ХИМИЯ – это наука, изучающая строение веществ и их

ХИМИЯ – это наука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся
изменением состава и (или) строения. Химия – это система знания о веществах и их
превращениях. Таким образом, объектом изучения является вещество. Вещество – это вид
материи, которая обладает массой покоя. Вещество построено из молекул, атомов или ионов.
Атом – наименьшая химически неделимая частица. Атом состоит из положительно
заряженного ядра, в состав которого входят элементарные частицы – протоны и нейтроны,
окруженного “облаком” отрицательно заряженных электронов. Тип атомов с одинаковым
зарядом ядра, т.е. одинаковым числом протонов, называют элементом. Например, Fe –
железо, Cu – медь, N – азот, Cl – хлор. Символами элемента обычно являются 1 или 2
начальные буквы латинского названия. Молекула – это микрочастица, построенная из
атомов и способная к самостоятельному существованию. Состав молекул записывают в виде
формул, например, Cl2, O3, H2O, CH3COOH, H2SO4. В химических формулах молекул
указывают тип атомов, а подстрочный индекс у каждого атома указывает количество атомов в
одной молекуле.
Молекула является стабильной наименьшей частицей вещества,
обладающей его химическими свойствами. Молекулы и атомы электронейтральны; если в
результате какого-либо процесса у них появляется отрицательный или положительный заряд,
то такие частицы с зарядом называют ионами. Если вещество образовано атомами одного
элемента, то такое вещество называют простым. Если вещество образовано атомами двух и
более элементов, то его называют сложным.
В результате химических реакций происходит взаимодействие между различными типами
атомов, при этом происходит разрыв одних связей и образование других. При прохождении
реакции не происходит изменения числа атомов, а только их перегруппировка. Закон
сохранения массы, сформулированный М.В.Ломоносовым, гласит: масса веществ,
вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате
реакции. В результате реакции происходит образование новых связей между атомами в
соответствии с их строением. Закон постоянства состава, сформулированный
Ж.Прустом, гласит: независимо от способа получения химического соединения его состав
остается постоянным. Однако следует отметить, что этот закон справедлив для
молекулярных веществ. Например, при горении водорода в кислороде образуется молекула
воды H2O, при термическом разложении гидроксида меди(II) Cu(OH)2 также образуется
молекула воды H2O и оксид меди(II) СuO. При этом состав молекулы воды постоянен. Для
веществ, построенных из ионов, например Fe3O4, FeO, нельзя выделить молекулу, и вводится
понятие “формульная единица”, показывающая соотношение атомов в веществе. Для таких
веществ не вполне корректно использовать закон постоянства состава, т.к. образующиеся
соединения могут иметь переменный состав: FeO1+x, где 0,05<х<0,2. Чтобы проводить
расчеты, позволяющие количественно охарактеризовать протекающие химические процессы,
необходимо ввести характеристики для атомов и молекул. В первую очередь, это массы.
1.
Абсолютная масса атома или молекулы: mаб(A) – абсолютная масса атома А,
mаб(AxBy) – абсолютная масса молекулы AxBy, единица измерения – грамм (г). Так как
атомы и молекулы - очень малые частицы, поэтому численные значения для атомов
будут приблизительно порядка 10-23÷10-22 г. Например, абсолютная масса атома хлора
составляет 5,8910-23 г. При проведении расчетов очень неудобно использовать такие
численные значения, поэтому перешли от абсолютных к относительным массам.
2.
Атомная единица массы: в настоящее время в качестве атомной единицы массы
выбрано значение 1/12 части массы атома изотопа углерода
12
С. Изотопы – атомы с
одинаковым зарядом ядра, т.е. одинаковым числом протонов и электронов, но с разной
массой, т.е. различающиеся числом нейтронов. В состав ядра атома изотопа 12С входят 6
протонов и 6 нейтронов. Единица измерения атомной единицы массы – грамм.
1 а.е.м. = u = 1/12·mаб(12C) = 1,66057·10-24 г,
3.
Относительная атомная масса элемента: это безразмерная величина, равная
отношению средней абсолютной массы атома (учитывая изотопное распределение)
элемента к атомной единице массы, т.е. к 1/12 массы атома изотопа
С. Обозначение
12
относительной атомной массы – Ar. Например, серебро находится в природе в виде двух
изотопов – 107Ag (52% по массе) и 109Ag (48% по массе).
Ar(Ag) =
0,52  m аб (107 Ag )  0,48  m аб (109 Ag )
 107,868
u
Значения средних (с учетом изотопного распределения) относительных атомных масс
элементов приведены в Периодической таблице Д.И.Менделеева.
4.
Относительная молекулярная масса: это безразмерная величина, равная
отношению средней абсолютной массы молекулы к атомной единице массы.
Обозначение относительной молекулярной массы – Mr. Например,
Mr(H3PO4) =
m аб (H 3 PO 4 ) 3m аб (H)  m аб (P)  4m аб (O)
=
= 3Ar(H) + Ar(P) + 4Ar(O) = 98
u
u
Использование атомной единицы массы позволило перейти от абсолютных масс
атомов и молекул, которые очень малы и поэтому неудобны для расчетов, к
относительным атомным и молекулярным массам, значительно более удобным для
работы.
5.
Число частиц (атомов, молекул, ионов, протонов, ассоциатов и проч.): это
безразмерная величина, ее обозначают как N. Например, при описании процесса мы
можем сказать, что в данной реакции приняли участие 3,01·1023 молекул кислорода. Как
видите, N принимает очень большие значения, а это также очень неудобно для
проведения расчетов.
6.
Число Авогадро (постоянная Авогадро): это число частиц (атомов, молекул,
ионов) в 1 моле вещества. Обозначается как NA:
NA = (6,022045 ± 0,000031)·1023  6,02·1023 моль-1
7.
Количество вещества: это понятие, обозначающее количество структурных единиц
(атомов, молекул, ионов, протонов и проч.), образующих вещество. Единица измерения
– моль. В 1 моле вещества содержится 6,02·1023 структурных единиц. Обозначается как
n. Например, в 1 моле алюминия Al содержится 6,02·1023 атомов алюминия. В 1 моле
водорода Н2 содержится 6,02·1023 молекул водорода.
количество атомов А: n(A) =
количество молекул АxBy: n(AxBy) =
N(A)
моль;
NA
N(A x B y )
NA
моль.
8.
Масса вещества: обозначается как m(A) или m(AxBy), единица измерения – г.
9.
Молярная масса: это масса порции вещества, в которой содержится 1 моль молекул
(молярная масса молекул), 1 моль атомов (молярная масса атомов), 1 моль ионов
(молярная масса ионов). Обозначается как M, единица измерения г/моль.
Молярная масса атомов А: M(A) =
m( A )
г/моль
n ( A)
Молярная масса молекул AxBy: M(AxBy) =
m( A x B y )
n (A x B y )
г/моль.
Молярная масса численно совпадает с относительными атомной и молекулярной
массами:
M(A) =
M(AxBy)=
m(A x B y )
n (A x B y )
m(A) m аб (A)  N(A)

