Химия

М.Н. Назаров, Ю.И. Пузин

Х И М И Я

УФА 2008

Федеральное агенство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.Н. Назаров, Ю.И. Пузин

Х И М И Я

Учебное пособие

УФА 2008

ВВЕДЕНИЕ При создании пособия авторы преследовали цель – облегчить усвоение

материала по общей и неорганической химии студентами заочной формы обучения.

Каждая глава содержит краткий теоретический материал, призванный дать ключевые понятия, раскрыть основное содержание данной темы и очертить круг вопросов, подлежащих дополнительному изучению.

Самостоятельная работа с учебной литературой должна оставаться основной формой изучения программного материала.

Курс химии для студентов нехимических специальностей состоит из двух больших разделов: общие законы химии и химия элементов. Качественное изучение материала первого раздела, каждая глава которого содержит подробные примеры решения типовых задач, обеспечит успешное усвоение материала второго раздела, где рассматриваются свойства отдельных групп элементов.

При изучении свойств каждого конкретного элемента (группы элементов)

следует, прежде всего, обратить внимание на его положение в Периодической системе, электронное строение атома, характерные степени окисления. Затем следует рассмотреть свойства данного элемента в виде простого вещества, его соединений с кислородом и водородом, свойства характеристических соединений (оксидов, гидроксидов, кислот) с точки зрения их кислотно-

основных свойств, участие в окислительно-восстановительных реакциях,

способность к комплексообразованию.

К выполнению контрольных работ можно приступить только при усвоении определенной части курса и после тщательного разбора примеров решения задач по соответствующей теме.

Общие законы химии

I.Моль. Закон Авогадро. Законы идеальных газов

Вхимических расчетах часто используется понятие ―количество вещества‖. Единицей количества вещества является моль.

Моль-количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов

или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода 12С.

Число структурных единиц системы, содержащихся в 1 моле (постоянная Авогадро), равно 6,02 1023 моль-1.

Масса 1 моля вещества (молярная масса), выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. Следовательно, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (273 К, Р=101,3 кПа)

это 22,4 л.

В расчетах, связанных с газами, часто приходится переходить от данных условий к нормальным или наоборот. При этом удобно пользоваться формулой, следующей из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

pV		pH VH
	,
T		TH

где р – давление; V – объѐм; Т – температура; индекс ―н‖ указывает на нормальные условия.

Примеры решения задач

Пример 1. Сколько весит молекула СuO ?

Решение. Относительная молекулярная масса CuO равна 80. Следовательно, молярная масса CuO равна 80 г/ моль. В 1 моле CuO содержится 6,02 1023 молекул. Находим массу одной молекулы: m= 80/(6,02 1023) = 13,3 1023 г.

Пример 2. Какой объѐм займет при температуре 20°С и давлении 250 кПа аммиак массой 51 г ?

Решение. Зная объѐм, занимаемый 1 молем газа (22,4 л) и молярную массу аммиака (17 г), находим объѐм, который будет занимать 51 г аммиака при

нормальных условиях
17	г занимают объѐм 22,4 л
51	г	— ― —	VН ,
откуда	VH = (51 22,4) / 17 = 67,2			л.
Приводим полученный объѐм к указанным условиям:
V= PHVHT / PTH = 101,3 67,2				293 /250 273 = 29,2 л.

Задачи

1.Сопоставить количество молекул, содержащихся в 1 г NH3 и в 1 г N2. В каком случае и во сколько раз число молекул больше?

2.Выразить в граммах массу одной молекулы диоксида серы.

3.Одинаково ли число молекул в 0,001 кг Н2 и в 0,001 кг О2 ? В 1 моль Н2 и в

1моль О2 ? В 1 л Н2 и в 1 л О2 при одинаковых условиях ?

4.Сколько молекул содержится в 1 мл водорода при н.у. ?

5.Какой объем при н.у. занимают 27 1021 молекул газа?

6.Определите объѐм газа при н.у., если при 373 К и 500 кПа его объѐм равен

5л.

