1 Основные понятия и законы химии

В ходе своего развития химия как наука сформировала целую систему основных понятий и законов, без четкого овладения которыми успешное изучение химии невозможно.

Основополагающими понятиями химии являются: атом, молекула, химический элемент, вещество, атомная масса, молекулярная масса, моль, химическая реакция.

На понятиях «атом» и «молекула» основано атомно-молекулярное учение, являющееся фундаментом современных представлений о веществе – главном объекте изучения в химии.

1.1 Основные положения атомно-молекулярной теории

Основы атомно-молекулярной теории создали русский ученый М.В.Ломоносов (1741 г.) и английский ученый Дж. Дальтон (1808 г.).

Атомно-молекулярная теория – это учение о строении вещества, основными положениями которого являются:

1. Все вещества состоят из молекул и атомов. Молекула – это наименьшая частица вещества, которая способна существовать самостоятельно и не может дробится дальше без потери основных химических свойств данного вещества. Химические свойства молекулы определяются её составом и химическим строением.

2. Молекулы находятся в непрерывном движении. Молекулы двигаются беспорядочно и непрерывно. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ. С повышением температуры скорость движения молекул увеличивается.

3. Молекулы одного и того же вещества одинаковы, а молекулы различных веществ отличаются массой, размерами, строением и химическими свойствами. Каждое вещество существует до тех пор, пока сохраняются его молекулы. Как только молекулы разрушаются, перестает существовать и данное вещество: возникают новые молекулы, новые вещества. При химических реакциях молекулы одних веществ разрушаются, образуются молекулы других веществ.

4. Молекулы состоят из более мелких частиц – атомов. Атом – это наименьшая частица химического элемента, которую нельзя разложить химическим путем.

Следовательно, атом обуславливает свойства элемента.

Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Химическим элементом называется вид атомов, характеризующихся определенной совокупностью свойств.

В настоящее время элемент определяется как вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, называются простыми веществами (С, Н₂, N₂, О₃, S₈ и т.д.).

Вещества, молекулы которых состоят из атомов двух или более элементов, называются сложными веществами (H₂O, H₂SO₄, KHCO₃ и т.д.). Существенное значение имеет число и взаимное расположение атомов в молекуле.

Способность атомов одного и того же элемента к образованию нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам называется аллотропией, а образовавшиеся вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями, так например, элемент кислород образует две аллотропные модификации: О₂ – кислород и О₃ – озон; элемент углерод – три: алмаз, графит и карбин и т.д.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами: различным числом атомов в молекуле (кислород О₂ и озон О₃), или образованием различных кристаллических форм (алмаз, графит и карбин).

Элементы принято обозначать химическими знаками. Следует всегда помнить, что каждый знак химического элемента обозначает:

1. название элемента;

2. один атом его;

3. один моль его атомов;

4. относительную атомную массу элемента;

5. его положение в периодической системе химических элементов

Д.И. Менделеева.

Так, например, знак S показывает, что перед нами:

1. химический элемент сера;

2. один атом его;

3. один моль атомов серы;

4. атомная масса серы равна 32 а. е. м. (атомная единица массы);

5. порядковый номер в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева 16.

Абсолютные массы атомов и молекул ничтожно малы, поэтому для удобства массу атомов и молекул выражают в относительных единицах. В настоящее время за единицу атомных масс принята атомная единица массы (сокращенно а. е. м.), представляющая собой 1/12 часть массы изотопа углерода ¹²С, 1 а. е. м. составляет 1,66 × 10^-27 кг.

Атомной массой элемента называется масса его атома, выраженная в а. е. м.

Относительной атомной массой элемента называют отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы изотопа углерода ¹²С.

Относительная атомная масса величина безразмерная и обозначается Аr,

например, для водорода

для кислорода .

Молекулярная масса вещества – это масса молекулы, выраженная в а. е. м. Она равна сумме атомных масс элементов, входящих в состав молекулы данного вещества.

Относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы изотопа углерода ¹²С. Она обозначается символом Мr. Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в молекулу с учетом количества атомов. Например, относительная молекулярная масса ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ равна массе атомов всех элементов, входящих в молекулу:

Мr(Н₃РО₄) = 1,0079 × 3 + 30,974 × 1 + 15,9994 × 4 = 97, 9953 или ≈ 98

Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1 а. е.м.

Наряду с единицами массы, в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенное обозначение «моль»).

Моль вещества – количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится в 12 г (0,012 кг) изотопа углерода ¹²С.

Зная массу одного атома углерода ¹²С (1,993 × 10^-27 кг), можно вычислить число атомов в 0,012 кг углерода:

Число частиц в моле любого вещества одно и то же. Оно равно 6,02 × 10²³ и называется постоянной Авогадро или числом Авогадро (N_А).

Например, в трёх моль атомов углерода будет содержится

3 × 6,02 × 10²³ = 18,06 × 10²³ атомов

Применяя понятие «моль», необходимо в каждом конкретном случае точно указать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Например, следует различать моль атомов водорода Н, моль молекул водорода Н₂, моль ионов водорода илиОдин моль частиц имеет определенную массу.

Молярная масса – это масса одного моля вещества. Обозначается буквой М.

Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе и имеет единицы измерения г/моль или кг/моль.

Масса и количество вещества – понятие разные. Масса выражается в кг (г), а количество вещества – в молях. Между массой вещества (m, г), количеством вещества (n, моль) и молярной массой (М, г/моль) существуют соотношения:

n =, г/моль; М =, г/моль; m = n × M, г.

По этим формулам легко вычислить массу определенного количества вещества, молярную массу вещества или количества вещества.

Пример 1. Чему равна масса 2 моль атомов железа?

Решение: Атомная масса железа равна 56 а.е.м. (округленно), следовательно, 1 моль атомов железа весит 56 г, а 2 моль атомов железа имеют массу 56×2 =112 г

Пример 2. Сколько моль гидроксида калия содержится в 560 г КОН?

Решение: Молекулярная масса КОН равна 56 а.е.м. Молярная = 56 г/моль. В 560 г гидроксида калия содержится: 10 моль КОН. Для газообразных веществ существует понятие молярный объёмV_m. Согласно закону Авогадро моль любого газа при нормальных условиях (давление 101,325 кПа и температуре 273К) занимает объем 22,4 л. Эта величина называется молярным объемом (его занимают 2 г водорода (Н₂), 32 г кислорода (О₂) и т.д.

Пример 3. Определить массу 1 л оксида углерода (ΙV) при нормальных условиях (н. у.).

Решение: Молекулярная масса СО₂ равна М = 44 а.е.м., следовательно, молярная масса равна 44 г/моль. По закону Авогадро один моль СО₂ при н.у. занимает объем 22,4 л. Отсюда масса 1 л СО₂ (н. у.) равна г.

Пример 4. Определить объём, занимаемый 3,4 г сероводорода (Н₂S) при нормальных условиях (н.у.).

Решение: Молярная масса сероводорода равна 34 г/моль. Исходя из этого, можно записать: 34 г Н₂S при н.у. занимает объем 22,4 л.

3,4 г ________________________ Х л,

отсюда Х = л.

Пример 5. Сколько молекул аммиака содержится:

а) в 1 л б) в 1 г ?

Решение: Число Авогадро 6,02 × 10²³ указывает на количество молекул в 1 моле (17 г/моль) или в 22,4 л при н.у., следовательно, в 1 л содержится

6,02 × 10²³ × 1 ₌ 2,7 × 10²² молекул.

22,4

Число молекул аммиака в 1 г находим из пропорции:

17 г содержат 6,02 × 10²³ атомов

1г Х,

отсюда _{Х =} 6,02 × 10²³ × 1 ₌ 3,5 × 10²² молекул.

17

Пример 6. Какова масса 1 моль воды?

Решение: Молекулярная масса воды H₂O равна 18 а.е.м. (атомная масса водорода – 1, кислорода – 16, итого 1 + 1 + 16 = 18). Значит, один моль воды равен по массе 18 граммов, и эта масса воды содержит 6,02 × 10²³ молекул воды.