Основные понятия и законы химии (стр. 2 )

К основным положениям атомно-молекулярного учения можно отнести:

- вещества состоят из молекул; молекулы разных веществ отличаются между собой составом, строением, размерами, массой;

- молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание; скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ и от температуры;

- при физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических явлениях происходят качественные и количественные изменения, в результате чего из одних молекул образуются другие;

- молекулы состоят из атомов; атомы характеризуются определенными размерами и массой; разным элементам соответствуют разные атомы.

Понятие «химический элемент» характеризует элементарность веществ на уровне атомов. Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Свойства химических элементов определяются строением его атомов. В настоящее время существует в природе и получено синтетическим путем более 110 химических элементов, из них в природе встречается только 92.

Греческое слово «атом» означает «неделимый», что справедливо только при химических превращениях. Сейчас атомом называется электро-нейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулой мы будем называть электронейтральную частицу, состоящую из атомов. Молекулы способны к самостоятельному существованию; они могут состоять из одинаковых или различных атомов, соединенных в одно целое с помощью химических связей.

Однако не каждое вещество состоит из молекул. Скорее даже, большинство веществ имеют немолекулярное строение. Например, хлорид натрия (обыкновенная поваренная соль) состоит из положительно и отрицательно зараженных ионов, алмаз состоит из атомов углерода, металлы также не являются молекулярными веществами.

Если вещество образовано одинаковыми атомами, то его относят к простым веществам (например: водород Н2, кислород О2, озон О3, сера S, железо Fe). Сложные вещества состоят из атомов различных химических элементов: вода – Н2О, азотная кислота – НNO3, глюкоза – С6Н12О6 и т. д.

Очень часто бывает так, что атомы одного химического элемента образуют несколько простых веществ. Такое явление называется аллотропией, оно обусловлено несколькими причинами: 1) в состав молекул входит различное число атомов одного химического элемента (кислород – O2 и озон O3); 2) из атомов одного химического элемента образуются кристаллы различного строения – частный случай полиморфизма (графит и алмаз; сера ромбическая и моноклинная и т. д.). Известно более 400 аллотропных модификаций простых веществ.

Каждый химический элемент обозначают соответствующим символом, например, символ Cu обозначает атомы меди, символ Н – атомы водорода, символ Cl – атомы хлора и т. д.

Состав вещества условно обозначают химическими формулами, где соответствующие символы обозначают атомы химических элементов, входящие в состав вещества, а цифровые индексы справа внизу от символа - число атомов данного химического элемента. Например, молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы (индекс «1» не пишется) и четырех атомов кислорода: H2SO4.

Химические формулы, которые указывают истинное число атомов в молекуле, называются молекулярными формулами. Если химическая формула указывает только соотношение атомов в атомных или ионных (в полимерных) структурах, то ее называют эмпирической или простейшей формулой. Например, состав ионного вещества – хлорида натрия – отображается простейшей формулой NaCl.

Часто мы будем использовать графические формулы, в которых отражается последовательность взаимного расположения атомов в молекуле. Каждая химическая связь в таких формулах обозначается черточкой. Однако графические формулы не всегда дают представление о геометрии молекул.

Например, графические формулы воды, пероксида водорода, серной кислоты изображают так:

O H H — O O

/ \ / \ //

H H O — O S

/ / \\

H H — O O

2.2 Относительные атомные и молекулярные массы.

Количество вещества. Моль.

Еще одна важная характеристика атома, кроме заряда ядра, это масса атома. Истинная масса атома называется абсолютной атомной массой ma. Например, масса атома углерода равна 1,99∙10–26 кг, а масса атома водорода еще меньше:

ma (C) = 1,993∙10–26 кг; ma (H) = 1.67∙10–27 кг.

Понятно, что выражать массы атомов в килограммах или граммах неудобно из-за очень малых значений.

Атомная масса – число, которое показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы какого-то стандартного атома (или его части), принятой за единицу*. В качестве стандартного атома для определения атомных масс с 1961 г. принят изотоп углерода-12 (12С). За единицу атомной массы принята масса 1/12 части изотопа углерода-12. Она называется атомной единицей массы (а. е.м.), иногда – углеродной единицей (у. е.), и равна

1 а. е.м. = 1,667∙10–27 кг.

Относительную атомную массу (Аr) любого химического элемента можно вычислить, разделив абсолютную массу этого элемента на 1 а. е.м., согласно формуле Аr(Х) = ma (Х)/ 1 а. е.м., например:

Аr(С) = ma (С)/ 1 а. е.м. = 1,993∙10–26 кг /1,667∙10–27 кг ≈ 12;

Аr(О) = ma (О)/ 1 а. е.м. = 2,667∙10–26 кг /1,667∙10–27 кг ≈16;

Аr(Н) = ma (H)/ 1 а. е.м. = 1.67∙10–27 кг / 1,667∙10–27 кг ≈ 1.

