Глава 1. Основные понятия химии

1.1. Атом, молекула. Элемент, простое вещество, соединение

Основная идея химии – все вещества состоят из атомов. Атом – простейшая частица вещества, не делимая химическими методами. Атом состоит из ядра и электронов. Основная химическая характеристика атома – заряд его ядра. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, называют химическим элементом. Атом сохраняет все химические свойства элемента. Известные к настоящему времени химические элементы сведены в периодическую систему элементов Д.И. Менделеева (ПСЭМ). Каждый элемент обозначается латинским символом и имеет русское и латинское название. В табл. 1.1 приведены русские названия, символы и их произношение при чтении химических формул ряда наиболее часто встречающихся элементов.

Таблица 1.1. Названия некоторых элементов, их символы и произношение символов в формулах

Элемент			Элемент
Русское название	Сим- вол	Произношение в формулах	Русское название	Сим- вол	Произноше- ние в фор-мулах
Водород	Н	аш	Хлор	Cl	Хлор
Углерод	С	цэ	Калий	K	Калий
Азот	N	эн	Кальций	Ca	Кальций
Кислород	O	о	Хром	Cr	Хром
Фтор	F	фтор	Марганец	Mn	Марганец
Натрий	Na	натрий	Железо	Fe	Феррум
Магний	Mg	магний	Медь	Cu	Купрум
Алюмний	Al	алюминий	Цинк	Zn	Цинк
Кремний	Si	силициум	Бром	Br	Бром
Фосфор	P	пэ	Серебро	Ag	Аргентум
Сера	S	эс	Свинец	Pb	Плюмбум

Атомы могут соединяться между собой, образуя молекулы. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Вещества делятся на простые и сложные соединения. Простые вещества состоят из атомов одного элемента, а сложные соединения – из атомов различных элементов. Элемент может образовывать несколько простых веществ, например: элемент кислород образует простые вещества – кислород, состоящий из молекул О₂ (читается – о два), и озон, состоящий из молекул О₃ (читается – о три). Сложное соединение содержит как минимум атомы двух разных элементов, например: углекислый газ, или оксид углерода (IV), состоит из молекул СО₂ (читается – цэ о два), образованных одним атомом углерода и двумя атомами кислорода.

1.2. Моль. Молярная масса. Закон Авогадро

В качестве единицы количества вещества в химии используют моль. Моль – количество вещества, содержащее столько структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. Это число точно определено, составляет 6,02^.10²³ моль^-1 и носит название постоянная Авогадро. Обозначается количество вещества символом n_B; например, n_CaO= 2 моль, т.е. количество вещества оксида кальция равно 2 моль, т.е. содержит 2• 6,02^.10²³=12,04^.10²³ формульных единиц СаО.

Массу одного моля вещества В называют молярной массой (обозначение М_В). Единицами измерения молярной массы являются г/моль и кг/моль.

Вещество может быть также охарактеризовано относительной молекулярной массой, равной массе молекулы или иной структурной единицы вещества, отнесенной к 1/12 массы одного атома изотопа углерода ¹²С (обозначение M_r(B)). Относительная молекулярная масса является величиной безразмерной. Относительные молекулярные массы элементов, называемые обычно относительными атомными массами (А_r(B)), приведены в ПСЭМ. Относительные атомные массы наиболее употребительных элементов необходимо запомнить (табл. 1.2).

Молярная масса вещества В (символ M_B , единица – кг/моль) – это масса вещества В (m_B), деленная на количество вещества n_B, или это масса 1 моль вещества (6,02^.10²³ формульных единиц вещества (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.)). Молярная масса вещества (М_В) численно равна относительной молекулярной массе, например: относительная молекулярная масса натрия M_r(Na)=22,98977, а молярная масса натрия равна М_Na=22,98977 г/моль. Относительные атомные массы элементов используют для вычисления молярных масс соединений.

Таблица 1.2. Округленные значения относительных атомных масс некоторых элементов

Элемент			Элемент
Русское название	Сим- вол	Относительная атомная масса	Русское название	Сим- вол	Относительная атомная масса
Водород	Н	1	Фосфор	P	31
Углерод	С	12	Сера	S	32
Азот	N	14	Хлор	Cl	35,5
Кислород	O	16	Калий	K	39
Натрий	Na	23	Кальций	Ca	40
Магний	Mg	24	Железо	Fe	56
Алюмний	Al	27	Медь	Cu	64
Кремний	Si	28	Цинк	Zn	65

Пример 1.1. Найти молярную массу серной кислоты (H₂SO₄).

Решение. Молярная масса серной кислоты численно равна сумме двух относительных атомных масс водорода, одной относительной атомной массы серы и четырех относительных атомных масс кислорода и измеряется в граммах на моль (г/моль):

Количество вещества равно отношению массы вещества, выраженной в граммах или килограммах, к молярной массе вещества:

(1.1)

Пример 1.2. Найти количество вещества серной кислоты, если масса серной кислоты составляет 500 г.

Решение.

Согласно закону Авогадро в равных объемах любых газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. Из закона Авогадро следует, что при температуре 273,15 К (0 ^оС) и давлении 101325 Па (нормальные условия, н.у.) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 дм³ (л). Эта величина носит название молярный объем (V_B). Объем газа, находящегося при произвольных условиях, может быть приведен к нормальным условиям с использованием формулы Менделеева–Клапейрона

(1.2)

где р – давление газа; V – объем газа; m_B – масса газа; М_В – молярная масса газа; Т – температура в градусах термодинамической шкалы Кельвина (К); R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль•К), или (л•кПа)/(моль•К) в СИ, или 0,08206 (л•атм)/(моль•К), если давление выражено в атмосферах, или 62,36 (л•мм рт. ст.)/(моль•К), если давление выражено в мм ртутного столба.

При решении задач возможно использование округлённых значений температуры 273 К и давления 10⁵ Па, соответствующих нормальным условиям, а также значения универсальной газовой постоянной 8,3 Дж/(моль•К),

Пример 1.3. Найти количество вещества углекислого газа, если его объем при нормальных условиях составляет 5 дм³.

Решение. Составим пропорцию: