1 Основні поняття і закони хімії

Речовини складаються з атомів або молекул, певним чином пов’язаних між собою.

Маси атомів та молекул дуже малі, тому для порівняння їх мас зручно користуватися відносними атомними і молекулярними масами, які показують, у скільки разів атом чи молекула є легшими або важчими від стандартної величини. На даний час як стандарт використовують атомну одиницю маси.

Атомна одиниця маси ( а.о.м. ) – це 1/12 частка від маси атома ізотопу Карбону ¹²С.

Атомна одиниця маси менша від звичайної стандартної маси (у грамах) у 6,02∙10²³ разів. Тому справедливе співвідношення:

1 а.о.м. ∙ 6,02∙10²³  = 1 г

Маса атома, виражена в а.о.м., називається відносною атомною масою ( A_r ). Вона є безрозмірною величиною. Атомні маси хімічних елементів зазначені в періодичній системі елементів.

Молекулярна маса ( M_r ) – маса молекули, виражена в атомних одиницях маси. Вона також є безрозмірною величиною. Молекулярні маси сполук дорівнюють сумі мас атомів, що утворюють молекулу.

Наприклад, атомна маса Гідрогену А_r (H) = 1, А_r (Be) = 9, А_r (O) = 16, А_r (Mg) = 24, відповідно, маса молекули водню, що складається з двох атомів Гідрогену M_r (H₂) = 2·1 = 2, аналогічно, M_r (N₂) = 2·14 = 28, M_r (CO₂) = 12 + 2·16 = 44, M_r (H₂SO₄) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98.

Наприклад, відносна атомна маса Магнію становить 24. Це означає, що атом Магнію „важчий“ від атома Гідрогену в 24/1 = 24 рази, від молекули водню в 24/2 = 12 разів, від атома Карбону в 24/12 – вдвічі, від атома Оксигену в 24/16 = 1,5 рази, від атома Сульфуру в 24/32 = 0,75 разів, тобто „легший“ у 32/24 = 1,33 рази.

У хімії користуються фізичною величиною, яка називається кількістю речовини (ν). Одиницею вимірювання кількості речовини є моль.

Експериментально встановлено, що у 12 г ізотопу Карбону ¹²С міститься 6,02·10²³ атомів. Отже, 1 моль будь-якої речовини містить 6,02·10²³ структурних частинок (атомів, молекул, йонів тощо). Це число називають сталою Авогадро ( N_A ).

Маса 1 моля речовини називається мольною (молярною) масою речовини (M). Мольна маса речовини чисельно дорівнює відносній атомній або молекулярній масі; одиниці розмірності - г/моль.

Наприклад, мольна маса атомарного Гідрогену дорівнює 1 г/моль, молекулярного водню 2 г/моль, сульфатної кислоти 98 г/моль.

При розв’язку задач зручно використовувати такі формули:

де m – маса речовини, г;

M – мольна маса, г/моль;

де N – число структурних одиниць;

N_A – стала Авогадро, N_A = 6,02·10²³ моль^–1.

Згідно із законом сталості складу елементи сполучаються один з одним у строго визначених вагових співвідношеннях. Найменші вагові співвідношення називаються хімічними еквівалентами (сполучними масами), що означає – рівноцінна кількість.

Масу одного еквівалента речовини називають еквівалентною масою (мольною масою еквівалента Е), одиниці вимірювання якої – г/моль-екв.

Наприклад, у НВr з одним молем атомів Гідрогену сполучається 1 моль атомів Брому, тому еквівалент Брому в цій сполуці дорівнює одному молю атомів Брому, а його еквівалентна маса дорівнює 80 г/моль-екв.

У Н₂О з одним молем атомів Гідрогену сполучається 1/2 моль атомів Оксигену, тому еквівалент Оксигену у цій сполуці дорівнює 1/2 моль атомів Оксигену, а його еквівалентна маса дорівнює 16/2 = 8 г/моль-екв.

Отже, зрозуміло, що в хімічних реакціях різні індивідуальні речовини беруть участь у строго еквівалентних кількостях. Це твердження є основою закону еквівалентів:

Еквівалентні маси елементів визначають за формулою:

де М – мольна маса елемента;

В – валентність елемента.

Наприклад, Е(Al) = 27/3 = 9 г/моль-екв.

Еквівалентні маси складних речовин визначаються за наступними формулами.

