Основные понятия и законы химии

В этой статье рассмотрены основные понятия химии, без понимания которых невозможно сформировать свое представление об устройстве материи, о превращениях веществ и в целом о химической науке. Химия – это наука, без которой сложно представить жизнь современного человека. Ведь человек сам является сложной биохимической системой. Поэтому вся жизнь на нашей планете живая и не живая неразрывно связана с химией. Трудно переоценить ее вклад в нашу жизнь, необходимость понимания и знания основных понятий и законов химии. Итак, Определение науки:

Химия — это наука о веществах, их свойствах и закономерностях превращений веществ, а также их значении и применении

Основные понятия химии

Основными в химии являются такие понятия как: вещество, свойства вещества, химические явления, атом, молекула, химический элемент, аллотропия и другие.

У истока основных понятий химии стоит атомно-молекулярное учение, основные положения которого были приняты в 1860 г. на Международном съезде химиков. Согласно этого учения, молекула и атом имеют следующие определения.

Молекула

Молекулой называется мельчайшая частица вещества, обладающая определенной массой и всеми химическими свойствами этого вещества. Все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов

Атом

Это наименьшая частица и носитель свойств химического элемента, входящая в состав молекул как простых, так и сложных веществ. Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательной электронной оболочки вокруг ядра. Атом — химически неделимая частица.

Материя невозможна без движения, поэтому молекулы и атомы, как основа материи, находятся в постоянном движении.

Химический элемент

Это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и строением электронной оболочки. В настоящее время известно 118 элементов, 89 из которых найдены в природе, остальные получены искусственно. Химический элемент имеет много характеристик. http://Характеристики химического элемента

Атомное ядро

Атомное ядро состоит из протонов (Z) и нейтронов (N), имеет положительный заряд, равный по величине количеству протонов и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице. Суммарная масса протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N. Существуют химические элементы (изотопы), имеющие одинаковый заряд ядер, но различающиеся массовыми числами, что обусловлено за счет разного числа нейтронов в ядре.

Например, изотопы водорода имеют одинаковый заряд ядра равный Z= 1, а массовые числа разные. Изотопы водорода имеют специальные названия.

Вещество

Это то, из чего состоят все тела. Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента (О₃, Fe, N₂), а сложные вещества (химические соединения) состоят из атомов разных химических элементов (NaCl, CaCO₃ ), связывающихся друг с другом при химическом взаимодействии.

Свойства веществ

Это признаки, по которым вещества отличаются друг от друга. Примеры: сахар сладкий, соль соленая, мел белый т.п.

Аллотропия

Это явление, при котором один химический элемент может образовывать нескольких простых веществ, различных по составу(O₂ и O₃ ) или строению (алмаз, графит) .Это явление называется Аллотропией. Аллотропные модификации характерны для некоторых неметаллов, например, для кислорода (кислород и озон), фосфора (белый, красный, черный фосфор), углерода (природные: алмаз, графит и искусственные: карбин, фуллерены и др.), серы (моноклинная, ромбическая, пластическая), олова (белое, серое, ромбическое олово).

Химические явления — явления, при которых происходит образование новых веществ, отличающихся по составу от исходных

Примеры: горение водорода: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Разложение известняка: СаСО₃ ⇒ СаО + СО₂

Химическая формула

Это запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Использовать запись состава вещества с помощью химической формулы предложил Я.Й.Берцелиус в 1814 г.

Открыть

Химические вещества взаимодействуют друг с другом в определенных массовых соотношениях. Поэтому очень важны такие понятия как атомная масса и молекулярная масса. Но так как атомы и молекулы — это объекты микромира, то их массы могут быть только расчетными величинами, то есть относительными. За единицу атомной массы в химии и физике с 1961 г. принята атомная единица массы (а.е.м.), которая равна 1/12 массы атома изотопа углерода 12С; обозначается ma . Её следует отличать от безразмерной величины — относительной атомной массы Аr. Например, относительная атомная масса элемента серы Аr(S) = 32, а масса атома серы ma = 32 · 1 а.е.м.= 32 а.е.м.

Относительная атомная масса (A_r)

Это отношение средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к ¹/₁₂ массы атома ¹²C.

Относительная молекулярная масса (M_r)

Это величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше ¹/₁₂массы атома углерода ¹²C. Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, составляющих химическое соединение, с учетом индексов.

