Химия – наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.
Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.
Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.
Атомно – молекулярное учение.
1. Все вещества состоят из молекул. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2. Молекулы состоят из атомов. Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.
3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.
Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 110 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.
Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.
Заряд ядра – положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.
Изотопы – химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.
Массовое
число ®
Заряд ®
ядра
A
Z
Э
63
29
Cu и
65
29
Cu;
35
17
Cl и
37
17
Cl
Химическая формула – это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс – цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.
Аллотропия – явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.
Cложные вещества – молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.
Международная единица атомных масс равна 1/12 массы изотопа 12C – основного изотопа природного углерода.
1 а.е.м = 1/12 • m (12C) = 1,66057 • 10-24 г
Относительная атомная масса (Ar) – безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома 12C.
Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.
Ar(Mg) = 24,312
m (Mg) = 24,312 • 1,66057 • 10-24 = 4,037 • 10-23 г
Относительная молекулярная масса (Mr) – безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12C.
Mг = mг / (1/12 mа(12C))
mr – масса молекулы данного вещества;
mа(12C) – масса атома углерода 12C.
Mг = S Aг(э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.
Примеры.
Mг(B2O3) = 2 • Ar(B) + 3 • Ar(O) = 2 • 11 + 3 • 16 = 70
Mг(KAl(SO4)2) = 1 • Ar(K) + 1 • Ar(Al) + 1 • 2 • Ar(S) + 2 • 4 • Ar(O) =
= 1 • 39 + 1 • 27 + 1 • 2 • 32 + 2 • 4 • 16 = 258
Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения – моль.
Количество вещества, моль. Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n, измеряется в моль. Моль – количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Число Авогадро ди Кваренья (NA). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 • 1023. (Постоянная Авогадро имеет размерность – моль-1).
Пример.
Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?
Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:
n(s) = m(s) / M(s) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль
Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро NA
N(s) = n(s) • NA = 0,2 • 6,02 • 1023 = 1,2 • 1023
Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).
M = m / n
Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.
Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая – безразмерная.
M = NA • m(1 молекула) = NA • Mг • 1 а.е.м. = (NA • 1 а.е.м.) • Mг = Mг
Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO3), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2Na + Cl2 ® 2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.
Закон сохранения массы веществ
(М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.)
Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.
В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (А.Эйнштейн, 1905 г.), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия DE связана с увеличением его массы Dm соотношением DE = Dm • c2 , где с – скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы на ~10-11 г и Dm практически не может быть измерено. В ядерных реакциях, где DЕ в ~106 раз больше, чем в химических реакциях, Dm следует учитывать.
Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.
Составление химических уравнений
Включает три этапа:
1. Запись формул веществ, вступивших в реакцию (слева) и продуктов реакции (справа), соединив их по смыслу знаками “+” и “®” :
HgO ® Hg + O2
2. Подбор коэффициентов для каждого вещества так, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаково:
2HgO ® 2Hg + O2
3. Проверка числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения.
Расчеты по химическим уравнениям
Расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические расчеты) основаны на законе сохранения массы веществ. В реальных химических процессах из-за неполного протекания реакций и потерь масса продуктов обычно меньше теоретически рассчитаной. Выходом реакции (h) называют отношение реальной массы продукта (mp) к теоретически возможной (mт), выраженное в долях единицы или в процентах.
h= (mp / mт) • 100%
Если в условиях задач выход продуктов реакции не указан, его в расчетах принимают за 100% (количественный выход).
Пример 1
Сколько г меди образуется при восстановлении 8 г оксида водородом, если выход реакции составил 82% от теоретического?
Решение
CuO + H2 ® Cu + H2O
1. Рассчитаем теоретический выход меди по уравнению реакции: 80 г (1 моль) CuO при восстановлении может образовать 64 г (1 моль) Cu; 8 г CuO при восстановлении может образовать Х г Cu
2. Определим, сколько граммов меди образуется при 82% выходе продукта:
6,4 г –– 100% выход (теоретический)
Х г –– 82%
X = (8 • 82) / 100 = 5,25 г
Пример 2
Определите выход реакции получения вольфрама методом алюминотермии, если из 33,14 г концентрата руды, содержащей WO3 и невосстанавливающиеся примеси (массовая доля примесей 0,3) было получено 12,72 г металла?
Решение
a) Определим массу (г) WO3 в 33,14 г концентрата руды
w(WO3)= 1,0 – 0,3 = 0,7
m(WO3) = w(WO3) • mруды = 0,7 • 33,14 = 23,2 г
b) Определим теоретический выход вольфрама в результате восстановления 23,2 г WO3 порошком алюминия.
WO3 + 2Al ® Al2O3 + W
При восстановлении 232 г (1 г-моль) WO3 образуется 187 г (1 г-моль) W, а из 23,2 г WO3 –– Х г W
X = (23,2 • 187) / 232 = 18,7 г W
c) Рассчитаем практический выход вольфрама
18,7 г W –– 100%
12,72 г W –– Y%
Y = (12,72 • 100) / 18,7 = 68%
Пример 3.
Сколько граммов осадка сульфата бария образуется при слиянии растворов, содержащих 20,8 г хлорида бария и 8,0 г сульфата натрия?
Решение.
BaCl2 + Na2SO4 ® BaSO4¯ + 2NaCl
Расчет количества продукта реакции ведут по исходному веществу, взятому в недостатке.
1. Предварительно определяют, какое из двух исходных веществ находится в недостатке.
Обозначим количество г Na2SO4 –– X.
208 г (1моль) BaCl2 реагирует с 132 г (1 моль) Na2SO4; 20,8 г –– с Х г
X = (20,8 • 132) / 208 = 13,2 г Na2SO4
Мы установили, что на реакцию с 20,8 г BaCl2 затратится 13,2 г Na2SO4, а дано 18,0 г Таким образом, сульфат натрия взят в реакцию в избытке и дальнейшие вычисления следует вести по BaCl2, взятому в недостатке.
2. Определяем количество граммов выпавшего осадка BaSO4. 208 г (1 моль) BaCl2 образует 233 г (1 моль) BaSO4; 20,8 г –– Y г
Y = (233 • 20,8) / 208 = 23,3 г