* Масса и вес – это разные понятия. Вес любого предмета уменьшается по мере удаления от поверхности Земли, а масса его остается неизменной. Удаленные в космос тела вообще не имеют веса («состояние невесомости»), но имеют ту же массу, что и на Земле. В старых учебниках используется термин «атомный вес».

Для молекул: относительной молекулярной массой называется масса молекулы, выраженная в а. е.м. Относительная молекулярная масса какого-либо вещества равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав этой молекулы.

Например, Аr(О) равна 16, Аr(Н) равна 1, следовательно, относительная молекулярная масса Мr молекулы воды будет равна

Мr (Н2О) = 2∙ Аr(Н) + Аr(О) = 2∙1 + 16 = 18 а. е.м.

На практике мы не встречаемся с отдельными атомами или молекулами, поэтому в химии часто используют понятие – количество вещества, которое подразумевает число структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др. частиц), образующих данное вещество. Обозначают количество вещества латинской буквой n или греческой буквой ν.

За единицу количества вещества принят 1 моль (от латинского moles – масса) – такое количество вещества, которое содержит столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов …), сколько содержится атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода-12, а именно 6,02∙1023. Число атомов в 12 граммах (0,012 кг) углерода равно 0,012 (кг/моль) /1,993∙10–26 (кг) = 6,02∙1023 моль–1.

Это число называется числом Авогадро (или постоянной Авогадро) и обозначают символом NА. Таким образом, один моль любого вещества содержит 6,02∙1023 молекул, атомов или других структурных единиц, например:

1 моль алюминия Al содержит 6,02∙1023 атомов алюминия;

1 моль хлора Сl2 cодержит 6,02∙1023 молекул Сl2, но атомов Сl здесь будет в два раза больше, т. к. молекула хлора является двухатомной;

1 моль воды Н2О содержит 6,02∙1023 молекул Н2О.

Массу 1 моль данного вещества называют молярной массой, обозначают символом М и выражают в кг/моль или г/моль. Молярная масса – это величина, равная отношению массы вещества к количеству этого вещества М = m/ν; численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества Мr или с относительной атомной массой Аr (если вещество состоит из атомов):

Натрий Na Аr = 23 М = 23 г/моль

Хлор Cl2 Мr = 71 М = 71 г/моль

Хлорид натрия NaCl Мr = 58,5 М = 58,5 г/моль

Следовательно, в 23 г натрия содержится 6,02∙1023 атомов натрия, в 18 г воды Н2О содержится 6,02∙1023 молекул Н2О.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Сколько атомов содержится в 2 молях серы?

Решение. Число частиц, содержащихся в определенном количестве вещества можно определить по формуле: N = NA ∙ ν

N(S) = 6,02∙1023 моль–1 ∙ 2 моль = 12,04 ∙1023

Ответ: в 2 молях серы содержится 12,04 ∙1023 атомов серы.

Задача 2. Сколько молекул содержится в 50,8 г иода?

Решение. Число частиц, в данном случае – молекул, содержащихся в определенном количестве вещества можно определить по формуле: N = NA ∙ ν.

Чтобы воспользоваться этой формулой, необходимо знать количество вещества. Число молей вещества определяем из формулы, которая связывает массу, молярную массу и количество вещества: М = m / ν. Отсюда следует, что ν = m / М.

Молярная масса иода I2 равна 254 г/моль, следовательно

ν (I2) = 50,8 г : 254 г/моль = 0,2 моль.

Теперь можно определить число молекул, используя значение постоянной Авогадро: N = 6,02∙1023 моль–1 ∙ 0,2 моль = 1,2 ∙ 1023.

Ответ: в 50,8 г иода содержится 1,2 ∙ 1023 молекул.

Задача 3. Какова масса 0,25 моль серной кислоты?

Решение. Используем формулу, которая связывает массу, молярную массу и количество вещества: М = m / ν. Из этой формулы следует, что масса вещества равна произведению молярной массы этого вещества на число молей этого вещества: m = M∙ ν

Молярная масса серной кислоты составляет:

М(H2SO4) = 2∙М(Н) + М(S) + 4∙M(O) = (2∙1 + 32 + 4∙16) г/моль = 98 г/моль.

Определяем массу серной кислоты:

m (H2SO4) = 98 г/моль ∙ 0,25 моль = 24,5 г.

Ответ: масса 0,25 моль серной кислоты составляет 24,5 г.

Задача 4. Определить число молей и число молекул в 11 г углекислого газа.