Курс лекций по химии (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

,

Курс лекций

по химии

Допущено учебно-методическим объединением

в качестве учебного пособия для студентов вузов

Владикавказ 2005

УДК 54

ББК 24.1

Р е ц е н з е н т ы:

Зав. кафедрой общей химии МГУ, д. х.н., профессор Ф.

Профессор кафедры общей химии МГУ, д. х.н.

Зав. кафедрой химии ГГАУ, д. т. н., профессор

В учебном пособии изложены современные представления о строении атомов, молекул, кристаллических веществ и о природе химической связи. Освещены дисперсные системы, коллоидные и истинные растворы, большое внимание уделено растворам электролитов. Рассмотрены термодинамика и кинетика окислительно-восстановительных и электрохимических процессов. Рассмотрены основы идентификации веществ.

© , , 2005

© Издательство «Терек» СКГМИ, 2005

О г л а в л е н и е

Предисловие ……………………………………………………...	7
Предмет химии …………………………………………………...	8
Тема 1. Основные понятия и законы химии ……………….. 1.1. Атомно-молекулярная теория …………………………... 1.2. Основные законы атомно-молекулярного учения …….. Основные понятия и выводы ¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼.…….. Контрольные вопросы и задачи………………………………	11 12 14 20 21
Тема 2. Химия и периодическая система элементов ………. 2.1. Ядерная модель атома. Состав атомных ядер………….. 2.2. Квантово-механическое объяснение строения электрон- ных оболочек ……………………………………………... 2.3. Периодический закон и периодическая система хими- ческих элементов …………………… 2.4. Атомные и ионные радиусы ……………………………. 2.5. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроот- рицательность ………………………………………… 2.6. Кислотно-основная характеристика веществ ………….. 2.7. Окислительно-восстановительная способность веществ 2.8. Значение периодического закона ………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	23 – 25 30 35 – 37 39 40 41 43
Тема 3. Химическая связь и строение молекул ……………. 3.1. Общие представления о химической связи ……………. 3.2. Ковалентная связь ………………………………………. 3.3. Метод валентных связей ………………………………... 3.4. Метод молекулярных орбиталей ……………………….. 3.5. Ионная связь ……………………………………………... 3.6. Металлическая связь …………………………………….. 3.7. Водородная связь ………………………………………... 3.8. Межмолекулярные связи ………………………………... 3.8.1. Агрегатные состояния ……………………………... 3.8.2. Кристаллические решетки ………………………… Основные понятия и выводы ………………………………...	44 – 46 50 52 56 57 – 59 60 62 63
Тема 4. Окислительно-восстановительные реакции ……… 4.1. Составление уравнений окислительно-восстановитель- ных реакций ……………………………………………… 4.1.1. Метод электронного баланса ……………………… 4.1.2. Ионно-электронный метод ………………………… 4.2. Классификация реакций окисления-восстановления …. 4.3. Влияние различных факторов на протекание окисли- тельно-восстановительных реакций ……………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	65 67 68 69 70 71 72 73
Тема 5. Химическая термодинамика ………………………… 5.1. Термохимия ……………………………………………… 5.2. Энтропия и свободная энергия системы. Направлен- ность химических процессов …………………………… 5.3. Химическое равновесие …………………………………. 5.4. Фазовые равновесия, правило фаз ……………………… 5.5. Адсорбционное равновесие …………………………….. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………..	75 79 81 85 87 88 89 90
Тема 6. Химическая кинетика ………………………………... 6.1. Механизмы химических реакций ………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	92 98 104 105
Тема 7. Химические системы …………………………………. 7.1. Общие свойства растворов ……………………………… 7.1.1. Дисперсные системы ………………………………. 7.1.2. Истинные растворы ………………………………... 7.1.3. Растворимость веществ ……………………………. 7.1.4. Способы выражения состава растворов ………….. 7.1.5. Свойства истинных растворов …………………….. 7.1.6. Осмотическое давление ……………………………. 7.1.7. Растворы электролитов ……………………………. 7.1.8. Основы теории электролитической диссоциации. 7.1.9. Диссоциация воды. Водородный показатель …….. 7.1.10. Реакции в растворах электролитов и ионные уравне- ния …………………………………………………….. 7.1.11. Гидролиз солей ……………………………………. 7.1.12. Современные представления о природе кислот и оснований ………………………………………….. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………... 7.2. Комплексные соединения ………………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………... 7.3. Коллоидные системы ……………………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………... 7.4. Электрохимические системы …………………………… 7.4.1. Электродные потенциалы …………………………. 7.4.2.Окислительно-восстановительные потенциалы ….. 7.4.3. Направление протекания окислительно-восстано- вительных процессов ………………………………. 7.4.4. Коррозия металлов …………………………………. 7.4.5. Электролиз ………………………………………….. 7.4.6. Количественные характеристики электролитиче- ских процессов ……………………………………... 7.4.7. Химические источники тока ………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	106 – 107 108 110 113 117 120 122 123 127 130 131 134 137 139 140 143 144 145 149 150 – 151 157 159 161 163 167 168 173 175
Тема 8. Химическая идентификация и анализ вещества 8.1. Идентификация катионов неорганических веществ …... 8.2. Классификация анионов ………………………………… 8.3. Количественный анализ ………………………………… 8.4. Инструментальные методы анализа ……………………. 8.5. Электрохимические методы …………………………….. 8.6. Оптические методы анализа ……………………………. Основные понятия и выводы ………………………………... Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	177 179 182 183 185 186 189 191 192
Тема 9. Избранные вопросы химии …………………………. 9.1. Химия металлов …………………………………………. 9.1.1. Химия s - и p- металлов …………………………….. 9.1.2. Металлы II А группы ………………………………. 9.1.3. Химия некоторых р-элементов ……………………. 9.1.4. Химия некоторых d-металлов ……………………... 9.2. Общие свойства неметаллов ……………………………. 9.2.1. Углерод ……………………………………………... 9.2.2. Кремний …………………………………………….. 9.2.3. Стекло ………………………………………………. 9.2.4. Керамика ……………………………………………. 9.2.5. Цемент ………………………………………………. Контрольные вопросы ……………………………………….. 9.3. Элементы органической химии ………………………… 9.3.1. Органические вещества, применяемые в строитель- стве ………………………………………………….. 9.3.2. Полимеры …………………………………………… 9.3.3. Лаки, краски, поверхностные покрытия ………….. 9.3.4. Битумы. Дегти. ……………………………………. 9.3.5. Пластические массы ……………………………….. 9.3.6. Резиновые материалы ……………………………… 9.3.7. О физиологической активности полимерных мате- риалов ……………………………………………….. 9.4. Горюче-смазочные материалы ………………………….. 9.4.1. Топлива ……………………………………………... 9.4.2. Смазочные материалы ……………………………... 9.4.3. Охлаждающие жидкости …………………………... 9.4.4. Тормозные жидкости ……………………………….	192 193 196 198 202 205 211 217 220 223 225 226 228 229 234 – 237 238 240 242 243 244 – 247 249 250
Тема 10. Химия и экология ……………………………………. 10.1. Загрязнение воздушного бассейна ……………………. 10.2. Загрязнение водного бассейна ………………………… 10.3. Загрязнение поверхности земли ………………………. Контрольные вопросы и задачи ……………………………...	251 253 256 258 259
Рекомендуемый библиографический список …………….	260

Предисловие

Данное учебное пособие написано на основе многолетнего опыта преподавания автором химии в СКГМИ (ГТУ).