 m аб (A)  N A  A r (A)  u  N A = Ar(A)
n (A)
n (A)

m аб (A x B y )  N(A x B y )
n (A x B y )
 m аб (A x B y )  N A  M r (A x B y )  u  N A =Mr(AxBy)
Следует помнить, что молярная масса имеет размерность г/моль, а относительные
атомные и молекулярные массы – это безразмерные величины.
Газовые законы
Вещества могут быть в различных агрегатных состояниях, в том числе и газообразном.
Поэтому необходимо вспомнить газовые законы для решения некоторых задач. Газовые
законы связывают между собой давление р, объем V и температуру Т (по шкале Кельвина).
10.
Закон Бойля-Мариотта: для изотермического процесса, Т=const
p1V1 = p2V2
11.
Закон Гей-Люссака: для изобарного процесса, p = const
V1 V2

T1 T2
12.
Закон Шарля: для изохорного процесса, V = const
p1 p 2

T1 T2
13.
Объединенный газовый закон:
p1V1 p 2 V2

T1
T2
14.
Закон Авогадро: В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (p и
T) содержится одинаковое число молекул. Из закона Авогадро вытекает следующие
следствия:

Одинаковое число молекул различных газов в одинаковых условиях
занимают равные объемы.

1 моль различных газов занимают одинаковый объем – VM (молярный
объем), т.к. в 1 моле любого вещества содержится одинаковое число
молекул (6,02·1023).

При нормальных условиях (t = 0C или T = 273 K, p = 1 атм, или 101,3 кПа,
или 760 мм рт. ст.) один моль любого газа занимает объем 22,4 литра, т.е.
молярный объем при нормальных условиях VM (н.у.) равен 22,4 л. Таким
образом, количество молекул AxBy в порции газа, занимающего объем
V(AxBy) при н.у. равно отношению:
n(AxBy) =

V(A x B y )
VM
Относительная плотность одного газа по сравнению с другим газом:
D(газ 1/ газ 2) =
т.к.  
m
m
Mn
M



, при одинаковых условиях (p и T):
V VM  n VM  n VM
D(газ 1/ газ 2) =
15.
1
,
2
1 M1  VM M1
.


 2 M 2  VM M 2
Уравнение Клапейрона-Менделеева или уравнение состояния идеального
газа:
pV = nRT
Следует отметить, что если использовать значение универсальной газовой постоянной
R = 8,314 Дж/(моль·К), то давление p должно быть выражено в Па, объем V – в м3,
температура T – по шкале Кельвина, количество вещества n – в молях.
Для решения задач в которых говорится о газах, часто приходится использовать
газовые законы
На практике очень часто экспериментально приходится сталкиваться не с чистыми
веществами, а со смесями, растворами, т.е. системами, которые состоят из нескольких
веществ (компонентов). Для характеристики содержания компонентов в сложной
системе используют следующие характеристики:
16.
Массовая доля: это доля от общей массы системы, приходящаяся на один компонент.
Выражается в долях единицы или в процентах, обозначается как .
Например, массовая доля атомов типа А в молекуле АхBy:
(A) =
x  n ( A x B y )  M( A)
m(A)
n ( A)  M( A )
x  M( A )
(·100%)



m(A x B y ) n (A x B y )  M(A x B y ) n (A x B y )  M(A x B y ) M(A x B y )
Массовая доля вещества AxBy в растворе:
(AxBy) =
m( A x B y )
m раствора
(·100%)
Сумма массовых долей всех компонентов системы равна 1 или 100%. Массовая доля
компонента больше 0 и меньше 1 (100%): 0    1 или 0%    100% .
17.
Мольная доля: это доля от суммарного количества молекул (атомов), приходящаяся
на молекулы (атомы) одного компонента. Выражается в долях единицы или в процентах,
обозначается как x. Например, мольная доля атомов типа А в молекуле АxBy:
x(A) =
x  n (A x B y )
n ( A)
x
(·100%)


n (A)  n (B) x  n (A x B y )  y  n (A x B y ) x  y
Сумма мольных долей всех компонентов системы равна 1 или 100%. Мольная доля
компонента больше 0 и меньше 1 (100%): 0    1 или 0%    100% .
18.
Объемная доля: это доля от суммарного объема, приходящаяся на один компонент.
Выражается в долях единицы или процентах, обозначается как .
(AxBy) =
V( A x B y )
V(системы)
Сумма объемных долей всех компонентов системы равна 1 или 100%. Объемная доля
компонента больше 0 и меньше 1 (100%): 0    1 или 0%    100% .
Для газовых систем объемные доли компонентов равны их мольным долям:
(AxBy) =
V( A x B y )
V(системы)
=
n (A x B y )  VM
n  VM

n (A x B y )
n
 x(AxBy)