Моль вещества (ν (ню) или n)

Это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится их в 12 г изотопа углерода ¹²C.

Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества равно 6,02 • 10²³. Это число называется числом Авогадро (N_A); N_A= 6,02 • 10²³⌈моль^-1⌉

Количество молей можно рассчитать тремя способами:

1) через массы: n = m/M 2) через объемы: n = V/Vm 3) через число частиц: n = N/N_A

Молярная масса (M) показывает массу 1 моля вещества и равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

M = m / n; (г/моль). Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе М = Мr

Химический эквивалент

Для более удобного сравнения способности различных элементов к соединению введено понятие химического эквивалента. Это одно из важнейших понятий химии. Определение:

Химическим эквивалентом вещества (Э) называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Масса 1 эквивалента вещества называется эквивалентной массой (m_экв). Масса одного моля эквивалента элемента — это молярная масса эквивалента M_Экв(X).

Молярную массу эквивалента химического элемента, простых и сложных веществ (M_экв(X)) рассчитывают по формуле:

М_экв(х) = M_(X) / валентность

где M₍_X₎ – молярная масса; валентность – суммарная валентность.

Например, молярная масса эквивалента кальция составляет M_экв(Са)= 40/2 = 20 г/моль.

Молярные массы эквивалента кислорода и водорода постоянны и составляют:

M_экв(О)= 16/2=8г/моль,

М_Э(Н)= 1/1 = 1 г/моль.

Эквивалентную массу соединения можно определить по его химической формуле, например,

М _экв(оксида) = М(оксида)/(число атомов кислорода ∙ 2);
М _экв(основания) = М(основания)/число гидроксильных групп;
М _экв(кислоты) = М(кислоты)/число протонов;
М _экв(соли) = М(соли)/(число атомов металла ∙ валентность металла).

Пример, определим эквивалент (Э) и эквивалентную массу М_{экв (Х)}азота, серы и хлора в соединениях NHз, Н₂S и HCl.

В NHз 1 моль атомов водорода соединяется с 1/3 моль азота, поэтому эквивалент азота равен Э(N) = 1/3 моль

В Н₂S 1 моль атомов водорода соединяется с 1/2 моль серы, поэтому эквивалент серы равен Э(S) = 1/2 моль

В HCl 1 моль атомов водорода соединяется с 1 моль хлора, поэтому эквивалент хлора равен Э(Cl) = 1 моль.

Найдем эквивалентные массы:

М_{экв (N)}= 14/3 = 4,67 г/моль;

М_{экв (S)}= 32/2 = 16 г/моль;

М_{экв (Cl)}= 35,45/1 = 35,45 г/моль.

Аналогично можно дать определение понятию эквивалентный объем.

Эквивалентный объем – это такой объем, который при данных условиях занимает 1 эквивалент вещества. Так как эквивалент водорода равен 1 моль, а в 22,4 л Н₂ содержатся 2 эквивалента водорода; тогда эквивалентный объем водорода равен 22,4/2=11,2 л/моль, для О₂ эквивалентный объем равен 5,6 л/моль.

Определить эквивалент вещества можно также по его соединению с другим веществом, эквивалент которого известен.

Определить молярную массу эквивалента (эквивалентную массу) можно исходя из закона эквивалентов, который рассмотрен ниже.

Основные законы химии

Закон эквивалентов

Химические элементы соединяются между собой или замещают друг друга в количествах, пропорциональных их молярным массам эквивалентов: m₁/m₂=М_экв1/ М_экв2

где m₁ и m₂ — массы реагирующих или образующихся веществ, М_экв1 и М_экв2 — эквивалентные массы этих веществ.

Закон сохранения массы веществ

Основываясь на количественном методе изучения химических реакций, М.В.Ломоносов в 1748 году открыл закон сохранения массы веществ. Этот закон формулируется так:

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

При химических реакциях изменяются вещества, т.е. одни молекулы превращаются в другие, но число атомов и их общая масса не изменяются. Закон является основой при составлении химических реакций и количественных расчетов в химии.

Закон постоянства состава

На основании экспериментов в 1799 году Ж.Прустом был сформулирован закон постоянства состава:

Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Этот закон позволяет проводить различные вычисления, зная формулу вещества и атомные массы.