В последнее время ситуация в стране поменялась кардинально. Принципиально новые требования предъявляются ко всей системе образования. Сегодня важной задачей высшей школы является подготовка специалистов, способных коренным образом изменить научно-техническую, экономическую и интеллектуальную основу нашего общества. Современному динамичному производству нужны специалисты, готовые к резким сменам технологий и способные прогнозировать будущее. Качество подготовки инженеров существенно зависит от уровня их образования в области фундаментальных наук: математики, физики и химии. Роль и место химии в системе естественно-научных дисциплин определяются тем, что в области материального производства человеку всегда приходится иметь дело с веществом. Не зная свойств вещества, его строения, химической природы его частиц, механизмов их взаимодействия, возможных путей превращения одного вещества в другое, нельзя успешно освоить материал специальных дисциплин.

В условиях лавинообразного роста информации трудно освоить будущим специалистам весь пакет знаний, которые понадобятся им в их профессиональной деятельности. Поэтому в пособии изложены только основы главных тенденций в развитии химии, раскрыты положения, которые позволят получить ответы на самые главные вопросы. Вместе с тем предлагаемое пособие написано в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта и новыми программами курса «Химия» для технических направлений и специальностей. В сжатой и доступной форме изложены те вопросы, которые составляют «ядро химических знаний», необходимых для последующего изучения общеинженерных и специальных дисциплин.

Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой общей химии МГУ, д. х.н., профессору , профессору кафедры общей химии МГУ, д. х.н. и заведующему кафедрой химии Горского государственного аграрного университета профессору за ценные замечания и советы, способствовавшие улучшению содержания книги, а также сотруднику кафедры за помощь, оказанную при подготовке рукописи к печати.

Предмет химии

Весь окружающий нас многообразный мир, все существующее - это материя, которая проявляется в двух формах: вещества и поля. Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), например, атомов, молекул, ионов. Поле - это такая форма существования материи, которая, прежде всего, характеризуется энергией. Посредством поля осуществляется взаимодействие (притяжение или отталкивание) между частицами веществ. В качестве примера можно привести электромагнитные и гравитационные поля.

Материя находится в непрерывном движении, она неразрывно с ним связана. Формы движения материи очень разнообразны и изучаются разными естественными науками: физикой, химией, биологией и др., т. е. изучением веществ занимаются различные естественные науки, среди которых важное место принадлежит химии.

Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают качественные изменения веществ, т. е. прев­ращение одних веществ в другие. Иначе говоря, химия изучает состав, строение, свойства и превращение веществ.

Современная химия - это разветвленная система многих наук: общей, неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии и т. д.

Общая химия изучает наиболее общие законы и концепции химии, включая периодический закон, теорию химической связи, основные закономерности химических процессов, учение о растворах, окислительно-восстановительные реакции и др.

Значение химии в изучении процессов, протекающих в природе и, в частности, в живых организмах, очень велико. В результате длительных физико-химических процессов в космосе сформировались космические тела, а в недрах земли образовались залежи угля, торфа, нефти, горючих газов, металлических руд, солей и др. С помощью химии эти залежи используются человечеством как для непосредственного потребления, так и в роли сырья для производства различных продуктов.

Химические реакции лежат в основе всех жизненных процессов, протекающих в организмах растений и животных. Все продукты жизнедеятельности, как-то: целлюлоза, крахмал, сахар, жиры, белки и прочие вещества - получаются из исходных веществ, содержащихся в окружающей среде, - углекислого газа, воды, минеральных солей и др. Органические вещества растительного происхождения служат пищей для животных. В их организме путем химических превращений эти вещества преобразуются в еще более сложные вещества.

Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы ни использовались достижения химии. Химическая промышлен­ность выпускает пластические массы, искусственное волокно, синтетический каучук, красители, минеральные удобрения, лекарственные препараты и многое другое. С каждым годом возрастает роль химии в производстве продуктов питания и в производстве групп продуктов, без которых не может сущест­вовать современное производство и эксплуатация автомобилей – это:

– заправочные жидкости (топливо, масла, смазки, охлажда-

ющие жидкости и т. п.);

– резины - шины и резинотехнические изделия;

– отделочно-декоративные материалы (обивка, лаки и крас­ки, антикоррозионные покрытия и т. п.);

– клеи, герметики и т. д.

