Основные понятия и законы химии. Важнейшими характеристиками химического вещества являются его атомная масса, а для молекул - молекулярная масса

ТЕМА 1.1 МОЛЬ ВЕЩЕСТВА

Важнейшими характеристиками химического вещества являются его атомная масса, а для молекул - молекулярная масса.

Атомная масса - это число, которое показывает, во сколько раз мacca данного атома больше 1/12 массы самого легкого изотопа углерода.

Молекулярная масса - это число, показывающее, во сколько раз молекула вещества тяжелее 1/12 атома изотопа ¹²С. Молекулярная масса химического соединения равна сумме атомных масс всех атомов, составляющих молекулу соединения.

Моль вещества - это такая характеристика химического вещества, которая позволяет переходить от относительных величин к абсолютным единицам массы.

Моль вещества - это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода ¹²С.

Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества, определено с большой точностью, и оно равно 6,02*10²³ моль"'. Число 6,02*10²³ называется числом Авогадро, обозначается как N_A.

Например: молекулярная масса кислорода О₂ равна 32 а.е.м. (кислорода -16, итого 16+16=32). Значит, один моль кислорода равен по массе 32 граммов, и эта масса кислорода содержит 6,02*10²³ молекул воды.

Аналогично, масса 1 моля соды Na₂СОз равна 106 граммов (23+23+12+16+16+16=106), а масса одной молекулы Na₂CO₃ равна: 106г/6,02*10²³ = 17,6*10'²³г.

Количество вещества n и масса вещества m связаны между собой
формулой

m = n*М,

где М - молекулярная масса вещества, г/моль

ТЕМА 1.2 ЭКВИВАЛЕНТ И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА ВЕЩЕСТВА

Понятие эквивалента введено в химию для сопоставления соединительной способности различных элементов. Эквивалентом вещества называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Эквивалентной массой (m_экв) называется масса 1 эквивалента вещества.

Например: в соединениях HBr, H₂O, NH₃ с 1 молем атомов водорода соединяется соответственно 1 моль брома, 1/2 моля атомов кислорода и 1/3 атомов азота. Следовательно, эквиваленты брома, кислорода и азота равны соответственно 1 молю, 1/2 и 1/3 моля. Исходя из мольных масс атомов этих элементов, находим, что эквивалентная масса брома равна 79,9 г/моль, кислорода - 16*1/2= г/моль, азота - 14*1/3=4,67 г/моль.

Эквивалентную массу можно определить по химической формуле химического соединения

m_жа(оксида) = М_ок:ида/(число атомов кислорода*2);

m_экв(основания) = М_{основания}/кислотность основания;

m_экв(кислоты) = М_{кислоты}/основность кислоты;

m_экв(соли) = М _соли /(число атомов металла*валентность металла).

Основность кислоты определяется числом протонов, которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием; кислотность основания определяется числом протонов, присоединяемых молекулой основания при взаимодействии его с кислотой.

Например:

М_экв СО₂=44 г/моль /1*4=44/4=11 г/моль;

М_экв H₂SO₄=98 г/моль/2=46 г/моль;

М_экв NaOH=40 г/моль/1=40 г/моль;

М_экв СаСО₃=100 г/моль/1*2=50 г/моль.

При решении некоторых задач, содержащих сведения об объемах газообразных участников реакции, целесообразно пользоваться значением эквивалентного объема. Эквивалентным объемом называется объем, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентном вещества. Значение эквивалентного объема вещества, находящегося в газообразном состоянии, можно найти, зная, что в мольном объеме любого газа, состоящего из одноатомных молекул, содержится 1 моль атомов, состоящего из двухатомных молекул - 2 моля атомов и т.д. Так, в 22,4 л Н₂ содержится при нормальных условиях 2 моля атомов водорода. Так как эквивалент водорода равен 1 моль, то в 22,4 л Н₂ содержатся 2 эквивалента водорода; значит, эквивалентный объем водорода равен 22,4/2=11,2 л/моль.

Наиболее важным законом химии является закон эквивалентов: химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам. Математическое выражение закона эквивалентов имеет следующий вид

m₁ /m₂ = m_зкв(1)/m_экв(2),

где m₁ и m₂ - массы реагирующих или образующихся веществ, m_экв(1) и m_экв(2) - эквивалентные массы этих веществ.

Например: некоторое количество металла, эквивалентная масса которого равна 28г/моль, вытесняет из кислоты 0,7 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Определить массу металла.

Решение: зная, что эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, составляет пропорцию

28 г металла эквивалентны 11,2 л водорода

х г металла эквивалентны 0,7 л водорода.

Тогда

х=0,7*28/11,2= 1,75 г.

Для определения эквивалента или эквивалентной массы необязательно исходить из его соединения с водородом. Их можно определить по составу соединения данного элемента с любым другим, эквивалент которого известен.

Например: при соединении 5,6 г железа с серой образовалось 8,8 г сульфида железа. Нужно найти эквивалентную массу железа и его эквивалент, если известно, что эквивалентная масса серы равна 16 г/моль.

Решение: из условия задачи следует, что в сульфиде железа на 5,6 г железа приходится 8,8-5,6=3,2 г серы. Согласно закону эквивалентов, массы взаимодействующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам, то есть

5,6 г железа эквивалентны 3,2 г серы

m_экв (Fе) эквивалентна 16 г/моль серы.

Отсюда следует, что m_3KB(Fe) = 5,6*16/3,2=28 г/моль. Эквивалент железа равен: 3=m_экв(Fe)/M(Fe)=28 г/моль:56 г/моль=1/2. Следовательно, эквивалент железа равен 1/2 моля, то есть в 1 моле железа содержится 2 эквивалента.

ТЕМА 1.3 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

В 1756 г. на основе проводимых исследований М.В. Ломоносов пришел к выводу о неизменности веса веществ при химических превращениях и вывел закон сохранения вещества при протекании химических реакций: вес всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу всех продуктов реакции.

Закон сохранения вещества можно заменить эквивалентным ему законом сохранения массы: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Например: в химической реакции

С+О₂=СО₂

масса веществ, вступивших в реакцию, равна

М(С) + М(О₂)=12 г/моль+2* 16=32 г/моль=44 г/моль, а масса продукта реакции равна М(СО₂)=12+2*16=44 г/моль.

Другим основным законом химии является закон постоянства состава, открытый Прустом в 1801 году. Он формулируется следующим образом: каждое химическое соединение независимо от способа его получения имеет определенный состав.

Например: оксид углерода можно получить по любой из этих реакций

С+О₂=СО₂,

2СО+О₂=2СО₂

СаСО₃=СаО+СО₂

NaHCO₃+HCl=NaCl+H₂O+CO₂,

но в чистом оксиде углерода независимо от способа получения всегда содержится 27,29 мас.% С и 72,71 мас.% О.

Таким образом, закон постоянства состава утверждает количественную определенность каждого химического соединения. Следует отметить, что обратное утверждение - каждому определенному составу отвечает только одно химическое соединение - неверно. Например: диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый химический состав - С₂Н₆О, но являются различными химическими соединениями: СН₃-О-СН₃ и С₂Н₅ОН.