|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Уровни организации веществаСтр 1 из 6Следующая ⇒
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ И ЗАКОНЫ СТЕХИОМЕТРИИ
Учебное пособие
Астрахань 2008 УДК 546 Основные понятия химии и законы стехиометрии: Учеб. пособие / Рябухин Ю.И., Старкова Н.Н., Огородникова Н.П. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 63 с.
Предназначено для студентов химических специальностей.
Библиогр.: 7 назв., приложение 1.
Печатается по решению кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" (протокол № 2 от 21 февраля 2008 г.).
Рецензент: доктор хим. наук, профессор А.Г. Тырков
© Рябухин Ю.И., Старкова Н.Н., Огородникова Н.П., 2008
Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие … Куда не посмотрим, куда ни оглянёмся, везде обращаются перед очами нашими успехи её прилежания. М.В.Ломоносов1 «Слово о пользе химии»
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ2 ХИМИИ Химия и её разделы
Химия3 относится к числу естественных наук, изучающих природу – окружающий нас мир4 во всём богатстве его форм и многообразии происходящих в нём явлений. Мир материален. Материя5 – объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания. Масса – одно из основных физических свойств материи, а энергия – количественная мера движения материи. Масса и энергия всегда присущи определённым материальным объектам как их свойства. Материя вечна во времени и бесконечна в пространстве. Форма существования материи – движение. Материя без движения так же немыслима, как и движение без материи.
… Если бы материя не была бы вечной, давно бы Весь существующий мир совершенно в ничто обратился И из ничтожества снова родилось бы всё, что мы видим, Но, как уже раньше сказал я тебе, ничего не родится Из ничего и обратно не может в ничто обратиться.
Древнегреческий философ Тит Лукреций Кар "О природе вещей".
Окружающий мир разнообразен прежде всего потому, что каждому виду материи присуща не одна, а ряд форм движения, которые могут переходить друг в друга. Например, химическая форма движения материи переходит в тепловую и, наоборот, тепловая – в химическую, химическая – в электрическую и т. д. Эти переходы свидетельствуют о вечности, единстве и непрерывной связи качественно различных форм движения материи, которые являются предметом изучения той или иной научной дисциплины.
Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ, то есть превращение одних веществ в другие, а именно – химические реакции6. Химия – наука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и (или) строения.
В отличие от физики (от греч. phỳsis – природа) – науки об общих законах природы – в химии наблюдается изменение состава вещества при сохранении прежних атомов. Пограничная область наук – ядерная физика и радиохимия. Объектом изучения в химии являются химические элементы и их комбинации, то есть атомы, простые (одноэлементные) и сложные вещества (химические соединения): молекулы, ионы, радикалы7, ион-радикалы8, карбены9, ассоциаты10, кластеры11, сольваты12, клатраты13 и т.п., а также материалы14. Число химических соединений огромно и всё время увеличивается, поскольку химия сама создаёт свой объект; к концу XX века было известно около 10 млн. химических соединений. Химия как наука и отрасль промышленности существует недолго (около 400 лет). Однако химическое знание и химическая практика (как ремесло) прослеживаются в глубинах тысячелетий, а в примитивной форме они появились вместе с человеком разумным в процессе его взаимодействия с окружающей средой. Поэтому строгое определение химии основывается на широком, вневременном универсальном смысле – как области естествознания и человеческой практики, связанной с химическими элементами и их комбинациями. В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам лишь исходное сырьё – воду, воздух, дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, для изготовления промышленных изделий и для домашнего обихода – удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду, спирт, уксус и т. д. Каждый человек постоянно имеет дело с различными веществами, и поэтому должен знать основные их свойства, а эти знания даёт химия.
Разделы химии
Вещество – (основной, наряду с физическим полем15) вид материи, обладающий массой покоя. Вещество состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и того, что из них построено. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы, радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (химические соединения).
Уровни организации вещества Микроскопический уровень: электрон, атом, радикал, ион, молекула. Свойства: масса атома, иона, радикала, молекулы; степень окис-ления; энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность атома.
Макроскопический уровень: вещество, металл, неметалл, минерал, смесь веществ. Свойства: агрегатное состояние, цвет, твёрдость, плотность, температура плавления, температура кипения, молярная масса. Атом16 – часть вещества микроскопических размеров и массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом – предел химического разложения вещества; мононуклидный структурный элемент молекулы, иона, радикала. Атомы состоят из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких частиц – электронов с отрицательным электрическим зарядом, образующих электронную оболочку. Физически атом делим. Например, в ядерных реакциях происходит распад атомов, и атомы одних элементов превращаются в другие. Говоря об атоме какого-либо элемента, подразумевают как электрически нейтральные атомы (число электронов в электронной оболочке равно числу протонов в атомном ядре, например, Н, Сl), так и положительно и отрицательно заряженные ионы – катионы (например, Н+) и анионы (например, Сl–). Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например, молекулы, кристаллы. Всё многообразие химических соединений (твёрдых, жидких, газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии (в газе, плазме17).
Диаметр атома dат ~ 10–10 м (~100 пм)18; диаметр ядра ~10–15 (10–3–10–2 пм). Элементарные частицы в точном значении этого термина –частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы, в узком смысле – частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так называемые мальчайшие частицы материи, подчинённые условию, что они не являются атомами и атомными ядрами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Наряду с составными частями атомов: электронами и нуклонами (протонами и нейтронами) при превращениях атомных ядер и в космическом излучении было открыто более 350 элементарных частиц, большая часть которых являются составными системами. Средний период продолжительности их жизни заключён между 10–23 с и вечностью (стабильные элементарные частицы).
Электронная оболочка атома – область пространства, которую занимают принадлежащие атому электроны. Электроны расположены в оболочке атома в зависимости от своей энергии. Электроны с приблизительно одинаковой энергией находятся на одном и том же энергетическом уровне.
Заряд атомного ядра ( Z )
Массовое число (А) – к оличество нуклонов в атомном ядре
A = Z + N , где N – число нейтронов Массовое число наиболее распространённого нуклида соответствует округлённой относительной атомной массе.
Нуклид19 – вид атомов, однозначно характеризующихся зарядом ядра Z и массовым числом А.
Изотопы20 – разнов идности атомов элемента с одинаковым числом протонов Z, но с различным числом нейтронов N и, следовательно, с различными массовыми числами А. Изотопам присущи одинаковые химические, но различные физические свойства (например, масса ядра).
Символика – обозначает строение электрически нейтрального атома.
Например: число протонов Z = 3 число нейтронов N = А – Z = 4
Кислота Определение по Аррениусу34: химическое соединение, которое в водном растворе полностью или частично диссоциирует на положительно заряженные ионы (катионы) водорода и отрицательно заряженные ионы (анионы) кислотного остатка:
Определение по Брёнстеду35: химическая частица (молекула, ион), которая при взаимодействии с основанием (в водном растворе – с молекулой воды) отдаёт ион водорода, или формально протон (донор36 протона). НNО3 + Н2О NH4+ + Н2О кислота основание Определение по Льюису37: химическая частица, обладающая по крайней мере одной свободной атомной орбиталью, которая может принять электронную пару от какого-либо основания (акцептор электронной пары): Н+ (Н3О+), BF3, Al(OH)3
Различают кислоты кислородные (содержат кислород, например, НNО3, Н2SО4, Н3РО4) и бескислородные (не содержат кислород, например, НСl, Н2S). Основание Определение по Аррениусу: химическое соединение, которое в водном растворе полностью или частично диссоциирует на положительно заряженные ионы (простые или сложные) и отрицательно заряженные гидроксид-ионы:
Определение по Брёнстеду: химическая частица (молекула, ион), которая при взаимодействии с кислотой (в водном растворе – с молекулой воды) принимает ион водорода, или формально протон (акцептор протона):
NH3 + Н2О СН3СОО– + Н2О
Определение по Льюису: химическая частица, обладающая по крайней мере одной неподелённой электронной парой, которая может быть передана на свободную атомную орбиталь какой-либо кислоты (донор электронной пары): Щёлочь39 – р астворимое в воде основание, создающее в водном растворе большую концентрацию ионов ОН–. Обычно к щелочам относят гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Гидроксиды щелочных металлов – едкие щёлочи. Иногда к щелочам относят соли, содержащие катионы сильных оснований и анионы слабых кислот, водные растворы которых имеют щелочную реакцию, например, гидросульфиды NaSH и KSH, карбонат Na2CO3, а также TlOH и аммиачную воду.