Значительно возросла роль химии в строительстве. Взрывчатые вещества применяются в строительстве дорог, тоннелей, котлованов, каналов, плотин, водохранилищ, метрополитенов и т. д. С помощью взрывчатых веществ добывается и дробится камень и другие строительные материалы. Новые химические материалы становятся такой же основой строительства, как всем известные бетон, дерево и стекло. Пластмассы значительно облегчают вес покрытий и самого строения, позволяя сократить толщину стен, уменьшить фундамент, а иногда даже обходиться без него, т. е. тем самым совершенно по-новому решать вопросы конструирования полов, потолков, перегородок, устройства санузлов, канализации, защиты от грунтовых вод и пр.

Различный профиль, цвет, хорошие гидро-, тепло - и звуко­изоляционные свойства, газо - и паронепроходимость, прочность и легкость обработки позволяют широко использовать пластмассы для внутренней отделки и изготовления мебели, оконных рам, потолков, дверей, лестниц, перил и профильных изделий. Кровля, светопрозрачные купола, световые фонари из стеклопластика не боятся атмосферных воздействий, вызываю­щих коррозию металла. Древесно-волокнистые плиты, легкие заполнители из пено - и поропластов, новые краски на основе синтетических смол, моющиеся обои облегчают строительство. Вместо окраски часто используют декоративные пластики, в которые можно запрессовать любой многокрасочный рисунок. Они не воспламеняются и выдерживают воздействие горячей мыльной воды, слабых растворов щелочей, кислот и раствори­телей.

Резко возросли выпуск и применение эластичных с гладкой внутренней поверхностью и не боящихся коррозии пластмассовых, стеклянных и резиновых труб. Из пластмасс изготавливают уголки и балки разного профиля, вентиляцион­ные решетки, различные скобяные изделия (двери, ручки, петли) и т. д.

В строительстве зданий, конструкций и мостов с успехом применяются синтетические клеи.

Исключительно велико значение химических методов защиты металлов от коррозии.

Следовательно, исходя из вышеизложенного, на современном этапе развития общества все более важной проблемой становится формирование культуры хими­ческих знаний, позволяющих человеку осознать свое единство с окружающим его миром, выработать разумное отношение к природе, конкретным веществам и материалам.

Тема 1. Основные понятия и законы химии

Если спросить у любого студента: "Из чего все состоит?" он, не задумываясь, ответит: "Из атомов". Но на вопрос о том, чем отличается атом от молекулы или иона, ответят уже не все. А уж о том, как устроены атомы и как их строение связано со свойствами веществ, которые они образуют, расскажут совсем немногие. В этой главе мы и попробуем выяснить ответы на эти вопросы.

Итак, с самого начала… Все окружающие нас предметы состоят из различных веществ. Каждое вещество обладает набором характерных свойств, которые не зависят от формы, размеров и прочих характеристик предмета, который сделан из данного вещества. Какие эти свойства? Давайте представим железный гвоздь, гаечный ключ, ковш экскаватора. Такие разные по весу, форме, размерам, они имеют белый блестящий цвет, одинаковую плотность, все они плавятся при одинаковой температуре, будут притягиваться к магниту, будут растворяться в соляной и разбавленной серной кислоте, но останутся невредимыми в концентрированной H2SO4, т. е. проя­вят одинаковые физические и химические свойства. Сахар мы узнаем по сладкому вкусу. Присутствие небольших количеств аммиака мы определяем по резкому запаху, т. е. все эти свойства являются типичными характеристиками вещества. А среди характеристик предмета мы укажем вещество (или смесь веществ), из которых он состоит. Довольно большая часть веществ не проводит электрический ток в расплаве или в растворе. Эти вещества, состоящие из электронейтральных (незаряженных) частиц, называются молекулами.

При физических превращениях молекулы не изменяются. При изменении состава молекул изменяются свойства вещества. Это происходит при химических явлениях. В процессе химичес­ких превращений одни молекулы разрушаются, другие образуются.

Где же тот предел, до которого можно разрушить молекулу химическим способом? Это частицы, которые остаются неизменными при химических превращениях и из которых построены молекулы - это атомы.

1.1. Атомно-молекулярная теория

Учение, в основу которого положено представление о том, что наименьшими структурными единицами веществ являются атомы, молекулы и ионы, называется атомно-молекулярным.

Каковы основные положения этого учения? Все вещества состоят из атомов. Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые химическим путем невозможно разделить на составные части, превратить друг в друга или унич­тожить, атом электронейтрален. При взаимодействии атомов образуются молекулы. Молекулами называют мельчайшие электронейтральные частицы вещества, обладающие всеми его химическими свойствами. Молекула - более крупная структур­ная единица, чем атом.

В настоящее время известно 110 видов атомов. Об атомах одного вида говорят, что они являются атомами одного химического элемента, т. е. химический элемент - то же самое, что вид атома.

Совокупность одинаковых атомов образует простое вещество. Простые вещества состоят из атомов или молекул.

Из атомов состоят все металлы, многие неметаллы (инертные газы, С, Si, B, Se, As, Te), а из молекул: неорганические простые газы (H2, O2, O3, N2, F2, Cl2), а также Br2, I2, P4, S8 и др.

Молекулы сложных веществ состоят из различных атомов. Сложные вещества образованы или молекулами или ионами.

Из молекул состоят практически все органические вещест­ва, небольшое число неорганических газов (NH3, CO, CO2, SO2, SO3, N2O, NO, NO2, H2S, HГ) и некоторые другие вещества.

Ион - наименьшая частица сложного вещества, пред-ставляющая собой атом или группу атомов, которые потеряли или присоединили один или несколько электронов и в результате чего приобрели избыточный положительный или отрицательный заряд.

Из ионов состоят: все соли, многие гидроксиды (основания и кислоты).

Атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном движении. Основные положения атомно-молекулярного учения разработаны в середине XVIII – начале XIX вв., благодаря работам , Дж. Дальтона и др. ученых, хотя первые представления о дискретной (прерывистой) структуре вещества возникли еще в древней Греции. Само слово "атом" древнегреческого происхождения и означает неделимый. "Молекула" - дословно «маленькая масса».

Атомно-молекулярное учение окончательно было признано в 1860 г., когда на Международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) были приняты определения атома и молекулы.

Важной характеристикой вещества является его масса. Современные методы исследования дают возможность определить массы атомов с большой точностью. Но массы атомов, измеренные в привычных для нас единицах массы (абсолютные), использовать неудобно, так как они очень малы (например, m(C)=1,993·10-26 кг), поэтому, наряду с абсолютными, пользуются относительными массами атомов и молекул, т. е. массами, определенными относительно 1/12 части массы атома углерода 12С, принятой за единицу и называемой атомной единицей массы (а. е. м.).

Абсолютная масса атомной единицы массы

m(а. е. м.)=1/12 m(C)=1/12·1,993·10-26 кг =1,66·10-23 г.

Относительной атомной массой (Ar) (r - "relative" - относительный) химического элемента называется число, показывающее во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 части атома 12С

Ar==

Значения Ar приведены в таблице химических элементов .

Поскольку масса молекулы любого вещества слагается из масс образующих ее атомов, то относительной молекулярной массой (Mr) вещества называется число, показывающее во сколько раз данная молекула тяжелее 1/12 части атома 12С

Mr==

Ar и Mr - величины безразмерные.