Еквівалентна маса кислоти:

Основність кислоти визначається кількістю катіонів Гідрогену в молекулі кислоти, здатних заміщатися на катіони металу.

Еквівалентна маса основи:

Кислотність основи визначається кількістю гідроксильних груп в молекулі основи, що заміщуються на кислотні залишки.

Еквівалентна маса солі:

де n – число атомів металу;

В – валентність металу.

Для визначення кількості еквівалентів (n_екв) речовини, що має певну масу m, використовують формулу:

Встановлено, що один моль будь-якого газу за однакових умов займає певний об’єм, оскільки згідно із законом Авогадро у однакових об’ємах газів за однакових умов міститься однакова кількість молекул.

За нормальних умов (н.у.):

• тиск 1 атм = 760 мм рт.ст. = 101325 Па,

• температура 0°С = 273 К

об’єм 1 моль будь–якого газу дорівнює 22,4 дм³.

Стала V_m = 22,4 дм³/моль називається молярним об’ємом газу за нормальних умов.

За будь-яких умов молярний об’єм газу – це величина, що дорівнює відношенню об’єму газу за даних умов до кількості речовини цього газу:

де V_m – молярний об’єм газу за даних (будь-яких) умов, дм³/моль;

V – об’єм газу за даних (будь-яких) умов, дм³;

ν – кількість речовини газу, моль.

За стандартних умов (тиск 1 атм. (101325 Па) і температури 298,15 К або 25 °С) молярний об’єм газу дорівнює не 22,4, а 24,4 дм³/моль.

Відношення маси певного об’єму одного газу до маси такого самого об’єму іншого газу (взятого за тих самих умов) називається відносною густиною першого газу за другим .

Якщо об’єми газів, що порівнюють між собою, однакові, то відносна густина визначається за формулою:

де m₁ і m₂ – маси однакових об’ємів газів 1 і 2 за однакових температури і тиску.

Відповідно можна записати, що:

де M₁ і M₂ – мольні маси газів 1 і 2.

де ρ₁ і ρ₂ – густини газу 1 та газу 2.

Отже, густини різних газів, узятих за однакових умов, пропорційні їх молярним масам:

Якщо умови відмінні від нормальних, то для розрахунку параметрів газів використовують рівняння Клапейрона–Менделєєва:

де М – мольна маса газу, г/моль;

m – маса газу, г;

Т – температура, К, Т = t^о + 273;

V – об’єм газу, м³,

р – тиск газу, Па, (1 атм. = 101325 Па, 1 мм рт.ст. = 133,322 Па);

R = 8,31 Дж/К·моль – універсальна газова cтала.

Виходячи із формул речовин можна дати їх кількісну характеристику, зокрема, визначати масову частку кожного хімічного елемента у сполуці.

Масова частка (ω) показує, яку частину становить маса даного елемента від всієї маси речовини:

n – кількість атомів елемента у сполуці;

A_r – атомна маса елемента;

M_r – молекулярна маса.

Приклади розв’язків задач

Приклад 1. Визначте масу трьох моль кальцій гідроксиду Са(OН)₂.

Д а н о: ν (Са(OН)2) = 3 моль	Р о з в’ я з о к: Використовуючи формулу для визначення кількості речовини
В и з н а ч и т и: m (Са(OН)2) – ?
визначаємо масу кальцій гідроксиду: m = ν·M Молярна маса кальцій гідроксиду дорівнює: M(Са(OН)2) = 40 + 2 (16 + 1) = 74 г/моль, тоді m = 3 моль·74 г/моль = 222 г.
В і д п о в і д ь: m (Са(OН)2) = 222 г.

Приклад 2. Скільки моль міститься в 29,25 кг NaCl?

Д а н о: m (NaCl) = 29,25 кг	Р о з в’ я з о к: Кількість речовини визначаємо за формулою:
В и з н а ч и т и: ν (NaCl) – ?
Молярна маса NaCl дорівнює: М(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 г/моль. Тоді кількість моль NaCl:
В і д п о в і д ь: ν (NaCl) = 500 моль.

Приклад 3. Розрахуйте масу одного атома магнію в грамах.

Д а н о: N (Mg) = 1	Р о з в’ я з о к: Молярна маса магнію: М(Mg) = 24 г/моль. Використовуючи формули
В и з н а ч и т и: m0 (Mg) – ?
запишемо: Оскільки N = 1, то маса 1 атома визначається за формулою Звідси
В і д п о в і д ь: m0 (Mg) ≈ 4·10–23 г.