7.Определите объем оксида углерода (IV) при 300 К и 100 кПа, если его масса равна 88 г.

8.Определите относительную молекулярную массу газа, если масса его составляет 8,5 г, объѐм 18,1 л при 300 К и давлении 80 кПа.

9.Определите массу диоксида углерода, если объѐм его составляет 10 л при 200 кПа и 300 К.

10.Определите объѐм, который займет при нормальных условиях газовая смесь, содержащая водород массой 1,4 г и азот массой 5,6 г.

II. Вывод химических формул.

Расчеты по химическим формулам и уравнениям

Формулы веществ показывают, какие элементы и в каком количестве входят в состав вещества. Различают формулы простейшие и молекулярные. Простейшая формула выражает наиболее простой возможный атомный состав молекул вещества, соответствующий отношениям масс элементов, образующих данное вещество. Молекулярная формула показывает действительное число атомов каждого элемента в молекуле.

Для вывода простейшей формулы вещества достаточно знать его состав и атомные массы образующих данное вещество элементов.

Для нахождения молекулярной формулы вещества необходимо также знать его молекулярную массу.

Пример решения задачи

Газообразное соединение азота с водородом содержит 12,5% (масс.) водорода. Плотность соединения по водороду равна 16. Найти молекулярную формулу соединения.

Решение. Сначала находим простейшую формулу вещества. Представим ее в общем виде: СХNУ.

Атомные массы элементов равны 14 и 1. Поэтому массы азота и водорода в составе данного соединения относятся как 14х : 1у. По условию задачи это

отношение равно 87,5 : 12,5.(Массовая доля азота равна 100% - 12,5% = 87,5%).

Следовательно, 14х : у = 87,5 : 12,5, откуда х : у = 87,5 : (12,5 14) = 1 : 2.

(Если полученное отношение атомов элементов выражается дробными числами, то его приводят к целочисленным значениям. Например, х : у = 1,32 : 1,98. Делим оба числа на меньшее из них:

	x	1,32		:	1,98		1 : 1,5	и умножаем на 2: х : у = 2 : 3. )
	y	1,32			1,32

Простейшая формула соединения NH2. Находим молекулярную формулу вещества.

Истинную молекулярную массу находим исходя из плотности вещества по водороду:

М = 2 16 = 32

Находим отношение истинной молекулярной массы к молекулярной массе простейшей формулы:

	М	32		2
	М(NH2 )	14 2 1

Cледовательно, в составе истинной формулы вещества в 2 раза больше атомов N и Н, чем в простейшей формуле. Таким образом, молекулярная формула вещества N2H4.

При расчетах по химическим формулам используется понятие «массовая доля вещества» - отношение массы данного вещества в системе к массе всей системы, т.е.

	(x)	m(x)	,
		m

где (х) - массовая доля вещества х; m(x) - масса вещества х; m - масса всей системы.

Массовая доля - безразмерная величина, выражается в долях или процентах.

Пример решения задачи

Определить массу углерода в образце карбида кальция CaC2 массой 130,61 г, содержащем 2% примесей.

Решение. Молярные массы С и СаС2 соответственно равны 12 г/моль и 64 г/моль.

Из формулы карбида кальция видно, что 1 моль этого вещества содержит 2 моля углерода.

Определяем массу углерода в 1 моле СаС2: m(c) = 2 12 = 24 г

Находим массовую долю углерода в карбиде:

	(с)	m(c)	24		0,375	,	или 37,5 % .
		m(CaC2 )	64

Масса карбида в образце с учѐтом примесей: m(CaC2) = 130,61 0,98 = 128 г

Зная массовую долю углерода в карбиде кальция, находим массу углерода в 128 г CaC2 :

m = 128 0,375 = 48 г

Задачи

11.В состав химического соединения входят Na, P и О. Массовые доли элементов, % : Na - 34,6; P - 23,3; O - 42,1. Определите простейшую формулу.

12.Некоторая кислота содержит водород (массовая доля 2,2%), иод (55,7%) и кислород (42,1%). Определите простейшую формулу кислоты.