Амфотерный40 гидроксид41 – соединение, которое может реагировать как кислота (с более сильным основанием) и как основание (с более сильной кислотой).
Аl(ОН)3 + ОН– = [Al(OH)4]– кислота основание
Аl(ОН)3 + 3Н3О+ = [Al(H2О)6]3+ основание кислота Соль – кристаллическое соединение, состоящее из положительно заряженных ионов металла или аммония (катионов) и из отрицательно заряженных ионов кислотного остатка (анионов). Различают соли: средние, или нормальные (например, Nа2SО4), кислые (например, NаНSО4), оснóвные [например, Са(ОН)Сl], двойные [например, КАl(SО4)2] и комплексные (например, [Аg(NН3)2]Сl). Соли имеют в твёрдом состоянии ионную кристаллическую решётку и образуют в водном растворе или в расплаве свободно двигающиеся ионы:
Na+NО3– NH4+Cl– нитрат натрия хлорид аммония
В газообразном состоянии соли существуют в молекулярной форме.
Полимерное вещество – вещество, состоящее из агрегатов многочисленных атомов, между которыми существуют ковалентные связи. К ним относятся полимерные простые вещества, полисиликаты, органические полимеры и так называемые биополимеры.
Алмазоподобное вещество образует кристаллическую решётку, в узлах которой находятся атомы, связанные друг с другом ковалентными связями (атомная решётка).
Макромолекулярные вещества по большей части представляют собой смеси похожих макромолекул с различной молекулярной массой, которые ведут себя как единое целое. Органические макромолекулярные вещества возникают при полимеризации, поликонденсации или полиприсоединении низкомолеку-лярных веществ.
Минерал (от позднелат. minera – руда) – природное твёрдое тело с характерным химическим составом, кристаллической структурой и свойствами. Кварц, каменная соль, пирит, агат, сера, каменный уголь.
Горная порода – природная смесь минералов с приблизительно неизменным составом. Известняк (состоит из минерала кальцит с примесью глины). Гранит (состоит из минералов полевой шпат, кварц и слюда).
Руда – минерал или горная порода, которая с технической и экономической точек зрения подходит для производства металлов. Красный железняк (гематит), боксит, свинцовый блеск (галенит).
Классификация веществ в зависимости от структуры42
Символы, формулы, уравнения
Химическая формула43 – изображение состава и строения веществ с помощью химических знаков (химических символов) и числовых индексов. Химический символ атома состоит из первой буквы или из первой и одной из следующих букв латинского названия соответствующего ему элемента, например, углерод – C (Carboneum), медь – Cu (Cuprum), кадмий – Cd (Cadmium).
Стехиометрический44 индекс в химической формуле указывает на количественный состав химического соединения; даётся с помощью цифры, ставящейся внизу справа от символа данного химического элемента (или группы символов):
С2Н6 H2SО4 Ca3(PО4)2
Стехиометрический коэффициент указывает количество вещества в химической реакции; даётся с помощью цифры, ставящейся перед химической формулой в уравнении реакции:
N2 + 3Н2
Цифра 1 в химических формулах и уравнениях реакции не пишется, но подразумевается. Стехиометрией реакции называется отношение между количествами реагентов и продуктов реакции.
Индексы у химического символа атома элемента (их может быть четыре) обозначают: число нуклонов (массовое число); число протонов (заряд атомного ядра, порядковый номер элемента); заряд иона; стехиометрический индекс.
Формульная (структурная или условная) единица45 (ФЕ) – это химическая формула атома, молекулы, радикала, катиона, аниона, группы катионов или анионов или любой другой точно определённой и реально существующей как единое целое совокупности химических частиц. Формульная единица СаС12 указывает, что в кристалле хлорида кальция, в его растворе или расплаве имеются ионы кальция и хлора в количественном соотношении 1 : 2. Формульная единица [–CH2–CHCl–]n указывает, что в полимере поливинилхлориде имеются атомы углерода, водорода и хлора в количественном соотношении 2 : 3 : 1. Виды химических формул Эмпирическая формула показывает вид имеющихся химических элементов, а также наименьшее числовое соотношение атомов в каком-либо химическом соединении, не предоставляя при этом информации о числе атомов в формульной единице. Для веществ немолекулярного строения [ионных соединений (солей, оксидов и гидроксидов металлов) и металлов] эмпирическая формула является (часто) единственным видом формулы.
Молекулярная формула показывает состав какого-либо химического соединения с числом атомов, которые образуют одну формульную единицу. Однако молекулярная формула не даёт информации о строении частиц.
Структурная формула (применяется для соединений с ковалентными связями) даёт указание на элементный состав и на химические связи между атомами. Однако структурная формула не показывает пространственного расположения атомов. Ковалентные связи указываются с помощью валентных штрихов, каждый из которых обозначает электронную пару.
Электронная формула – структурная формула для какого-либо химического соединения, в которой представлены также валентные электроны, не участвующие в ковалентных связях. Неподелённые пары электронов в электронной формуле обозначаются двумя точками, неспаренные электроны — одной точкой.
Сокращённая структурная формула – структурная формула, в которой группы атомов соединяются без воспроизведения содержащихся в них ковалентных связей (используется главным образом применительно к органическим веществам).
Скелетная формула – структурная формула молекул органических веществ, когда символы атомов углерода и водорода, а также штрихи связей углерод – водород опускаются.
Пространственная формула (конфигурация) – структурная формула химического соединения, которая отражает пространственное расположение атомов или групп атомов в молекуле.
При проекции на плоскость бумаги получается проекционная формула.
Написание химических формул Для указания в химических формулах стехиометрических индексов и зарядов ионов существуют следующие правила.
1. Если стехиометрический индекс относится к группе атомов, то значающие эту группу химические символы ставятся в скобки: С3Н5(ОН)3 – в молекуле глицерина содержатся 3 гидроксигруппы; Ca(NО3)2 – в формульной единице нитрата кальция содержатся ионы кальция и нитрат-ионы в соотношении 1 : 2.
2. Данные о заряде сложного многоатомного иона в химической формуле относятся ко всему иону: SО42– – сульфат-ион – имеет двухкратный отрицательный заряд; NН4+ – ион аммония – имеет одинарный положительный заряд.
3. Химическая формула комплексного иона ставится в квадратные скобки, за которыми указывается его заряд; она состоит из: – химического символа центрального атома; – химической формулы лиганда в круглых скобках; – нижнего индекса, указывающего число лигандов. [Fe(CN)6]4– – гексацианоферрат(II)-ион; в имеющем четыре отрицательных заряда ионе шесть лигандов СN– (цианид-ион) связаны с центральным атомом FеII (катион железа Fe2+). [Cu(NH3)4]2+ – ион тетраамминмеди(II); в имеющем два положи-тельных заряда ионе четыре лиганда NH3 (молекула аммиака) связаны с центральным атомом меди (ион Сu2+).
4. Химическая формула воды в гидратах и кристаллогидратах отде-ляется точкой от химической формулы основного вещества. CuSO4 · 5H2O – пентагидрат сульфата меди(II) (медный купорос).