Закон кратных отношений

В 1803 г Д. Дальтон открыл закон, заключающийся в том, что

Если два химических элемента образуют несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон объемных отношений

В 1808 г Гей-Люссак сформулировал закон, который гласил:

«Объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, являющихся продуктами реакции, соотносятся между собой как небольшие целые числа».

Газовые законы

Важную роль в развитии химической науки сыграли газовые законы (справедливы только для газов).

В 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро сформулировал закон и следствие из него.

Закон Авогадро

В равных объемах разных газов при одних и тех же условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Следствие из закона: в одинаковых условиях (при T=273°К и Р=101,3 кПа) одно и то же число молекул занимает равные объемы, а 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л, который называется молярным объемом газа (V_m).

Независимо друг от друг трое ученых вывели следующие законы:

закон Гей-Люссака при P = const: V₁ / T₁ = V₂ / T₂;

закон Бойля-Мариотта при Т= const: P₁V₁= P₂V₂;

закон Шарля при V = const: P₁ / T₁ = P₂ / T₂

При объединении этих трех законов получаем:

P₁V₁ / T₁ = P₂V₂ / T₂

Если условия отличаются от нормальных, то применяют уравнение Менделеева – Клапейрона:

pV = nRT = (m/M)RT где:

p — давление газа, V — его объем, n — количество молей газа, R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль*К). Т — температура по Кельвину

Количество газа при нормальных условиях рассчитывают по формуле:

n = V/V_m = V/22,4

Плотность газов при заданных давлении и температуре прямо пропорциональна их молярной массе:

ρ = m/V = pM/(RT) = (p/RT)M

Относительная плотность газов показывает, во сколько раз один газ тяжелее другого.

Плотность газа В по газу А определяется следующим образом:

D_A(B) = ρ(В)/ρ(А) = М(В)/М(А)

Решение задач

Задача 1. Какой объем (н.у.) занимает 6∙10^-3 кг углекислого газа?

Показать решение

Решение: 1.Найдем молярную массу СО_2. М = 12+ 16*2 = 44 кг/моль . 2. Количество моль СО₂найдем по формуле: n = m/М = 6∙10-3 / 44 = 0,14 моль. 3.Объем можно найти по формуле: V(СО₂) =n* Vm = 0,14 * 22.4 = 3,14∙10-3 м3. Ответ: V(СО₂) = 3,14∙10-3 м3

Задача 2. Определить массу 0,8∙10^-3 м³ кислорода при 20 °С и давлении 95000 Па, если масса 10^-3 м³ кислорода равна 1,5∙10^-3 кг при н. у.

Показать решение

Решение: 1) Найдем температуру в Кельвинах Т=273+20=293 К; 2) Найдем объем газа, приведенный к н.у. по формуле: P1V1 / T1 = P2V2 / T2; Выразим из формулы искомый объем: V₁= T₁P₂V₂/ T₂P₁=(273∙95000∙0.8∙10^-3)/(293∙101325) = 0.7∙10^-3 м3; 3) Рассчитаем массу вычисленного объема: 10^-3 м3 кислорода имеют массу равную 1,5∙10^-3 кг , а 0,7∙10^-3 м3 кислорода имеют массу равную х. Находим х: х = 0,7∙10-3 • 1,5∙10-3/10-3 =1,05∙10-3 кг. Ответ: 0,8∙10^-3 м3 кислорода имеют массу равную 1,05∙10^-3 кг.

Задача 3. Определить массу молекулы газа, если масса 10^-2 м³ газа, при н.у., равна 0,45 •10^-3 кг.

Показать решение

Решение: Число молекул 1 кмоль любого вещества равна числу Авогадро (6,02*1025 ), поэтому сначала определим массу 1 кмоль газа: 10^-2 м3 газа имеют массу равную 0,45 •10^-3 кг ; 22,4 м3 газа имеют массу равную — х; х = 22,4∙0,45 •10^-3/10^-2 = 10,1 кг. Далее определяем массу молекулы газа:m=10,1/6,02∙1025 = 1,68∙10^-25 кг. Ответ: m=1,68∙10^-25 кг

Задача 4. Рассчитайте молярную массу эквивалента металла, если при соединении 9,5 г. металла с хлором было получено 30,4 г. соли. Молярная масса эквивалента хлора равна 35,45 г/моль

Показать решение

Решение: Согласно закону эквивалента отношение массы металла и соли должно быть равно отношению их молярных масс эквивалентов. Обозначим молярную массу эквивалента металла через х, тогда: 9,5/30,4 = х/(х+35,45). Решая уравнение, находим: х =16,11 г/моль. Ответ: молярная масса эквивалента металла Мэкв=16,11 г/моль.

