4. Лед и вода 252
9.5. Гидраты и водные клатраты 254
9.6. Гидриды 255 Контрольные вопросы 257
Глава 9. Руководство к изучению 257
Дополнительная литература 257
10. Элементы IA группы: литий, натрий, калий, рубидий и цезий 258
10.1. Введение 258
10.2. Получение и свойства элементов 259
10.3. Растворы металлов п жидком аммиаке и других растворителях 261
Соединения элементов I группы 262
10.4. Бинарные соединения 262
10.5. Гидроксиды (щелочи) 262
10.6. Соли 263
10.7. Сольватация и комплексообразование катионов щелочных металлов ¦ 264
Контрольные вопросы 266
Глава 10. Руководство к изучению 268
Дополнительная литература 268
11. Элементы НА группы: бериллий, магний, кальций, стронций,
барий и радий 269
11.1. Введение 269 Бериллий 271
11.2. Элемент и его соединения 271 Магний, кальций, стронций, барий и радий 272
11.3. Элементы и их свойства 272
11.4. Бинарные соединения 273
11.5. Оксо-соли, ионы и комплексы 274 Контрольные вопросы 275 Глава 11. Руководство к изучению 276
Дополнительная литература 276
12. Бор 277
12.1. Введение 277
12.2. Выделение элементного бора 278
12.3. Кислородные соединения бора 278
12.4. Тригалогениды бора 279
12.5. Гидриды бора (бораны) и родственные соединения 281
12.6. Строение и тип связи в боранах 282
12.7. Производные боранов 286 Контрольные вопросы 292 Глава 12. Руководство к изучению 293
Дополнительная литература 293
13. Элементы 1Mb группы: алюминий, галлий, индий и таллий 294
13.1. Введение 294
13.2. Распространенность, выделение и свойства элементов 295 Химия трехвалентного состояния 296
13.3. Оксиды 296
13.4. Галогениды 297
13.5. Гидратированные ионы, оксо-соли, химия водных растворов 298
13.6. Комплексные соединения 300
13.7. Комплексные гидриды 302
13.8. Низковалентные соединения 303 Контрольные вопросы 304 Глава 13. Руководство к изучению 305
Дополнительная литература ЗЭ5
14. Углерод 306
14.1. Введение 306
14.2. Аллотропия углерода: алмаз и графит 307 Неорганические соединения углерода 309
14.3. Оксид углерода (окись углерода СО) 309
14.4. Диоксид углерода (углекислый газ) и угольная кислота 309
14.5. Соединения со связями С—N. Цианиды и родственные соединения 310
14.6. Соединения со связями С—S 314 Контрольные вопросы 315 Глава 14. Руководство к изучению 316
Дополнительная литература 316
15. Элементы IVB группы: кремний, германий, олово и свинец 317
15.1. Введение 317
15.2. Выделение и свойства элементов 318 Соединения элементов IV группы 319
15.3. Гидриды МН, 319
15.4. Хлориды МСЦ 320
15.5. Кислородные соединения 320
15.6. Комплексные соединения 321
15.7. Двухвалентное состояние 323 Контрольные вопросы 325 Глава 15. Руководство к изучению 326
Дополнительная литература 326
16. Азот 327
16.1. Введение 327
16.2. Распространенность в природе и свойства 329 Соединения азота 330
16.3. Нитриды 330
16.4. Гидриды азота 331
16.5. Соединения азота с кислородом 334
16.6. Нитроний-катион 337
16.7. Азотистая кислота 337 Контрольные вопросы 338 Глава 16. Руководство к изучению 339
Дополнительная литература 339
17. Элементы VB группы: фосфор, мышьяк, сурьма и висмут 340
17.1. Введение 340
17.2. Элементы