Химические реакции – процессы превращения одних веществ (исходных веществ, или реагентов) в другие (продукты реакции). Для осуществления химических реакций часто требуются определённые условия – температура, давление, облучение (например, льтрафиолетовым излучением), наличие растворителя и др. Химические реакции сопровождаются физическими явлениями: выделением или поглощением теплоты, испусканием света, изменением агрегатного состояния веществ и т. п. Поэтому химия тесно связана с физикой. Химия также тесно связана с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями.
Объём вещества Объём обозначают буквой V. Единицы измерения: м3; а также л, мл.
Молярный объём газообразного вещества (V м) – объём одного моля – величина, равная отношению объёма порции вещества к количеству вещества в этой порции: VМ =
Химическим эквивалентом50 называют условную частицу, в целое число раз меньшую (или равную) соответствующей ей формульной единице (атома, молекулы, иона, радикала и др.). В одной формульной единице вещества В51 может содержаться z(B) химических эквивалентов этого вещества. Число z(B) (э квивалентное число) показывает, сколько химических эквивалентов содержится в одной формульной единице; значения z(B) ≥ 1 зависят от химической реакции, в которой данное вещество участвует.
В обменных реакциях значение z(B) определяется стехиометрией реакции. Например, для реакции
Al2(SO4)3 + 12NaOH = 2Na3[Al (OH)6] + 3Na2SO4
на одну формульную единицу сульфата алюминия затрачивается 12 формульных единиц NaOH. Следовательно, значение z[Al2(SO4)3] = 12, а z(NaOH) = 1. Значение химического эквивалента для Al2(SO4)3 равно 1/12 формульной единицы Al2(SO4)3, а химический эквивалент NaOH равен формульной единице NaOH.
В окислительно-восстановительных реакциях значение z(B) определяют по числу электронов, которые принимает (отдаёт) одна формульная единица окислителя (восстановителя). Например, в реакции
2KMnO4 + 5K2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 3H2O
или
окислитель KMnO4 принимает 5 электронов, а восстановитель K2SO3 отдаёт 2 электрона. Следовательно, z (КMnO4) = 5, а z (К2SO3) = 2.
Число, обозначающее долю реальной частицы, называется фактором эквивалентности (fэкв). Его значение (≤ 1) не является величиной постоянной, а определяется природой реагирующих веществ и характером протекающей реакции: f экв (элемента) = где В – валентность атома элемента; f экв (кислоты) = где N(Н+) – основность кислоты – число ионов Н+ в молекуле кислоты, которые замещаются на ион металла; f экв (основания) = где N(ОН–) – кислотность основания – число ионов ОН– в формульной единице основания, которые замещаются на кислотные остатки; f экв (соли) = где N – число катионов (анионов) в формульной единице соли; Z – модуль52 заряда катиона (аниона) соли; f экв (оксида) = где N – число атомов оксидообразующего элемента или кислорода в оксиде, Z – модуль величины степени окисления атома оксидообразующего элемента или кислорода в оксиде;
если учесть степень окисления атома кислорода в оксиде (–2), то f экв (оксида) = где N – число атомов кислорода в оксиде; f экв (восстановителя или окислителя) = где значение z(B) определяют по числу электронов, которые принимает одна формульная единица окислителя или отдаёт одна формульная единица восстановителя в окислительно-восстановительной реакции.
Количество вещества химического эквивалента вещества В – nЭ(В) – величина, пропорциональная числу химических эквивалентов этого вещества NЭ(В): nЭ(В) = где NА – постоянная Авогадро.
Единица измерения количества вещества химического эквивалента – моль. Так как в одной формульной единице вещества В может содержаться z(В) химических эквивалентов этого вещества, то
NЭ(В) = z(В) · Nфе,
где Nфе – число формульных единиц вещества В.
Следовательно: nЭ(В) = z(В) · n(В) ,
где n(В) – количество вещества В.
Молярная масса химического эквивалента (эквивалентная масса) вещества – это масса 1 моля эквивалента:
МЭ = fэкв ∙ М.
Единица измерения МЭ – г/моль.
Поскольку фактор эквивалентности не является величиной постоянной, то и значение эквивалентной массы данного вещества будет различным. Для определения молярной массы эквивалента следует исходить из химической формулы вещества или уравнения реакции, в которой участвует это вещество.
Моль эквивалентов – количество вещества, содержащее один моль его химических эквивалентов.
Пример 1. Для соединений Н2S, SО2, Н2SО4 молярные массы химических эквивалентов серы – МЭ(S) – соответственно равны:
Пример 2. Н3РО4 + 1ּКОН = КН2РО4 + Н2О,
Н3РО4 + 2ּКОН = К2НРО4 + 2Н2О,
Н3РО4 + 3ּКОН = К3РО4 + 3Н2О,
Пример 3. КНSО4 + КОН = К2SО4 + Н2О,
КНSО4 + ВаСl2 = ВаSО4↓ + КСl + НСl
Пример 4.
К2Сr2О7 + (СН3СОО)2Рb = РbСr2О7↓ + 2СН3СООК (обменная реакция)
К2Сr2О7 + 3SО2 + Н2SО4 = Сr2(SО4)3 + К2SО4 + Н2О (окислительно-восстановительная реакция)
так как: Сr2О72– + 14Н+ + 6е– = 2Сr3+ + 7Н2О.
Объём химическогоэквивалента газообразного вещества В – это объём, занимаемый при данных условиях одним эквивалентом газообразного вещества. Единица измерения VЭ – л/моль.
Например, при н. у. (см. сноску 70, с. 46):
В каждой естественной науке заключается столько истины, сколько в ней есть математики. И. Кант53
2. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ54
Стехиометрия – учение о массовых или объёмных соотношениях реагирующих веществ (см. сноску 44, с. 25).
Законы стехиометрии обусловлены атомно-молекулярным строением вещества. Соотношения, в которых, согласно этим законам, вступают в реакцию вещества, называются стехиометрическими. Законы стехиометрии используются в расчётах, связанных с формулами веществ и нахождением теоретически возможного выхода продуктов реакции.
2.1. Закон сохранения массы и энергии55
До начала XX в. законы сохранения массы и сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга как частные случаи всеобщего естественного закона сохранения материи и движения: закон сохранения массы – в химии, закон сохранения энергии – в физике.
Закон сохранения массы
(М.В. Ломоносов, 1748 г., А. Лавуазье56, 1789 г.)
Закон сохранения энергии
Энергия изолированной системы57, включающей вещества, вступившие в химическую реакцию, равна энергии системы, включающей продукты реакции58 Взаимосвязь между массой и энергией определяется соотношением (уравнением) Эйнштейна (1905 г.)59:
Е = mс2, где Е – энергия, Дж; m – масса, кг; с = 3 ∙108 м/с – скорость света в вакууме (300 000 км/с).
Это соотношение выражает эквивалентность массы и энергии любого объекта, но не тождественность и не взаимопревращаемость вещества и энергии. Частицы вещества при определённых условиях могут превращаться в частицы поля и, наоборот, частицы поля – в частицы вещества. Например, при горении наблюдается переход вещества в поле в виде световых фотонов – частиц электромагнитного поля, характеризующихся постоянной скоростью (~300 000 км/с) и отсутствием массы покоя. Известно также, что при столкновении позитрона с электроном обе частицы исчезают с образованием двух фотонов (е– + е+ = 2hν). Наблюдается и обратный процесс. Общая масса данного количества материи, также как и общая его энергия, сохраняется во времени. Философское значение этого закона – естественно-научное доказательство положения диалектического материализма о неотделимости материи и движения. Масса и энергия неотделимы от материи, но они не сводятся друг к другу и не превращаются одно в другое. Может иметь лишь пропорциональное изменение массы с изменением энергии. В любом процессе
ΔЕ = Δmс2
где Δm – дефект массы, равный разности суммы масс продуктов реакции и исходных веществ.
