Молекулы. Молекулярные формулы. Ковалентные и ионные вещества

Атомы и химические элементы

Атом - это наименьшая химическая частица вещества.
При разрушении атом распадается на более мелкие ("элементарные") физические частицы, из которых он построен.
Число этих частиц у разных атомов различное.
Физические частицы - это электрон e ⁻, протон p ⁺ и нейтрон n ⁰.

Атом электронейтрален; его ядро включает некоторое число протонов и нейтронов и заряжено положительно, а на периферии атома (в электронной оболочке) находятся электроны, общее число которых равно числу протонов в ядре.

Определенный вид атомов называется химическим элементом.

Каждый элемент имеет свое название и символ. Названия и символы всех химических элементов приведены в Периодической системе.

Химические элементы могут проявлять металлические и неметаллические свойства. В Периодической системе 22 элемента считаются неметаллами (это He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, N, P, As, C, Si, B, H), а остальные элементы - металлами.

Все атомы каждого элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и число электронов в оболочке.

Относительная атомная масса

Атомы элементов характеризуются определённой (только им присущей) массой. Например, масса атома Н равна 1,67 ^. 10⁻²³ г, атома С − 1,995 ^. 10⁻²³ г, атома О − 2,66 ^. 10⁻²³ г.
Пользоваться такими малыми значениями неудобно, поэтому введено понятие об относительной атомной массе А _r − отношении массы атома данного элемента к атомной единице массы (1,6605 ^. 10⁻²⁴ г).

Молекулы. Молекулярные формулы. Ковалентные и ионные вещества

Молекула - наименьшая частица вещества, сохраняющая химические свойства этого вещества. Все молекулы построены из атомов и поэтому также электронейтральны.

Состав молекулы передаётся молекулярной формулой, которая отражает и качественный состав вещества (символы химических элементов, входящих в его молекулу), и его количественный состав (нижние числовые индексы, отвечающие числу атомов каждого элемента в молекуле).

Так, формула молекулы воды записывается H₂O (2 атома водорода, 1 атом кислорода), молекула хлора Cl₂ (2 атома хлора), молекула углекислого газа - CO₂ (1 атом углерода, 2 атома кислорода).

Примеры чтения молекулярных формул:
N₂ - эн-два, NH₃ - эн-аш-три, H₂O - аш-два-о, H₂SO₄ - аш-два-эс-о-четыре.

Вещества, состоящие из реальных молекул, называются ковалентными веществами - например, вода H₂O, аммиак NH₃, азот N₂, серная кислота H₂SO₄, этанол C₂H₅OH, сахароза C₁₂H₂₂O₁₁.

Большинство неорганических веществ - ионные, они состоят из электронейтральных сочетаний положительных ионов (катионов) и отрицательных ионов (анионов) и не содержат молекул. Их состав передается также молекулярными формулами (условные молекулы), причем сами ионы могут быть одно- и многоэлементными. Так, фторид кальция CaF₂ - сочетание одного катиона Ca²⁺ и двух анионов F⁻, а сульфат натрия Na₂SO₄ - сочетание двух катионов Na⁺ и одного аниона SO₄²⁻.

Иногда условные и реальные молекулы в целом, независимо от их ковалентного или ионного строения, называют формульными единицами веществ.

Некоторые вещества в газообразном и жидком состояниях могут образовывать ассоциаты молекул - реальные частицы вещества в конкретных физических условиях. Например, оксид фосфора(V) P₂O₅ может существовать в виде димера P₄O₁₀, оксид азота(IV) NO₂ - в виде N₂O₄. Формулы P₂O₅ и NO₂ называются молекулярными, а P₄O₁₀ и N₂O₄ - истинными.

Ответ 2

_{Относительная атомная масса. Относительная молекулярная масса}

Второй важной характеристикой атома после заряда является его масса. Она называется абсолютной атомной массой – ma.

Масса атома углерода, например, равна 1,99 · 10^-26 кг. Однако, выражать значения масс атомов с помощью грамм или килограмм неудобно, т.к. получаются очень малые значения, а ими тяжело пользоваться. Поэтому для вычисления атомных масс за единицу массы принимают 1/12 массы атома углерода-12. Эта единица измерения массы атома называется углеродной единицей (у.е.) или атомной единицей массы (а.е.м.):

_{1 а.е.м. = 1,667 · 10-27 кг = 1,667 · 10-24 г}

Эта величина является основой для химических и физических расчетов.

Таким образом, относительная атомная масса – это масса атома, отнесенная к 1/12 массы атома изотопа углерода 12. Обозначается Ar (индекс «r» - начальная буква английского слова relative – относительный). Найти значение относительной атомной массы можно в таблице Менделеева рядом с каждым химическим элементом. Оно показывает во сколько раз масса данного элемента больше 1/12 массы изотопа углерода-12. Например, относительная атомная масса цинка равна 65. Это означает, что атом цинка в 65 раз тяжелее 1/12 массы атома углерода.

