Основные понятия и законы химии

Химия — наука о веществах, их физических и химических свойствах, закономерностях превращений и применении.

Химические явления — это процессы, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления — это процессы, сопровождающиеся изменением физического состояния веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) и процессы, при которых происходит изменение состава ядер атомов.

Атомно — молекулярное учение.

1. Все вещества состоят из молекул.
2. Молекулы состоят из атомов.
3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.

Различным химическим элементам соответствуют различные атомы.

Химический элемент — это вид атомов, характеризующийся определенным зарядом ядра и строением электронной оболочки.

В настоящее время известно 117 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется их строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атома.

Заряд ядра — положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.

Массовое число — сумма протонов и нейтронов атомного ядра   A = Z + N.

Изотопы — химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов.

Химическая формула — это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс — цифра, стоящая справа внизу от знака и определяет количество атомов в молекуле).

Химическая формула показывает,  атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Простые вещества — это вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента.

Cложные вещества – это вещества, молекулы которых состоят из атомов нескольких химических элементов.

Аллотропия — явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам.

Международная единица атомных масс (а.е.м) равна ¹/₁₂ массы атома изотопа  ¹²C — основного изотопа природного углерода.

1 а.е.м = ¹/₁₂ • m_ат (¹²C) = 1,992 • 10^-23 г/12 = 1,66057 • 10^-24 г

Относительная атомная масса (A_r) — безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к а.е.м.

Средняя абсолютная масса атома (m_ат) равна произведению относительной атомной массы на а.е.м.

A_r(Mg) = 24,312

m _(Mg) = 24,312 • 1,66057 • 10^-24 = 4,037 •10^-23 г

Относительная молекулярная масса (M_r) — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше а.е.м.

M_г = m / а.е.м

где m — масса молекулы данного вещества;

Относительная молекулярная масса вещества равна  сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы.

Примеры.

M_г(B₂O₃)=2 • A_r(B) + 3 •A_r(O) = 2 •11 + 3 • 16 = 70

M_г(KAl(SO₄)₂) = 1 • A_r(K) + 1 • A_r(Al) + 1 • 2 • A_r(S) + 2 • 4 • A_r(O) =
= 1 • 39 + 1 • 27 + 1 • 2 • 32 + 2 • 4 •16 = 258

Абсолютная масса молекулы  равна произведению относительной молекулярной массы на а.е.м.

Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения — моль.

Количество вещества (n) — это величина, пропорциональная числу частиц (молекул, атомов, ионов), содержащихся в определенной массе вещества. Измеряется в моль. 

Моль — количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода-12.

Число Авогадро (N_A). Количество частиц в 1 моль любого вещества одинаково и равно 6,02 • 10²³. (Постоянная Авогадро имеет размерность — моль^-1).

Молярная масса (М) -это масса 1 моль вещества. (измеряется в г/моль).

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая — безразмерная.

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

Отсюда, количества вещества равно отношению массы вещества к молярной массе

 Количества вещества можно определить как отношение количества атомов или молекул к числу Авагадро:

---

Основные законы химии

Закон сохранения массы веществ

(М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.)

Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в  результате  химических  реакций  атомы  не исчезают и не возникают, а  происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение — это процесс  разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате  чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

Исходя из закона сохранения массы веществ составляют уравнения химических реакций и проводят по ним расчеты. Закон сохранения массы веществ является основой количественного химического анализа.

 Составление химических уравнений

Включает три этапа:

1. Записываем схему реакции:

HgO = Hg + O₂

2. Проводим подбор коэффициентов для каждого вещества так, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаково:

2HgO = 2Hg + O₂

3. Проводим проверку числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения. (как правило, проверку проводят по кислороду)

Расчеты по химическим уравнениям

Стехиометрические расчеты основаны на законе сохранения массы веществ, которые производят с использованием записи уравнения и подбором коэффициентов.

В реальных химических процессах из-за неполного протекания реакций или потерь масса продуктов, реальная масса продуктов обычно меньше теоретически рассчитанной.

Выходом реакции (η) называют отношение реальной массы продукта (m_p) к теоретически рассчитанной (m_т), который выражается в относительных единицах или в процентах.

Если в условиях задач выход  продуктов реакции не указан, его в расчетах принимают за 100% (количественный выход).

Задача

Сколько грамм меди образуется при восстановлении 8 г оксида меди водородом, если выход реакции составил 82%?

---

Закон постоянства состава вещества

Впервые сформулировал Ж.Пруст (1808 г).

Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Из закона постоянства состава вещества следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

---

Закон кратных отношений

(Д.Дальтон, 1803 г.)

Если два химических элемента образуют несколько соединений, то весовые доли одного элемента в этих соединениях, приходящиеся на весовые доли второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

N₂O       NO     N₂O₃          NO₂         N₂O₅

Число атомов кислорода в молекулах этих соединений, приходящиеся на два атома азота, относятся между собой как 1 : 2 : 3 : 4 : 5. 

---

Закон объемных отношений

(Гей-Люссак, 1808 г.)

«Объемы газов, вступающих в химическую реакцию, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа».

Следствие. Стехиометрические коэффициенты в  уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.

---

Закон Авогадро

(А. Авогадро 1811 г.)

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т.д.) содержится одинаковое число молекул.

Закон справедлив только для газообразных веществ.

Следствия.

1. Одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковые объемы.
2. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.( н.у: 0°C = 273°К , 1 атм = 101,3 кПа)

V_м = 22,4 л/моль

Задача

Какой объем водорода при н.у. выделится при взаимодействии 4,8 г магния с избытком соляной кислоты?

---

Объединенный газовый закон

Объединенный газовый закон — объединение трех независимых частных газовых законов: Гей-Люссака, Шарля, Бойля-Мариотта, уравнение, которого можно записать следующим образом:

или в другой форме

Если один и параметров уравнения объединенного газового закона установить величиной постоянной, то мы получим формулы частных законов:

Закон Гей-Люссака

при P = const (P₁ = P₂) можно получить

Закон Бойля-Мариотта

при Т= const (T₁ = T₂):

Закон Шарля

при V = const

 

---

Уравнение Менделеева—Клапейрона

Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клапейрона-Менделеева:

где m — масса газа; M — молекулярная масса; p — давление; V — объем; T — абсолютная температура (°К); R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль • К) или 0,082 л атм/(моль • К)).

Для данной массы конкретного газа отношение m / M постоянно, поэтому из уравнения Клапейрона-Менделеева получается объединенный газовый закон.

Пример.

Какой объем займет при температуре 17°C и давлении 250 кПа оксид углерода (II) массой 84 г?

---

Относительная плотность газов

Относительная плотность газов D показывает, во сколько раз 1 моль одного газа тяжелее (или легче) 1 моля другого газа.

Задачи:

Химические явления. Вещества

1. Среди перечисленных явлений выберите те, которые являются химическими: а) испарение воды; б) горение древесины; в) потемнение серебряных изделий; г) выделение попутного газа при бурении нефтяных скважин; д) ржавление железа.
2. При добавлении серной кислоты к воде происходит сильный разогрев смеси. Какое явление при этом происходит: физическое или химическое? Ответ поясните.
3. Какие из перечисленных признаков характеризуют химические явления: а) изменение цвета; б) изменение агрегатного состояния; в) изменение формы; г) образование осадка?
4. Происходят ли химические явления при следующих процессах: а) таянии льда; б) перегонке воды; в) ржавлении железа; г) разделении смеси фильтрованием; д) гниении продуктов?
5. Какие из перечисленных веществ относятся к простым, а какие к сложным: а) углекислый газ; б) соль; в) медь; г) водород; д) алюминий; е) мрамор? В чем состоит различие между этими группами веществ?
6. При сгорании неизвестного сложного вещества в кислороде образуются углекислый газ и вода. Какие химические элементы могут присутствовать в этом сложном веществе? Какие из них присутствуют обязательно? Ответ поясните.

Относительные атомные и молекулярные массы. Постоянство состава вещества

1. Средняя масса атомов серы равна 5,31 • 10^-23 г. Вычислите относительную атомную массу элемента серы, если масса атома углерода равна 1,993 • 10^-23 г.
2. Рассчитайте, во сколько раз масса атома кислорода больше массы атома гелия.
3. Относительная атомная масса фтора равна 19. Определите среднюю массу атома фтора (в г), учитывая, что масса атома углерода равна 1,993 • 10^-23 г.
4. Рассчитайте относительную молекулярную массу следующих сложных веществ: а) хлорида магния MgCl₂; б) серной кислоты H₂SO₄, в) гидроксида кальция г) оксида алюминия Аl₂О₃, д) борной кислоты Н_зВО_з; е) сульфата меди (II) CuS0₄.
5. Магний реагирует с серой. Определите массу магния, который прореагирует с 20 г серы.
6. Алюминий и углерод реагируют при нагревании, образуя карбид алюминия. Сколько надо взять углерода для реакции с 15 г алюминия? Сколько карбида алюминия будет получено при этом?