Дефект массы отражает не переход массы в энергию, а превращение массы вещества в массу поля. При этом в системе сохраняется постоянство Σm. Так, масса движущегося тела больше, чем неподвижного, масса горячего – больше, чем холодного. Поскольку масса пропорциональна энергии, то можно её выражать в единицах энергии и сформулировать общий закон – закон сохранения массы и энергии.
В изолированной системе сумма масс и энергий постоянна и возможны лишь превращения в эквивалентных соотношениях одних форм энергии в другие и эквивалентно связанные друг с другом изменения массы и энергии.
2.2. Закон постоянства состава60 (Ж. Пруст61, 1799–1806)
Закон кратных64 отношений
(Дж. Дальтóн, 1803 г.)
Законы газового состояния ("газовые" законы строго выполняются только для идеальных газов)
2.4.1. Закон Бойля-Мариотта65
объём данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален его давлению66:
РV = соnst или Р1V1 = Р2V2 (справедлив при Т = соnst)
2.4.2. Закон Шарля67
при постоянном объёме давление газа изменяется пропорционально температуре:
Р / Т = соnst или Р1 / Т1 = Р2 / Т2 (справедлив при V = соnst)
2.4.3. Закон Гей-Люссака68
объём данной массы газа при постоянном давлении изменяется пропорционально температуре: V / Т = соnst или V1 / Т1 = V2 / Т2 (справедлив при Р = соnst) 2.4.4. Объединённый газовый закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака
Для данного количества (массы) идеального газа69 отношение произведения давления на объём к абсолютной температуре есть величина постоянная :
при m = const (упрощённый вид уравнения состояния идеального газа)
Это уравнение используют для приведения объёмов газа к нормальным условиям70:
Величина
(уравнение Менделеева-Клапейрона71)
где Р – давление газа, Па (кПа); V – объём газа, л (м3)72; n – количество вещества газа, моль (кмоль); m – масса газа, г (кг); М – молярная масса, г/моль (кг/моль); R – молярная универсальная газовая постоянная
(R = 8,314 2.4.5. Закон объёмных отношений
(Ж.Л. Гей-Люссак, 1805 г.)
Объёмы вступивших в реакцию газов и газообразных продуктов реакции при одинаковых давлении и температуре относятся друг к другу как небольшие целые числа (совпадающие со стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции)
Например, для протекающей в газовой фазе реакции
4NН3 + 3О2 = 2N2 + 6Н2О
Для реакции Н2 + Cl2 = 2HCl
2.4.6. Закон Авогадро
(А. Авогадро, 1811 г.)
В равных объёмах идеальных газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул (или атомов – благородных газов).
Это объясняется тем, что при одинаковых условиях расстояния между отдельными молекулами у всех газов примерно одинаковы, так как объёмы самих молекул по сравнению с расстояниями между ними ничтожны.
Закону Авогадро подчиняются также пары жидкостей и смеси газов, например воздух. Закон эквивалентов
(И.В. Рихтер, 1791 г.; У. Волластон74, 1807 г.)
Химические элементы соединяются между собой в определённых массовых количествах, соответствующих их эквивалентам, или: в реакциях участвуют равные количества вещества химических эквивалентов
Массы (объёмы) реагирующих и образующихся в результате реакций веществ пропорциональны молярным массам (объёмам) их эквивалентов. Для реакции, в которой взаимодействуют вещества А(1) и В(2), справедливы равенства:
nЭ (А) = nЭ (В)
или
кроме того, для газообразных веществ: Например, для реакции
2Nа + 2Н2О = 2NаОН + Н2↑
или nЭ (Nа) = nЭ (Н2О) = nЭ (NаОН) = nЭ (Н2О)
где nЭ – количество вещества эквивалента.
Таким образом, вещества реагируют и образуются в строго определённых (эквивалентных) количествах. Пример 1. При взаимодействии 5,6 г железа с серой образовалось 8,8 г сульфида железа. Определите эквивалентную массу и фактор эквивалентности железа, 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 реагирующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам. Следовательно:
Поскольку молярная масса железа, численно совпадающая с его относительной молекулярной массой, равна 56 г/моль, то эквивалентная масса железа (28 г/моль) в два раза меньше его молярной массы и, следовательно, в 1 моле железа содержится 2 моля его эквивалента. Следовательно, фактор эквивалентности железа равен ½.
Пример 2. Некоторое количество металла, эквивалентная масса которого равна 28 г/моль, вытесняет из кислоты 0,7 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Определите массу металла.
Решение. Поскольку эквивалентный объём водорода равен 11,2 л/моль, и учитывая, что
находим массу металла х =
Из закона эквивалентов следует, что количество вещества химического эквивалента (молярная масса эквивалента) химического соединения равно сумме количества веществ эквивалентов (молярных масс эквивалентов) составляющих их частей. Например, если известно, что из 3,85 г нитрата металла (Х) получено 1,60 г его гидроксида, то молярную массу эквивалента данного металла МЭ (Х) вычисляют из соотношения:
МЭ (Х) = 15 г/моль
Для определения молярной массы химического эквивалента сложного вещества следует разделить его молярную массу (М) на сумму валентностей замещённых радикалов (Н+, ОН–, Каtn+, Аnn–). Например:
NаНSО4 + NаСl = Nа2SО4 + НСl (1)
ZnОНNО3 + НNО3 = Zn(NО3)2 + Н2О (2)
Н2SО4 + NаСl = NаНSО4 + НСl (3)
NаНСО3 + СаSО4 = СаСО3↓ + NаНSО4 (4)
Fе(ОН)2Сl + 2НСl = FеСl3 + 2Н2О (5)
Н2SО4 + 2КОН = К2SО4 + 2Н2О (6)
АlОНSО4 + 3НСl = АlСl3 + Н2SО4 (7)
Аl(ОН)3 + 3НNО3 = Аl(NО3)3 +3Н2О (8)
КАl(SО4)2 + 2ВаСl2 = КСl + АlСl3 + 2ВаSО4↓ (9)
В реакциях (1-3) количества вещества эквивалентов NаНSО4, ZnОНNО3 и Н2SО4 равны 1 моль, а молярные массы химических эквивалентов – молярной массе (М) этих веществ, умноженной на единицу (fэкв. = 1), так как в процессе обмена в каждом из них замещается по одному одновалентному радикалу. В реакциях 4-6 количества веществ эквивалентов NаНСО3, Fе(ОН)2Сl и Н2SО4 равны 1/2 моль, а молярные массы эквивалентов – молярной массе (М) этих веществ, умноженной на 1/2, так как в каждом из них замещается по два одновалентных радикала. В реакциях 7, 8 количества веществ эквивалентов АlОНSО4 и Аl(ОН)3 равны 1/3 моль, а молярные массы эквивалентов – 1/3 М. Реакции 9 количество вещества эквивалента КАl(SО4)2 равно 1/4 моль, а молярная масса эквивалента - 1/4 М, так как сумма валентностей замещённых радикалов равна четырём.
Задачи 1. Вычислите массу и плотность по воздуху смеси газов, состоящей из 1 л азота и 1 л оксида углерода(II), измеренных при н. у.
2. При взаимодействии аммиака с хлором образуются хлороводород и азот. Определите, в каких объёмных отношениях находятся реагирующие и образующиеся газы.
3. Рассчитайте массу 1 л газовой смеси, состоящей из 40 % (об.) оксида углерода(II) и 60 % (об.) оксида углерода(IV), которая находится при температуре 27 0С и давлении 2 атм.
4. Определите число молекул и массу кислорода в 5 л сухого воздуха, если содержание в нём кислорода по объёму составляет 21 %.
5. При прокаливании МnО2 образуется Мn3О4 и кислород. Определите объём кислорода, который выделится при температуре 32 0С и давлении 111,4 кПа из 0,5 кг диоксида марганца.