13.Найти молекулярную формулу вещества, содержащую (по массе) 93,75% С и 6,25% Н, если его плотность по воздуху равна 4,41.

14.Найти молекулярную формулу соединения бора с водородом, если масса 1 л этого газа равна массе 1 л азота, а содержание бора в веществе составляет

78,2 % (масс.).

15.Найти молекулярную формулу карбоновой кислоты, содержащей (по массе) 54,5 % С, 36,4 % О и 9,1 % Н, зная, что плотность ее паров по водороду равна

44.

16.Из образца горной породы массой 25 г, содержащего минерал аргентит

Ag2S, выделено серебро массой 5,4 г. Определите массовую долю аргентита в образце.

17.Какая масса Mn может быть получена из смеси Mn2O3 и MnO2 массой 500 г? Массовая доля Mn2O3 в смеси - 80%, MnO2 - 20%.

18.Некоторый элемент проявляет в оксиде степень окисления +4. Массовая доля этого элемента в оксиде составляет 71,17 %. Какой это элемент?

19.Оксид элемента имеет состав ЭО3. Массовая доля кислорода в этом оксиде составляет 60%. Какой элемент образует оксид?

20.Элемент массой 16 г, взаимодействуя с молекулярным кислородом массой 6,4 г, образует оксид состава ЭО. Определите, какой это элемент.

Расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические расчѐты) основаны на законе сохранения массы веществ. Каждая формула в уравнении выражает один моль вещества. Поэтому, зная мольные массы участвующих в реакции веществ, можно по уравнению реакции найти соотношение между массами веществ, вступающих в реакцию и образующихся в результате ее протекания. Если в реакции участвуют вещества в газообразном состоянии, то уравнение реакции позволяет найти их объемные отношения.

Примеры решения задач

Пример 1. К раствору, содержащему нитрат серебра массой 25,5 г, прилили раствор, содержащий 7,8 г сульфида натрия. Какая масса осадка при этом образуется?

Решение Записываем уравнение реакции:

2AgNO3 + Na2S = Ag2S + 2NaNO3

Определяем количество веществ нитрата серебра и сульфида натрия: m(AgNO3) 25,5

n(AgNO3) = ———— = —— = 0,15 моль M(AgNO3) 170

m(Na2S) 7,8

n(Na2S) = ———— = —— = 0,1 моль M(Na2S) 78

Из уравнения реакции следует: AgNO3 и Na2S реагируют в соотношении 2 : 1. А найденные количества реагентов относятся как 0,15 : 0,1 = 1,5 : 1. Следовательно, сульфид натрия взят в избытке. Расчет ведем по веществу, взятому в недостатке, т.е. по нитрату серебра.

Из уравнения следует, что из 2 моль AgNO3 образуется 1 моль Ag2S, значит, из 0,15 моль AgNO3 образуется 0,075 моль Ag2S.

2 — 1

0,15 — х

Определяем массу сульфида серебра:

m = n(Ag2S) M(Ag2S) = 0,075 248 = 18,6 г

Пример 2. Какой объѐм оксида азота(IV) надо взять для реакции окисления кислородом, чтобы получить 5,6 л оксида азота (V), если выход продукта 80 %

?

Решение Записываем уравнение реакции:

4NO2 + O2 = 2N2O5

Из уравнения реакции следует: из 4 моль NO2 образуется 2 моль N2O5. Все вещества газообразные, следовательно, при 100% - ном выходе из 4 л NO2 образуется 2 л N2O5, а для получения 5,6 л N2O5 требуется 11,2 л NO2.

4 — 2

х— 5,6

Сучетом 80%-ного выхода необходимый объѐм диоксида азота составляет

V(NO2) = 11,2 / 0,8 = 14 л.

Задачи

21.К раствору, содержащему 10 г H2SO4, прибавили 9 г NaOH. Какую реакцию имеет полученный раствор?

22.К раствору, содержащему 0,2 моля FeCl3, прибавили 0,24 моля NaOH. Сколько граммов Fe(OH)3 образовалось в результате реакции и сколько молей FeCl3 осталось в растворе?