Между абсолютной и относительной атомными массами существует зависимость:

_{Ar = ma / 1а.е.м.}

Следовательно, для данного химического элемента абсолютная атомная масса рассчитывается так:

Например, m_a (водорода Н) = A_r(Н) * 1а.е.м. = 1 * 1,667· 10^-24 = 1,667 · 10^-24 г

m_a (О) = A_r(О) * 1а.е.м. = 16 * 1,667· 10^-24 = 26 · 10^-24 г = 2,6 · 10^-23 г

Для характеристики молекул можно пользоваться понятиями абсолютной m_М и относительной молекулярной массы Мr соответственно. Относительная молекулярная масса - это масса молекулы, соотнесенная к 1 а.е.м.:

_{Мr = mМ / 1а.е.м.}

Абсолютная молекулярная масса – это масса молекулы, которая складывается из относительных атомных масс каждого из атомов, присутствующих в этой молекуле. Рассмотрим на примере, рассчитывая по формуле:

m_М (Н₂О) = количество атомов (Н)*1а.е.м*Ar (Н) + количество атомов (О)*1а.е.м*Ar (О);

m_М (Н₂О) = 2*1,667·10^-24*1 + 1*1,667·10^-24*16 = (3,334+26)*10^-24 ≈ 29,334·10^-24 г

Мr (Н₂О) = 29,334·10^-24 / 1,667·10^-24 = 17,6 ≈ 18 г

Намного проще посчитать, посмотрев в периодической системе Д.И. Менделеева относительные атомные массы каждого из атомов этой молекулы и сложить их, учитывая, конечно же, количество атомов. Например, в молекуле воды Н₂О 2 атома водорода, значит, мы должны значение относительной атомной массы 1 атома водорода умножить на 2 (ведь таких атомов 2 в молекуле):

Мr (Н₂О) = 2*Ar(Н) + 1*Ar(О) = 2*1+16 = 18 г

Мr (Н₂SО₄) = 2*Ar(Н) + Ar(S) + 4*Ar(О) = 2*1+32+4*16 = 2+32+64 = 98 г

Ответ 3

В химических процессах участвуют мельчайшие частицы – молекулы, атомы, ионы, электроны. Число таких частиц даже в малой порции вещества очень велико. Поэтому, чтобы избежать математических операций с большими числами, для характеристики количества вещества, участвующего в химической реакции, используется специальная единица – моль.

Моль  это такое количество вещества, в котором содержится определенное число частиц (молекул, атомов, ионов), равное постоянной Авогадро

Постоянная Авогадро N_A определяется как число атомов, содержащееся в 12 г изотопа ¹²С:

Таким образом, 1 моль вещества содержит 6,02 • 10²³ частиц этого вещества.

Исходя из этого, любое количество вещества можно выразить определенным числом молей ν (ню). Например, в образце вещества содержится 12,04 • 10²³ молекул. Следовательно, количество вещества в этом образце составляет:

В общем виде:

где N – число частиц данного вещества;
N_A – число частиц, которое содержит 1 моль вещества (постоянная Авогадро).

Молярная масса вещества (M) – масса, которую имеет 1 моль данного вещества.
Эта величина, равная отношению массы m вещества к количеству вещества ν, имеет размерность кг/моль или г/моль. Молярная масса, выраженная в г/моль, численно равна относительной относительной молекулярной массе M_r (для веществ атомного строения – относительной атомной массе A_r).
Например, молярная масса метана CH₄ определяется следующим образом:

М_r(CH₄) = A_r(C) + 4 A_r(H) = 12+4 =16

M(CH₄)=16 г/моль, т.е. 16 г CH₄ содержат 6,02 • 10²³ молекул.

Молярную массу вещества можно вычислить, если известны его масса m и количество (число молей) ν, по формуле:

Соответственно, зная массу и молярную массу вещества, можно рассчитать число его молей:

или найти массу вещества по числу молей и молярной массе:

m = ν • M

Необходимо отметить, что значение молярной массы вещества определяется его качественным и количественным составом, т.е. зависит от M_r и A_r. Поэтому разные вещества при одинаковом количестве молей имеют различные массы m.

Пример
Вычислить массы метана CH₄ и этана С₂H₆, взятых в количестве ν = 2 моль каждого.

Решение
Молярная масса метана M(CH₄) равна 16 г/моль;
молярная масса этана M(С₂Н₆) = 2 • 12+6=30 г/моль.
Отсюда:

m (CH₄) = 2 моль • 16 г/моль = 32 г;
m (С₂Н₆) = 2 моль • 30 г/моль = 60 г.

Таким образом, моль – это порция вещества, содержащая одно и то же число частиц, но имеющая разную массу для разных веществ, т.к. частицы вещества (атомы и молекулы) не одинаковы по массе.

 (CH₄) =  (С₂Н₆), но m (CH₄) < m (С₂Н₆)

Вычисление ν используется практически в каждой расчетной задаче.

Ответ 4