6. Определите объёмные доли неона и аргона в смеси, если их парциальные давления соответственно равны 203,4 и 24,6 кПа.
7. Смесь состоит из 25 % (об.) водорода и 75 % (об.) азота. Каково отношение парциальных давлений этих газов ?
8. В закрытом сосуде вместимостью 0,6 м3 находится при температуре 0 0С газовая смесь, состоящая из 0,2 кг СО2, 0,4 кг О2 и 0,15 кг СН4. Вычислите общее давление смеси и парциальное давление каждого газа, а также состав смеси в объёмных долях.
9. Из какого количества атомов состоит пар ртути, если его плотность по воздуху равна 6,92 ?
10. Рассчитайте эквивалентную массу серы, на окисление 4 г которой потребовалось 2,8 л кислорода (н. у.).
11. Определите фактор эквивалентности и эквивалентную массу дигидроксохлорида железа(III) в реакциях:
а) Fе(ОН)2Сl + NаОН = Fе(ОН)3 + NаСl;
б) Fе(ОН)2Сl + НСl = FеОНСl2 + Н2О;
в) Fе(ОН)2Сl + 2НСl = FеСl3 + 2Н2О.
12. При взаимодействии 0,376 г алюминия с кислотой получено 0,468 л водорода (н. у.). Определите эквивалентный объём водорода.
13. При нейтрализации 0,943 г фосфористой кислоты израсходовано 1,291 г КОН. Вычислите фактор эквивалентности и эквивалент-ную массу Н3РО3. Напишите уравнение реакции нейтрализации.
14. Определите валентность атома золота в хлориде состава: 64,9 % Аu и 35,1 % Сl.
15. Определите, сколько литров водорода (н. у.) выделилось при взаимодействии с кислотой 0,45 г металла, эквивалентная масса которого равна 20 г/моль.
16. Определите массовую долю металла в хлориде, где его эквивалентная масса равна 27,45 г/моль.
17. Из хлороводородной кислоты при температуре 20 0С и давлении 100 кПа 0,943 г некоторого металла вытеснили 348 мл водорода. Определите эквивалентную массу этого металла.
18. Определите эквивалентную массу металла, 0,350 г которого вытеснили из кислоты 209 мл водорода, собранного над водой при температуре 20 0С и давлении 104,3 кПа, если давление насыщенного водяного пара при этой температуре составляет 2,3 кПа.
19. Какова эмпирическая формула хлорида меди, если эквивалентная масса хлора равна 35,5 г/моль, молярная масса меди равна 63,5 г/моль, а эквивалентная масса хлорида меди равна 99,5 г/моль ?
20. Почему нельзя отождествлять понятия "химический элемент", "простое вещество" и "атом"?
21. Каких атомов – азота или меди – больше в земной коре, если их массовые доли примерно равны между собой (0,01%).
22. При нагревании 27 г алюминия с 60 г серы образовалось 75 г продукта реакции. Противоречит ли этот факт закону сохранения массы ?
23. Проиллюстрируйте справедливость закона кратных отношений на примерах двух пар оксидов: SO2 и SO3; CO и CO2.
24. Один сосуд заполнен водородом и хлором, а другой водородом и кислородом. Как изменятся объём и давление смесей газов при пропускании через них электрической искры ? 25. При нагревании НВr полностью разложился, но объём газа не изменился. Каковы продукты реакции разложения: а) атомы Н и Вr; б) молекулы Н2 и Вr2; в) молекулы Н2 и атомы Вr ?
26. Какие измерения нужно произвести, чтобы рассчитать молярную массу вещества по формулам законов газового состояния ?
27. Каким закономерностям подчиняются газообразные вещества в химических реакциях ?
28. Как следует изменить условия, чтобы увеличение массы данного газа не привело к возрастанию его объёма: а) понизить температуру; б) увеличить давление; в) нельзя подобрать условия ?
29. При каком соотношении парциальных давлений массы кислорода и азота одинаковы ?
30. На вопрос, какой объём займёт 1 моль воды при нормальных условиях, получен ответ – 22,4 л. Правильный ли это ответ ?
31. В одном из однолитровых сосудов находится кислород, а в другом – углекислый газ (при одинаковых условиях). В каком сосуде: а) больше молекул; б) больше масса газа ?
32. Почему молярный объём различных веществ одинаков, если они находятся в газообразном, но не в конденсированном (жидком или твёрдом) состоянии ? Как зависит число молекул, содержа-щихся в 1 моле, от агрегатного состояния вещества ?
33. Масса атома серы в 2 раза больше массы атома кислорода. Можно ли на этом основании считать, что плотность пара серы по кислороду равна двум ?
34. Молекула оксида NОх содержит 30,4 % азота. Чему равна плотность данного газообразного оксида по кислороду ?
35. От чего зависит химический эквивалент элемента ?
36. Почему молярная масса постоянна, а молярная масса эквивалента вещества может быть разной ? Может ли эквива-лентная масса вещества быть больше его молярной массы и почему ?
37. Значение МЭ серной кислоты будет наименьшим при её превращении: а) в кислую соль; б) в среднюю соль; в) в SO2; г) в молекулярную серу; д) в H2S.
38. Какой из химических элементов имеет постоянный эквивалент в хлоридах фосфора ?
39. Во сколько раз масса оксида больше массы металла, если эквивалентная масса металла в 2 раза больше эквивалентной массы кислорода ?
Ответы 1. m = 2,5 г; D = 0,965. 3. m = 3,357 г. 4. N = 2,82 ∙ 1022 молекул; m = 1,5 г. 5. V = 43,58 л. 6. φNe = 0,892; φAr = 0,108. 7. 8. Pсмеси = 100 кПа; 9. Из одного. 10. MЭ, S = 8 г/моль. 11. а) fэкв = 1; МЭ = 125,5 г/моль; б) fэкв = 1; МЭ = 125,5 г/моль; в) fэкв = ½; МЭ = 62,75 г/моль. 12. 13. fэкв = ½; МЭ = 41; 2 г/моль. 14. III 15. V = 0,252 л. 16. ω = 0,436. 17. МЭ = 33 г/моль. 18. МЭ = 20 г/моль. 21. Атомов азота больше. 22. Нет. 24. Не изменятся; в первом сосуде объём уменьшится в 0,66 раз, давление увеличится. 25. б. 28. а, б. 29. 30. Нет. 31. а) число молекул одинаково в обоих сосудах; б) во втором. 33. Нельзя. 34. D = 1,44. 37. д. 38. Хлор. 39. В 1,5 раза.
Предметный указатель
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химия: Справочник школьника и студента / К. Зоммер, К.Х. Вюнш, М. Цеттлер; Пер. с нем. под ред. проф. Р.А. Лидина. – М.: Дрофа, 2003. – 384 с. 2. Химическая энциклопедия: В 5 т. – М.: Сов. энцикл., Большая Российская энцикл., 1988-1999. 3. Гаршин А.П. Толковый словарь по химии для школьника, абитуриента, студента. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2004. – 336 с. 4. Жохова О.К., Романова М.Ю. Основные понятия и законы химии. – Волгоград: Волгоград. гос. техн. ун-т, 2001. – 24 с. 5. Большой Российский энциклопедический словарь. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2006. – 1887 с. 6. Физика: Энциклопедия / Под ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 994 с. 7. Фундаментальные понятия и законы химии. Определение молекулярной массы и химического эквивалента: Учеб.-метод. пособие / Старкова Н.Н., Рябухин Ю.И. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2003. – 32 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Основные понятия химии 3 1.1. Химия и её разделы 3 1.2. Химические элементы и химические соединения 11 1.3. Классификация веществ 15 1.4. Символы, формулы, уравнения 24 1.5. Важнейшие величины и единицы в химии 31 2. Стехиометрические законы 40 2.1. Закон сохранения массы и энергии 40 2.2. Закон постоянства состава 43 2.3. Закон кратных отношений 44 2.4. Законы газового состояния 45 2.4.1. Закон Бойля-Мариотта 45 2.4.2. Закон Шарля 45 2.4.3. Закон Гей-Люссака 45 2.4.4. Объединённый газовый закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака 46 2.4.5. Закон объёмных отношений 47 2.4.6. Закон Авогадро 48 2.4.7. Закон Дальтóна (закон парциальных давлений) 50 2.5. Закон эквивалентов 51 Задачи 54 Ответы 57 Приложение 58 Предметный указатель 60 Список литературы 61
Рябухин Юрий Иванович – доктор химических наук, Соросовский профессор, профессор кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" Астраханского государственного технического университета.