23.При взаимодействии 10 молей SO2 и 15 молей О2 образовалось 8 молей SO3. Сколько молей SO2 и О2 не вступило в реакцию?

24.Порошок частично окисленного магния массой 5,1 г обработали соляной

кислотой. При этом выделилось 3,74 л Н2, измеренного при н.у. Сколько процентов магния (по массе) содержалось в образце?

25.Карбонат кальция разлагается при нагревании на СаО и СО2. Какая масса природного известняка, содержащего 90% (по массе) СаСО3, потребуется для получения 7,0 т негашеной извести?

26.В избытке HCl растворили Mg массой 6 г и Zn массой 6,5 г. Какой объѐм водорода, измеренный при нормальных условиях, выделится при этом?

27.Оксид углерода (IV), полученный при сжигании угля массой 50 г, пропустили через раствор гидроксида бария. Какая масса осадка образовалась, если массовая доля углерода в угле составляет 96% ?

28.Сколько литров ацетилена при 300 К и 202 кПа образуется при взаимодействии 230 г карбида кальция с водой?

29.При растворении 5 г образца магния в соляной кислоте выделится 3,5 л водорода, измеренного при н.у. Сколько процентов магния содержится в образце?

30.Сколько граммов оксида серы образуется при обжиге 200 г FeS2? Вычислите объѐм оксида серы при 400 К и 120 кПа.

III. Эквивалент. Закон эквивалентов

Эквивалентом вещества называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов в химических реакциях.

Эквивалентной массой называется масса 1 эквивалента вещества.

При расчетах, связанных с газообразными веществами, удобно пользоваться понятием «эквивалентный объѐм» - это объѐм, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентом вещества.

Для определения эквивалента (эквивалентной массы) элемента необязательно исходить из его соединения с водородом. Его можно вычислить по составу соединения данного элемента с любым другим, эквивалент которого известен.

Эквиваленты простых веществ можно определять по формуле

1

Э = —— (моль),

В n

где В - валентность элемента, n - число атомов элемента в соединении. Эквиваленты сложных веществ определяются аналогично.

1

Э = —— ( моль), z n

где z - заряд металла или, в случае кислот, заряд водорода, тогда z = 1;

n - число атомов металла или, в случае кислот, число атомов водорода. Эквивалентная масса из определения равна:

ЭМ = Э М, где М - молекулярная масса вещества, г/моль.

Эквивалент сложного вещества так же, как и эквивалент элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество.

Закон эквивалентов формулируется следующим образом: вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Так, для реакции А + В = С + Д можно записать:

mА mВ mС mД

—— = —— = —— = ——

ЭМА ЭМВ ЭМС ЭМД (здесь в числителе - массы веществ, в знаменателе - их эквивалентные массы),

т. е., если по условию задачи известно число эквивалентов одного из веществ (реагента или продукта), то определено и число эквивалентов всех остальных веществ. В этом состоит преимущество проведения стехиометрических расчетов по закону эквивалентов.

Примеры решения задач

Пример 1. Определить эквивалент и эквивалентную массу:

-элементов в соединениях HCl, CH4;

-оксидов TiO и TiO2;

-серной кислоты в реакциях

H2SO4 + KOH = KHSO4 + H2O,

H2SO4 + Mg = MgSO4 + H2; - эквивалент и эквивалентный объѐм О2, Н2.

Решение. В НСl с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов хлора, следовательно, ЭCl = 1 моль, Э.М.Сl = 35,5 г. В СН4 с 1 моль атомов Н соединяется 1/4 моль атомов С, значит, ЭС =1/4 моль, Э.М.С = 12/4 = 3 г.

	Эквивалент				Ti2+O			равен	ЭTiO				1		0,5	моль,
											2		1
Э.М.		MTiO		64	32г		Эквивалент Ti4+O2		– ЭTiO		1				0,25 моль,
	TiO					.				2	4		1
		2		2

Э.М.T iO2	M T iO	80		20г .
	2
	4	4