Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

системе элементов, например: -

В дальнейшем при решении задач можно пользоваться округленными значениями Ат(см. Приложение 1), например:

Относительные атомные массы элементов, как и другие физические характеристики, запоминать не следует.

Если для некоторой молекулы известен ее качественный и количественный состав (т. е. ее химическая формула), то

;легко можно вычислить относительную молекулярную массу МТвеТщества, например:

Атомы и молекулы—частицы чрезвычайно малые, по­ этому порции веществ, которые берутся для химических реакций, характеризуются другими физическими величина­ ми, отвечающими большому числу частиц.

Установлено, что 12 г углерода содержат 6,02* 1023 ато­ мов С (Аг = 12), 28 г азота N2 содержат то же число молекул. N2(Мг = 28), 18 г Н20 - т о же число молекул Н20 (Мг = 18)

ит.д. Количество вещества В (углерод С, азот N2, вода

Н20), содержащее 6,02 Л023 частиц и обозначаемое лв; составляет 1 моль:

Порция вещества, например воды, массой 36 г будет содержать удвоенное число молекул, т.е. 2 (6,02*1023), мас­ сой 45 г -2,5 (6,02*1023) молекул, массой 1,8 г-0,1 (6,02-1023) молекул. Другими словами, количество воды равно в этих порциях 2 моль, 2,5 моль и 0,1 моль.

Таким образом, количество вещества-это физическая величина, прямо пропорциональная числу частиц, составляю­ щих данное вещество и входящих во взятую порцию этого вещества.

Если вещество построено из атомов (чаще говорят-из о д н о а т о м н ы х молекул, например, углерод С), то счет

10

ведут на атомы, а если увещество молекулярноето на молекулы (N2, Н20).

Единица количества вещества - моль отвечает такому количеству вещества, которое содержит 6,02- 1023 частиц этого вещества.

Число частиц 6,02* 1023 называется числом Авогадро. Если числу Авогадро приписать единицу моль-1, то получится физическая константа - постоянная Авогадро (обозначение

6,02 -1022 молекул воды, отвечают следующим количествам этого вещества:

,ч \

Количество . вещества 1 моль, т.е. порция «обязательно содержащая 6,02-1023 частиц, обладает массой, характерной именно для данного вещества. Так; 1 моль углерода отвечает массе 12 г, 1 моль воды Н20-массе 18 г. Эту характерис­ тику вещества-массу одного моля данного вещества-назы­ вают молярной массой и обозначают М. Очевидно, что если порция вещества будет 2 моль, то масса этой порции ока­ жется в 2 раза больше значения М для данного вещества.

Молярная масса вещества В-это отношение массы д а н ­ ной порции вещества тв к количеству вещества в этой порции:

Отметим тот важный факт, что молярная масса данного' вещества М всегда численно р а в н а его относительной

11

2. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Закон сохранения массы веществ. Закон постоянства состава веществ. Закон Авогадро и следствия из него. Молярный объем газа. Относительная плотность газов и определение молярной массы веществ.

Химические формулы сложных веществ. Молекулярные и ионные' соединения. Формульные единицы. Молекулярные формулы. Истинные формулы. _ ,

Количественный состав сложного вещества. Массовая Доля (процентное содержание) элемента. Определение молекулярных и истинных формул веществ.

Стехиометрия-раздел химии, в котором рассматри­ ваются массовые и объемные отношения мЪжду реагирую­ щими веществами.

Известно три основных стехиометрических закона.

Масса веществ, вступивших в реакцию (реагентов), равна массе веществ, получившихся в результате реакции (продук­ тов).

2) Закон постоянства состава веществ (Ж.-Л. Пруст, 17" г.); * .

Каждое чистое .вещество, каким бы способом оно не было получено, всегда имеет один и тот же состав (и свойства).

3) Закон Авогадро (А. Авогадро, 1811 г.; С. Канниццаро,

1858 г.): . .

В равных объемах различных газов при одинаковых темпе­ ратуре и давлении содержится одно и то же число молекул.

Первое следствие из закона Авогадро::.

При одинаковых условиях равные количества различных

занимает объем 22,4 л. Эта физическая постоянная назы­ вается молярным объемом газа при нормальных условиях.

Молярный объем Ум газа В при некоторых условиях равен отношению объема порции данного газа Ув при тех же условиях к количеству вещества в этой порции пв :

13

Единица молярного "объема газа-л/моль; при нормаль­ ных условиях Уы = 22,4 л/моль. Это значение следует за­ помнить.

, Второе следствие из закона Авогадро:

Молярная, масса вещества В в газообразном состоянии равна еро удвоенной плртности по водороду, т.е.

В разд. 1 уже отмечалось, что сложные вещества могут быть молекулярными (т. е. состоять из электронейтральных частиц-молекул) и ионными (т.е. состоять из сочетания противоположно заряженных частиц-ионов).