Старкова Наталья Николаевна – кандидат химических наук, доцент кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" Астраханского государственного технического университета.
Огородникова Надежда Петровна – старший преподаватель кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" Астраханского государственного технического университета.
АГТУ. Заказ № . Тираж 100 экз.
1 Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) – первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, поэт, заложивший основы современного русского литературного языка, художник, историк, поборник отечественного просвещения, развития русской науки и экономики. Ломоносов является создателем химии как науки; ввёл понятие о молекулах (корпускулах – тельцах) и атомах (элементах), ввёл взвешивание, обосновал теорию горения, разработал способ изготовления цветного стекла, внёс вклад в развитие физики, геологии, географии, астрономии, металлургии и др. 2 Понятие – мысль, фиксирующая существенные свойства, связи и отношения предметов и явлений; представление о чём-либо; уровень понимания чего-либо. Основнóй – наиболее важный, существенный, главный. 3 О том, какова этимология (происхождение) слова «химия», каково его истинное, исходное значение, единого мнения нет. Многие считают, что это слово пришло в современный язык из Древнего Египта – колыбели мировой цивилизации. Когда-то Египет имел название «Хемия» (по-древнеегипетски "хем" или "хаме" – чёрный) – очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил, и слово "химия" можно перевести как "чёрные земли" или "наука о чёрной земле (Египта)", смысл же названия – "египетская наука"). Вполне возможно, что название страны "Хемия" (то есть Египет) просто указывало на то место, где по господствующему тогда мнению, достигли наибольшего прогресса в литье изделий из металлов. Может быть, слово «химия» происходит от древнегреческого chēméia (хемейа) – отливаю, лью, – искусство выплавки металлов, и отражает то обстоятельство, что первоначально одна из главнейших задач тех, кто занимался химией, состояла в получении металлов. Современное название «химия» производится от позднелат. chimia и является интернациональным, например нем. сhemie, франц. chimie, англ. сhemistry. Как бы то ни было, слово «химия» стало означать получение одних веществ из других в результате тех или иных превращений. Термин «химия» впервые употребил в своих сочинениях в V веке греческий алхимик Зосима Панополитанский, родившийся и работавший в Египте. 4 Мир – совокупность всех форм материи в земном и космическом пространстве. 5 Материя – от. лат. mater rerum – мать вещей и materia – вещество; субстрат, субстанция; содержание. В лат. философский язык термин введён Цицероном как перевод греч. hỳlē (собственно – древесина). Понятие материи как субстрата вещественного мира было выработано в греч. философии в учениях Платона и Аристотеля, при этом материя понималась как неоформленное небытиё (теон), чистая потенция. Сформулированное Декартом понятие материи как телесной субстанции (в противоположность "мыслящей" субстанции), обладающей пространственной протяжённостью и делимостью, легло в основу материализма 17-18 веков. Материя – центральная категория диалектического материализма. 6 Реакция – от. лат. re – противо и actio – действие. 7 См. с. 14. 8 Ион-радикалы – ионы, являющиеся радикалами. 9 Карбены (от лат. саrbо – уголь) – нестабильные соединения углерода(II), содержащие два неспаренных электрона на одном атоме углерода и имеющие брутто-формулу CRR', где R и R' – органические радикалы или галогены; промежуточно образуются во многих органических реакциях; простейший из них – метилен :СН2. 10 Ассоциáты (от ср.-век. лат. аssосiаtiо – соединение) – группы молекул или ионов в жидкой или газовой фазах, связанные водородными связями, ван-дер-ваальсовыми или электростатическими взаимодействиями. 11 Кластеры (англ. сlustеr – гроздь, скопление) – комплексные соединения, в основе молекулярной структуры которых лежит объёмная ячейка из непосредственно связанных между собой атомов металла, которая играет роль центрального атома (комплексообразователя). 12 Сольваты (от лат sоlvо - растворяю) – продукты сольватации, представляющие собой молекулы или ионы растворённого вещества, окружённые оболочкой из молекул растворителя, которая удерживается электростатическими и ван-дер-ваальсовыми силами, а также координационными и водородными связями. 13 Клатраты (от лат. сlаtrаtus – защищённый решёткой) – соединения включения, образованные за счёт оптимального сочетания геометрических характеристик "гостей" и "хозяев" без образования химической связи между ними. Вещества, в которых молекулы соединения – "хозяина" образуют пространственный каркас, а молекулы соединения – "гостя" располагаются в полостях каркаса, например, в клатрате Сl2 · 6Н2О молекулы Сl2 занимают полости каркаса, образован-ного молекулами Н2О. 14 Материал (от лат. mātеriālis – вещественный) – вещество, предмет, сырьё, применяемое для какой-либо цели. 15 Поле физическое – особый вид материи; система с бесконечным числом степеней свободы. К нему относятся электромагнитные и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным частицам (например, электрон-позитронное поле). Источниками физического поля являются частицы (например, для электромагнитного поля – заряженные частицы). Создаваемые частицами физические поля переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами. 16 Атом – от греч. átоmоs – неделимый. Термин ввёл Демокрит (V в до н. э.) – древнегреческий философ, один из основателей античной атомистики. 17 Плазма (от греч. plásma – вылепленное, оформленное) – ионизи-рованный газ. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звёзды, галактические туманности и межзвёздная среда. 18 1 пм (пикометр – от исп. рiсо – малая величина) = 10–12 м. 19 Нуклид – вид атомов, характеризующихся определёнными значениями заряда ядра Z (числом протонов в ядрах) и массового числа А (суммой чисел протонов Z и нейтронов N в ядрах). Обозначают символом соответствующего химического элемента с индексами А – слева вверху и Z – слева внизу, например, 20 Изотоп – от греч. isos – равный и tóроs – место. 21 Элемент – от лат. еlementum – простейший, первоначальное вещество, составная часть сложного целого. У греческих философов-материалистов – одно из первоначал, одна из составных частей природы, лежащих в основе всех вещей, явлений. Нет точных сведений, откуда произошло слово ″элемент″. Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита – l, m, n, t. Прочтя их, вы получите ″эль″, ″эм″, ″эн″, ″тэ″. Древние мыслители якобы хотели подчеркнуть, что как слова состоят из букв, так и ″тела″ сложены из элементов. 22 Совокупность – сочетание, общая сумма, общее количество чего-либо. 23 Молекула – латинское слово "mōlēs" означает массу, а суффикс "–cula" имеет уменьшительное значение, поэтому слово molecula дословно переводится как маленькая масса, буквально – "массочка". Термин введён французским философом-материалистом, математиком и астрономом Пьером Гассенди в 1647 г. 24 Ион – от греч. iốn – идущий. Термин ввёл в 1830 г. английский учёный (физик и химик) Майкл Фарадей, назвав "путешествующие" части молекул электролитов при электролизе от одного электрода к другому ионами. 25 Анион – от греч. ánоdуs – движение вверх, восхождение и anion, буквально – идущий вверх. Катион – от греч. kаthоdуs – спуск, схождение и katión, буквально – идущий вниз. Термины "анион" и "катион" введены М. Фарадеем. 26 Радикал (фр. rаdiсаl от лат. rādiсālis – коренной и rādiх – корень): 1. Неустойчивая частица с избыточной энергией. 2. Устойчивая группа атомов в молекуле, переходящая без изменений из одного химического соединения в другое. 27 Классификация (от лат. classis – разряд, группа и facio – делаю) – система распределения каких–либо однородных предметов или понятий по классам, отделам и т. п. по определённым общим признакам. 28 Металлы – от греч. mếtallon – первоначально шахта, копи. 29 Амальгама (от ср.-лат. amalgama – сплав, через араб, от греч. málagma – мягкая подкладка) – сплавы металлов с ртутью. 30 Амфиген (от греч. amphi – с обеих сторон и génos – род, происхождение). 31 Термины "дальтониды" и "бертоллиды" (см. раздел 2.2) введены российским физико-химиком, академиком АН СССР Николаем Семёновичем Курнаковым в 1912-1914 гг. в честь Дж. Дальтóна и К.Л. Бертолле для обозначения химических соединений соответственно постоянного и переменного состава. Джон Дальтóн (Дóлтон) (1766-1844) – английский химик и физик, создатель химического атомизма. Установил закон кратных отношений, ввёл понятие ″атомный вес″, первым определил атомные веса (массы) ряда элементов. Открыл газовые законы, названные его именем. Первым описал дефект зрения, которым страдал сам, позже названный дальтонизмом. Клод Луи Бертоллé (1748-1822) – французский химик, основатель учения о химическом равновесии. Разработал (совместно с А. Лавуазье и др.) новую химическую номенклатуру. Считал состав химических соединений переменным. Установил состав аммиака, природного газа, синильной кислоты, сероводорода. Открыл хлорат калия, названный позднее бертоллетовой солью. 32 Валентность (от лат. valentia – сила) – способность атомов элементов к образованию химических связей; количественно характеризуется числом. В случае ионной связи валентность – это число отданных или присоединённых данным атомом электронов; в случае ковалентной связи валентность равна числу обобществлённых электронных пар. Атомы многих элементов имеют различную валентность в зависимости от того, в какие соединения они входят. В этом случае часто пользуются термином «степень окисления» атома.