Наряду с единицами массы и объема в химии применяется также единица количества вещества - моль. Моль - это коли­чество вещества, содержащее столько формульных единиц, сколько их находится в 12 г изотопа углерода 12С. К формульным единицам относятся атомы, молекулы, ионы и другие частицы, входящие в состав вещества. Так как масса атома углерода 12С равна 1,993·10-23 г, то в 12 г углерода 12С содержится

N=.

Поэтому можно дать следующее определение моля.

Моль - это такое количество вещества, в котором, независимо от агрегатного состояния, содержится 6,02·1023 структурных единиц вещества.

Число 6,02·1023 называется постоянной Авогадро и обозначается NA.

Таким образом, NA указывает число структурных единиц в одном моле вещества

NA=6,02·1023 моль-1.

Масса одного моля данного вещества называется его молярной массой. Молярную массу обычно выражают в г/моль или кг/моль. Легко показать, что молярная масса М вещества численно равна его относительной атомной или молекулярной массе. Например, молярная масса магния Mg (Mr = Ar = 24) составляет 40 г/моль, а сульфата натрия Na2SO4 (Mr = 23 + 32 + 4·16 = 1г/моль.

1.2. Основные законы атомно-молекулярного

учения

Атомно-молекулярное учение объясняет один из основных законов естествознания - закон сохранения массы веществ. Впервые он был сформулирован в 1748 году Ломоносовым чисто теоретически и изложен в частном письме Леонарду Эйлеру. Экспериментальное доказательство справедливости закона было дано спустя 8 лет. В 1789 году этот же закон был повторно открыт французским ученым Антуаном Лораном Лавуазье.

Сегодня этот закон читается так: "Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции" или "Суммарная масса продуктов реакции равна суммарной массе исходных веществ".

Следующий закон, который хорошо объясняет атомисти­ческую теорию, - закон постоянства состава, который был сфор­мулирован Прустом в 1806 году: "Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, всегда имеет постоянный качественный и количественный состав".

С позиций атомно-молекулярного учения этот закон понимается следующим образом. Свойства любого вещества определяются свойствами его молекул. Молекула данного вещества состоит из определенного числа атомов определенного вида. Если изменится вид атомов или их соотношение в молекуле, то получится другое вещество. Вид атомов и их число определяют массу молекулы. Следовательно, для одной и той же молекулы (а значит, и для данного вещества, построенного из этих молекул) соотношение масс атомов, а значит, и масс элементов должно быть всегда одно и то же.

Следует отметить, что закон Пруста оспаривался его современником и соотечественником французским химиком Бертолле. В отличие от Пруста, Бертолле считал, что в зависимости от способа получения данного вещества состав его может изменяться в тех или иных пределах.

Победу в многолетнем споре одержал Пруст, утверждавший, что Бертолле якобы имел дело с не очень чистыми веществами. Однако в настоящее время установлено, что соединения, которые раньше относили к веществам, имеющим определенный состав, в действительности имеют переменный состав (например, многие оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды, гидриды и т. д.). В связи с этим те соеди­нения, которые характеризуются постоянным составом и целочисленным стехиометрическим отношением компонентов, называют дальтонидами (в честь английского химика Дальтона, который ввел понятие атомного веса элемента, впоследствии замененного на атомную массу). Те соединения, которые облада­ют переменным составом, не соответствующим стехиометричес­ким отношениям компонентов, называют бертолидами (в честь Бертолле).

Переменный состав наиболее типичен для кристаллических соединений с металлической и ковалентной связью. Так, сульфид свинца, состав которого обычно описывается формулой PbS, имеет переменный состав от Pb0,9995S до Pb0,9997S; состав оксида титана изменяется от Ti0,7O до Ti1,3O.

К дальтонидам относятся соединения с молекулярной структурой (например, H2O, CO2, NH3, HCN и др.), а также соединения с ионной связью.