Приклад 4. Визначте еквівалентні маси сульфатної кислоти H₂SO₄, алюміній гідроксиду Al(OH)₃ і алюміній сульфату Al₂(SO₄)₃.

Д а н о: H2SO4 Al(OH)3 Al2(SO4)3	Р о з в’ я з о к: Еквівалентна маса сульфатної кислоти: Молярна маса її дорівнює М (H2SO4) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98 г/моль. Тоді:
В и з н а ч и т и: Е (H2SO4) – ? Е (Al(OH)3) – ? Е (Al2(SO4)3) – ?
E (H2SO4)= 98/2 = 49 г/моль-екв. Еквівалентна маса алюміній гідроксиду: . Молярна маса Al(OH)3 дорівнює: М (Al(OH)3)= 27 + 3(16 + 1) = 78 г/моль. Тоді: E (Al(OH)3)= 78/3 = 26 г/моль-екв. Для обчислення еквівалентної маси алюміній сульфату використовуємо формулу: Молярна маса Al2(SO4)3 дорівнює: М (Al2(SO4)3) =2·27 + 3(32 + 4·16) = 342 г/моль. Тоді: Е (Al2(SO4)3) = 342/2·3 = 57 г/моль-екв.
В і д п о в і д ь: E (H2SO4)= 49 г/моль-екв, E (Al(OH)3) = 26 г/моль-екв, Е (Al2(SO4)3) = 57 г/моль-екв.

Приклад 5. Скільки моль міститься в 0,56 м³ хлору за н.у.?

Д а н о: V (Cl2) = 0,56 м3 н.у.	Р о з в’ я з о к: Кількість речовини визначаємо за формулою .
В и з н а ч и т и: ν (Cl2) – ?
Так як мольний об’єм газу звичайно виражають в дм3/моль, то об’єм переводять в дм3. 0,56 м3 = 560 дм3 Тоді .
В і д п о в і д ь: ν (Cl2) = 25 моль.

Приклад 6. Скільки молекул міститься в 56 м³ кисню за н.у.?

Д а н о: V (О2) = 56 м3 н.у.	Р о з в’ я з о к: Для визначення кількості молекул скористаємося формулами: ;
В и з н а ч и т и: N (О2) – ?
Звідси: Так як мольний об’єм газу звичайно виражають в дм3/моль, то об’єм переводять в дм3. 56 м3 = 56 000 дм3 Тоді
В і д п о в і д ь: N (О2) = 1,5·1027 молекул.

Приклад 7. 800 мл деякого газу мають масу 1200 г, а один літр повітря за таких умов має масу 1,36 г. Визначити мольну масу газу.

Д а н о: V1 = 800 мл = 0,8 л m1 = 1200 мг = 1,2 г Vпов = 1 л mпов = 1,36 г	Р о з в’ я з о к: При розв’язуванні задачі скористаємося формулами: i де ρ2 = ρпов; M2 = Мпов = 29 г/моль Отже, M1 = D1/2·Мпов
В и з н а ч и т и: M1 – ?
; i Тоді ;
В і д п о в і д ь: M1 = 39 г/моль.

Приклад 8. Розрахувати масові частки кожного із елементів у натрій сульфаті.

Д а н о: Na2SO4	Р о з в’ я з о к: Масова частка елементів розраховується за формулою:
В и з н а ч и т и: ω (Na) – ? ω (S) – ? ω (O) – ?
Молекулярна маса натрій сульфату становить: Мr (Na2SO4) = 2·23 + 32 + 4·16 = 142. Тоді
В і д п о в і д ь: ω (Na) = 32,4 %; ω (S) = 22,5 %; ω (O) = 45,1 %.

Приклад 9. Визначте молярну масу газу, якщо 0,2 кг його за температури 67 ^оС і тиску 4 атм. займають об’єм 30,32 л.

Д а н о: V = 30,32 л = 30,32·10–3 м3 m = 0,2 кг = 0,2·103 г Т = 67 оС + 273 = 340 К р = 4 атм.·101325 = 405300 Па	Р о з в’ я з о к: При розв’язуванні задачі скористаємося формулою: Звідси
В и з н а ч и т и: M – ?
Тоді
В і д п о в і д ь: M = 46 г/моль.