33 Оксид – нем. охуdеn, фр. охуdеs, от греч. охуs – кислый. 34 Сванте Аррениус (1859-1927) – шведский физикохимик. 35 Иоханнес Николаус Брёнстед (1879-1947) – датский физикохимик. 36 Донор от лат. dōnārе – дарить, жертвовать. 37 Гилберт Льюис (1875-1946) – американский физикохимик. 38 Водный раствор аммиака по традиции обозначают формулой NН4ОН и называют гидроксидом аммония, но поскольку такое вещество не существует, вопреки традиции его можно изображать как гидрат NН3 · Н2О или просто NH3. 39 От "выщелачивание" – по-славянски "растворение". 40 Амфотерность – от греч. amphóteros – и тот и другой. 41 Гидроксид – гидрат оксида. 42 Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – взаимосвязь элементов (атомов, молекул, ионов, радикалов) в химических соединениях. 43 Формула (от лат. formula – форма, правило, предписание). 44 Стехиометрия – от греч. stoichéion – основа, элемент (составная часть) и metréō – измеряю. Термин ввёл немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер в 1793 г. 45 Единица – нормативно-метрологическое количество чего-либо. 46 Масса (от лат. massa – глыба, ком, кусок) – фундаментальная физическая величина, определяющая инертные и гравитационные свойства всех тел – от макроскопических до атомов и элементарных частиц. В Международной системе единиц (СИ) масса измеряется в кг. 47 Подстрочный индекс "r" – от лат. relаtivus – относительный. Понятие "атомный вес" ввёл Дж. Дальтóн (см. сноску 31 на с. 17), который и первым определил атомные веса (массы) элементов: Н, N, S, P. 48 Моль – единица количества вещества – введена решением ХIV Генеральной конференции по мерам и весам в 1971 г. в качестве седьмой основной единицы Международной системы единиц (франц. Sisté me International d’ Unité s, сокращённо SI, в русской транскрипции – СИ), – системы единиц физических величин. Слово "моль" происходит от лат. moles, означающего "количество, масса или счётное множество". Моль служит для образования производных единиц, так называемых молярных величин: молярной массы (кг/моль), молярного объёма (м3/моль), молярной внутренней энергии (Дж/моль), молярной концентрации (моль/м3) и др. 49 Названа по имени Амедео Авогадро (1776–1856) – итальянского физика и химика. 50 Эквивалент (лат. aequivalens, aequivalentis) – нечто равноценное, равнозначное, равносильное другому, полностью замещающее его. Термин ввёл И. Рихтер в 1793 г. (см. сноску 44 на с. 25). 51 В – обозначение данного вещества. 52 Модуль – от лат. modulus – мера. 53 Иммануил Кант (1724–1804) – родоначальник немецкой классической философии. 54 Закон (философское, научное значение) – необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе. Понятие закон родственно понятию сущности. Познание законов составляет задачу науки. 55 Энергия (от греч. – еnеrgеiа – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. 56 Антуан Лавуазье (1743–1794) – французский химик.
57 Система – устройство, структура, представляющие собой единство взаимно связанных частей; материальный объект, обособленный от окружающей среды физическими или воображаемыми границами. 58 Закон сохранения механической энергии впервые сформулировал немецкий философ и математик Готтфрид Лейбниц в 1686 г.; затем немецкий врач Юлиус Роберт Майер в 1841 г., английский физик Джеймс Джоуль в 1843 г. и немецкий учёный Герман Гельмгольц в 1847 г. экспериментально открыли закон сохранения энергии в немеханических явлениях. 59 Соотношение Эйнштейна доказывает, что закон сохранения массы не абсолютен. Общая масса веществ в процессе химической реакции должна изменяться в результате выделения или поглощения энергии. Однако энергетические эффекты реакций находятся в пределах 10–1000 кДж на единицу количества вещества, и, следовательно, при этом изменение массы составляет величину порядка 10–8 – 10–10 г, которую невозможно измерить весами. Поэтому в химии принято считать, что закон сохранения массы выполняется строго. В противоположность этому в процессе ядерных реакций, сопровождающихся выделением или поглощением значительного количества энергии, происходит резкое изменение массы, которое и определяется по уравнению Эйнштейна. Альберт Эйнштейн (1879-1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики. 60 Состав – совокупность каких-либо элементов, входящих в качест-ве образующих частей в какое-либо химическое соединение. 61 Жозеф Пруст (1754–1826) – французский химик. 62 См. сноску 31, с. 17. 63 Бинарные соединения (от лат. binarus – двойной) – химические соединения, состоящие из атомов двух элементов, например HCl, H2O, Al2O3. 64 Кратный – целое число, делящееся на данное без остатка. 65 Установлен независимо английским физиком и химиком Робертом Бойлем (1627–1691) в 1662 г. и французским физиком Эдмом Мариóттом (1622–1684) в 1676 г. 66 Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Единица давления в СИ – паскаль (Па): 1 Па равен давлению, вызываемому силой в 1 Н (ньютон), равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2; 1 Па = 1 Н/м2. 67 Открыт французским учёным Ж. Шарлем в 1787 г, уточнён Ж. Гей-Люссаком в 1802 г. 68 Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) – французский химик и физик. Закон сформулирован в 1802 г. 69 Идеальный газ – теоретическая модель газообразного состояния, при котором частицы газа (атомы, молекулы) практически не взаимодействуют друг с другом – энергия взаимодействия между частицами пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией их хаотического (теплового) движения. 70 Нормальные условия (н. у.): Р0 = 101 325 Па (760 мм рт. ст., 1 физическая атмосфера) (нормальное давление); Т0 = 273,15 К, или 273 К (0 0С) (нормальная температура). Кельвин (англ. Кеlvin – по имени английского физика У. Кельвина (1824-1907). Единица термодинамической температуры, равна 1 0С. 71 Уравнение установил опытным путём французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клапейрон в 1834 г. В современном виде уравнение получено в 1874 г. великим русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым. 72 1 м3 = 103 л = 106 мл. Метр (фр. mеtrе, от греч. mеtrоn – мера) – основная единица длины в десятичной системе мер. Литр (от греч. litrа – единица веса, равна 327,45 г) – мера ёмкости, равна 1000 см3, а также количество жидкости такого объёма. Миллилитр от лат. mīllе – тысяча и литр. 73 Среднюю молярную массу воздуха легко вычислить, если учесть, что воздух состоит приблизительно из 4 объёмов азота (молярная масса 28 г/моль) и 1 объёма кислорода (молярная масса 32 г/моль). Тогда, 74 Уильям Волластон (1766–1828) – английский химик. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ И ЗАКОНЫ СТЕХИОМЕТРИИ
Учебное пособие
Астрахань 2008 УДК 546 Основные понятия химии и законы стехиометрии: Учеб. пособие / Рябухин Ю.И., Старкова Н.Н., Огородникова Н.П. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 63 с.