Логическим продолжением рассмотренного закона явилось открытие Джоном Дальтоном (1803 г.) закона кратных отно­шений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, приходящиеся на одно и то же массовое количество другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Рассмотрим в качестве примера оксиды азота: N2O, NO и N2O5. Если подсчитать количества азота (массовые), приходящиеся на одну единицу массы кислорода, т. е. на 16, то получим соотношение чисел 1,75:0,87:0,35, т. е. 10:5:2.

Исторически наиболее полно изучены химические реакции между газообразными веществами, причем французским ученым Гей-Люссаком было установлено, что "объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам получающихся газообразных продуктов как простые целые числа". Например, при соединении 1 объема водорода с 1 объемом хлора получается 2 объема хлористого водорода; 2 объема водорода и 1 объем кислорода образуют 2 объема водяного пара; 1 объем азота и 3 объема водорода - 2 объема аммиака и т. д.

Для объяснения этой закономерности итальянский ученый Авогадро высказал гипотезу, что "в равных объемах любых газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул", при этом Авогадро предположил, что молекулы прос­тых газов состоят из двух одинаковых атомов. Таким образом, из двух двухатомных молекул водорода и хлора образуется две двухатомные молекулы хлороводорода

H2 + Cl2 = 2HCl.

Гипотеза Авогадро впоследствии была подтверждена опытными данными, а потому стала называться законом.

Из закона Авогадро вытекают два следствия:

1. Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (давление 101,3 кПа, температура 0 0С) этот объем равен 22,4 л. В этом объеме находится 6,023·1023 молекул газообразного вещества (число Авогадро).

2. Массы равных объемов двух газов, взятых при одинаковых давлении и температуре, относятся друг к другу как их молярные массы

Отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа (взятого при тех же условиях) называется плотностью первого газа по второму. Тогда =D и, следовательно, M1=M2·D, т. е. молярная масса газа равна его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молярную массу второго газа. Обычно плотность газа определяют по отношению к водороду (DН) или воздуху (Dвозд). Так как молекулярная масса водорода равна 2, а средняя молекулярная масса воздуха - 29, то формулы для вычисления молекулярной массы газа будут иметь следующий вид:

М = 2·DН; М = 29·Dвозд.

Пример 1. Вычислить молекулярную массу сернистого газа, плотность которого по водороду равна 32.

Подставляя данные из условия задачи в формулу, находим

М = 2DН = 2·32 = 64.

2

Пример 2. Рассчитать плотность углекислого газа по воздуху.

Молекулярная масса CO2 = 44, средняя молекулярная масса воздуха 29. Следовательно, плотность CO2 по воздуху равна

Dвозд =

Для вычисления объема газа при известной его массе (или наоборот) используют уравнение Менделеева - Клапейрона

PV = nRT или PV = ,

где n - число молей газа; m - его масса, г; М - молярная масса газа, г/моль; R - универсальная (молярная) газовая постоянная, равная 8,31 Дж·моль-1·K-1.

Закон эквивалентов. Одним из важных законов химии является закон эквивалентов, который был сформулирован одновременно с законом кратных отношений: "Вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорцио­нальных их химическим эквивалентам". Для решения задач удобно пользоваться другой формулировкой закона эквива­лентов: "Массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам)". Например, если реагируют вещества А и В, то

где m(А) и m(В) - массы реагирующих веществ; Мэкв(А) и Мэкв(В) - молярные массы эквивалента реагирующих веществ.

Химическим эквивалентом элемента называют число его единиц массы, которое соединяется с единицей (точнее, с 1,008) массы водорода либо с 8 единицами массы кислорода или замещает эти же количества в их соединениях.

Масса эквивалента элемента, выраженная в граммах, называется грамм-эквивалентом (эквивалентной массой). Эквивалентная масса равна частному от деления молярной массы его атомов (А) на валентность элемента (В) в данном соединении

.

Например, эквивалентная масса углерода в CO2 и CO соответственно равна 12/4=3 г/моль и 12/2=6 г/моль.

Масса 1 моль эквивалента равна произведению фактора эквива­лентности на молярную массу элемента