Задача 5. Определение молярной массы эквивалента сложных веществ в реакциях обмена. Определите молярные массы эквивалентов H₂SO₄ в следующих реакциях: 1) H₂SO₄+ 2NaOH ⇒ Na₂SO₄+ 2H₂O 2) H₂SO₄+ NaOH ⇒ NaHSO₄+ H₂O

Показать решение

Решение: Значение эквивалента вещества зависит от того, в какой именно реакции оно участвует. В реакции 1). 1 моль H2SO4 взаимодействует с 2 моль NaOH, а эквивалент H₂SO₄ с 2 эквивалентами NaOH. Молярная масса эквивалента NaOH равна его молярной массе, следовательно, молярная масса эквивалента H₂SO₄ равна половине ее молярной массы: Мэкв= 98/2=49 г/моль В реакции 2).1 моль H2SO4 взаимодействует с 1 моль NaOH, а эквивалент H2SO4 с 1 эквивалентами NaOH. Молярная масса эквивалента NaOH равна его молярной массе, следовательно, молярная масса эквивалента H2SO4 равна ее молярной массе. Мэкв = 98 г/моль.

Задача 6. Рассчитайте молярную массу эквивалента кислоты, если на нейтрализацию 12 г. ее израсходовано 10 г. гидроксида калия.

Показать решение

Решение: 1)Рассчитаем молярную массу гидроксида калия: М(KOH) = 39+16+1 = 56 г/моль. 2) Молярная масса эквивалента гидроксида калия равна его молярной массе Мэкв= 56 г/моль. 3) Вещества взаимодействуют между собой в массах, пропорциональных их молярным массам эквивалента, т.е.:4) Обозначим молярную массу эквивалента кислоты – х, тогда: 12/10 = х/56; х=67,2 г/моль. Ответ: молярная масса эквивалента кислоты Мэкв= 67,2 г/моль.

Задача 7. Найдите молекулярную формулу соли калия, если относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 36, а массовые доли элементов (%) в веществе составляют: калия – 54,2, водорода – 1,4, серы – 44,4.

Показать решение

Решение: Формулу искомого соединения можно представить как КxHySz. 1) По периодической таблице определим относительные атомные массы элементов : Аr(K)=39; Ar(S)= 32; Ar(H)=1. 2) Найдем соотношение между числами атомов K : H : S, разделив массовые доли элементов на их атомные массы: x:y:z = 54,2/39 : 1,4/1 : 44,4/32 = 1,39 : 1,4 :1,39 3) Разделим все полученные соотношения на наименьшее, получаем: x:y:z =1:1:1. Простейшая формула вещества KSH. Его молекулярная масса равна Mr(KSH) =39+32+1=72 4) Найдем молекулярную массу вещества по плотности паров этого вещества по водороду: Mr = 2DH2= 2∙36 =72. Следовательно, истинная формула вещества совпадает с простейшей. Ответ: формула соли калия: KHS (сульфид калия)

Задача 8. Рассчитайте молярную массу газа, если 5∙10^-3кг. его при 18°С и 0,335∙10⁵Па занимают объем 19,53∙10^-3 м³

Показать решение

Дано: V2 = 19,53∙10-3 м3 ; t2 =18°С ; P = 0,335*105 Па ; m = 5 *10-3 кг; R = 8.31*103 Дж/моль*К. Найти: М(газа) Решение: 1) Вычислить молярную массу газа можно, используя уравнение Клапейрона – Менделеева:РV = nRT = (m/M)RT (n= m/M). 2) Найдем температуру по шкале Кельвина: Т=273+18=291 К. 3) из формулы выразим молярную массу: М=mRT/PV , подставим: М=5 •10-3 • 8.31•103 • 291/ (0,335•105 • 19,53 •10-3 = 18,48 г/моль. Ответ: М(газа) = 18,48 г/моль