Предназначено для студентов химических специальностей.
Библиогр.: 7 назв., приложение 1.
Печатается по решению кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" (протокол № 2 от 21 февраля 2008 г.).
Рецензент: доктор хим. наук, профессор А.Г. Тырков
© Рябухин Ю.И., Старкова Н.Н., Огородникова Н.П., 2008
Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие … Куда не посмотрим, куда ни оглянёмся, везде обращаются перед очами нашими успехи её прилежания. М.В.Ломоносов1 «Слово о пользе химии»
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ2 ХИМИИ Химия и её разделы
Химия3 относится к числу естественных наук, изучающих природу – окружающий нас мир4 во всём богатстве его форм и многообразии происходящих в нём явлений. Мир материален. Материя5 – объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания. Масса – одно из основных физических свойств материи, а энергия – количественная мера движения материи. Масса и энергия всегда присущи определённым материальным объектам как их свойства. Материя вечна во времени и бесконечна в пространстве. Форма существования материи – движение. Материя без движения так же немыслима, как и движение без материи.
… Если бы материя не была бы вечной, давно бы Весь существующий мир совершенно в ничто обратился И из ничтожества снова родилось бы всё, что мы видим, Но, как уже раньше сказал я тебе, ничего не родится Из ничего и обратно не может в ничто обратиться.
Древнегреческий философ Тит Лукреций Кар "О природе вещей".
Окружающий мир разнообразен прежде всего потому, что каждому виду материи присуща не одна, а ряд форм движения, которые могут переходить друг в друга. Например, химическая форма движения материи переходит в тепловую и, наоборот, тепловая – в химическую, химическая – в электрическую и т. д. Эти переходы свидетельствуют о вечности, единстве и непрерывной связи качественно различных форм движения материи, которые являются предметом изучения той или иной научной дисциплины.
Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ, то есть превращение одних веществ в другие, а именно – химические реакции6. Химия – наука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и (или) строения.
В отличие от физики (от греч. phỳsis – природа) – науки об общих законах природы – в химии наблюдается изменение состава вещества при сохранении прежних атомов. Пограничная область наук – ядерная физика и радиохимия. Объектом изучения в химии являются химические элементы и их комбинации, то есть атомы, простые (одноэлементные) и сложные вещества (химические соединения): молекулы, ионы, радикалы7, ион-радикалы8, карбены9, ассоциаты10, кластеры11, сольваты12, клатраты13 и т.п., а также материалы14. Число химических соединений огромно и всё время увеличивается, поскольку химия сама создаёт свой объект; к концу XX века было известно около 10 млн. химических соединений. Химия как наука и отрасль промышленности существует недолго (около 400 лет). Однако химическое знание и химическая практика (как ремесло) прослеживаются в глубинах тысячелетий, а в примитивной форме они появились вместе с человеком разумным в процессе его взаимодействия с окружающей средой. Поэтому строгое определение химии основывается на широком, вневременном универсальном смысле – как области естествознания и человеческой практики, связанной с химическими элементами и их комбинациями. В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам лишь исходное сырьё – воду, воздух, дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, для изготовления промышленных изделий и для домашнего обихода – удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду, спирт, уксус и т. д. Каждый человек постоянно имеет дело с различными веществами, и поэтому должен знать основные их свойства, а эти знания даёт химия.
Разделы химии
Вещество – (основной, наряду с физическим полем15) вид материи, обладающий массой покоя. Вещество состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и того, что из них построено. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы, радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (химические соединения).
Уровни организации вещества Микроскопический уровень: электрон, атом, радикал, ион, молекула. Свойства: масса атома, иона, радикала, молекулы; степень окис-ления; энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность атома.
Макроскопический уровень: вещество, металл, неметалл, минерал, смесь веществ. Свойства: агрегатное состояние, цвет, твёрдость, плотность, температура плавления, температура кипения, молярная масса. Атом16 – часть вещества микроскопических размеров и массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом – предел химического разложения вещества; мононуклидный структурный элемент молекулы, иона, радикала. Атомы состоят из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких частиц – электронов с отрицательным электрическим зарядом, образующих электронную оболочку. Физически атом делим. Например, в ядерных реакциях происходит распад атомов, и атомы одних элементов превращаются в другие. Говоря об атоме какого-либо элемента, подразумевают как электрически нейтральные атомы (число электронов в электронной оболочке равно числу протонов в атомном ядре, например, Н, Сl), так и положительно и отрицательно заряженные ионы – катионы (например, Н+) и анионы (например, Сl–). Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например, молекулы, кристаллы. Всё многообразие химических соединений (твёрдых, жидких, газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии (в газе, плазме17).
Диаметр атома dат ~ 10–10 м (~100 пм)18; диаметр ядра ~10–15 (10–3–10–2 пм). Элементарные частицы в точном значении этого термина –частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы, в узком смысле – частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так называемые мальчайшие частицы материи, подчинённые условию, что они не являются атомами и атомными ядрами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Наряду с составными частями атомов: электронами и нуклонами (протонами и нейтронами) при превращениях атомных ядер и в космическом излучении было открыто более 350 элементарных частиц, большая часть которых являются составными системами. Средний период продолжительности их жизни заключён между 10–23 с и вечностью (стабильные элементарные частицы).
Электронная оболочка атома – область пространства, которую занимают принадлежащие атому электроны. Электроны расположены в оболочке атома в зависимости от своей энергии. Электроны с приблизительно одинаковой энергией находятся на одном и том же энергетическом уровне.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-21; Просмотров: 97; Нарушение авторского права страницы
Э (символ элемента)
Li массовое число А = 7
Н+ + NО2– 
.
,
,
, 
,
,
,
,
,
· 32 = 16; 
· 32 = 8; 
· 32 = 5,33 г/моль, где 2, 4, 6 – валентность атома серы в указанных соединениях.
= 98 г/моль;
= 49 г/моль;
= 32,7 г/моль.
= 136 г/моль;
= 68 г/моль.
= 147 г/моль;
= 49 г/моль,
= 
= 11,2 л/моль; 
= 
= 5,6 л/моль.
= соnst или 
= 
или РV = n RТ ,
= 0,082 
= 62 360 
= 1,987 
).
: 
: 
: 
= 4 : 3 : 2 : 6.
,
= 
= 
, 
МЭ, Fe = 
= 
= 28 г/моль.
= 1,75 г.
= 
= 
;
: 
= 1 : 3
= 0,172; 
= 0,473; 
= 0,355.
= 11,2 л/моль.
: 
Нуклиды одного элемента называются изотопами; нуклиды, претерпевающие радиоактивный распад, – радионуклидами.
(округлённо 29 г/моль).