‘ Химическая формула и о н н о го вещества состоит, таким образом, из двух частей-формул катиона (положительного иона) и аниона (отрицательного иона), например формула хлорида кальция СаС12-это сочетание формул одного ка­ тиона Са2+ (катиона кальция) и двух анионов С1“ (хло- рид-йонов). Катионы и анионы могут быть п росты м и, или одноэлементными (Са2+, С1~), и слож ны м и, или много­ элементными (N114 , СО2-*), о д н о з а р я д н ы м и (К+, Вг~)

Эти названия необходимо запомнить.

В ф о р м у л а х сложных веществ всегда сначала указы­ вают катионы, а затем анионы, например КС1, Ва804 и т. д. В н а з в а н и я х сложных веществ, наоборот, сначала указы-

14

вают анион (его йазвание ставят в именительном падеже), а затем-катион (его название-в родительном падеже):

Соотношение катионов и анионов в ионных соединениях всегда таково, что выполняется закон сохранения заряда (число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов),, следовательно, само соединение электронейтрально. Условные нейтральные частицы ионных соединений (иначе-ионных кристаллов) называются формульными еди­ ницами.'Как уже указывалось в разд. 1, щ состав также передается молекулярными формулами (КС1, Ва804), как

исостав молекулярных веществ (Н20, 8 0 2, РС13). Конечно, ионные вещества не содержат в своем составе молекул КС1, Ва804 и т. п., а только соответствующие катионы (К+, Ва2+)

ианионы (СП, 801” ). Таким образом* формульная единица (иначе-условная молекула, структурная единица)-это такйя же характеристика ионных соединений, какой является моле­ кула для молекулярных соединений. Вот почему все фор­ мулы,-отражающие качественный ц количественный состав веществ, условно называют молекулярные формулы. •

тионов и анионов, например РС13-н а один условный катион Р3+*и три условных аниона С П , Н28 0 4-н а два условных катиона 7Н + и один условный анион 8 0 4“ . Термин «услов­ ный» означает, что в молекулярных веществах указанных йодов в реальности нет (вещества состоят из молекул РС13, Н280 4), чем они и отличаются от ионных веществ. Отметим* что некоторые ионы могут быть как реальными, так и услов­ ными в зависимости от типа соединения (ионное, молеку­ лярное), например анионы СП и 80 4“ .

В двухэлементных веществах с молекулярным или ион­ ным строением абсолютные значения зарядов ионов отве­ чают стехиометрической валентности атомов, например, для Ка20 - К а ! и О11, для РС13- Р Ши С11. Одновременно знак и значение зарядов ионов отвечают соответствующим (поло­ жительным или отрицательным) степеням окисления эле­ ментов, например:

15

1

1

Ючевидно, что сумма массовых долей всех элементов, входящих в данное вещество, равна единице; так, для двух­ элементного вещества АхВу имеем:

Очевидно, что для двухэлементного вещества АхВу:

Иногда в сложных веществах рассчитывают массовую долю не отдельных элементов, а их комбинаций (соединений между, элементами), хотя эти комбинации в веществе реаль­ но могут и не содержаться. Так, ортофосфррную кислоту

долю каждой комбинации (н>Р 0 , и>н 0). В данном случае они

уи?ВМА швМА’

Следует помнить, что значения х и у являются целы­ ми числами. Например, для НхОу с и>н = 0,11 и и>0 = 0,89

17

х 'у '2 МА МВ МС МА МВ МС

и находят ху у и 2 в виде простых целых чисел. Например, для |НхСу0 2 С 1УН = 0,032, и>с = 0,194 и и>0 = 0,774 имеем:

х:у:2 = 0,032 0,194 0,774 = 0,032:0,016:0,048 = 32:16:48 = 2:1:3

иформулой вещества будет Н2СОэ (вольная кислота). Аналогично можно найти соотношение между комбина­

циями элементов в сложном веществе. Таку для ортофосфорнои кислоты, представленной в виде (Р20 5)х(Н20)у с

= 0,725 и и ^ о = 0,275, имеем:

а значит, формула ортофосфорной кислоты будет (^2 ^ 5)1 (Н20 )3, или Н3Р 0 4 .

Для веществ в ассоциированном состоянии истинные формулы типа (АхВу)2 м о ж н о составить, если вначале опре­ делить х и у (как описано выше для АхВу), а затем найти значение 2, используя уравнение:

г = М(АхВу)г/МАхВу- - “ (15)

Молярную массу ассоциата в газовом состоянии обычно

находят по уравнениям (5) и (6), где Мв = М(А в >•

X у 2

Упражнения

2.1.Учащийся провел в химической лаборатории такой опыт.

Втигель массой 44,7 г он поместил нелетучие реагенты массой 8,6 г и тигель нагрел. После окончания реакции и охлаждения масса тигля

снелетучими продуктами составила 53,3 г. Какой стехиометричес­ кий закон подтвердил учащийся этим, опытом? *

2.2.Для подтверждения закона постоянства состава учащийся выбрал два способа получения питьевой соды ИаНС03. В первом

опыте он получил вещество с атомным отношением 0,5:0,49:0,51: :1,48, а во втором опыте образовалось вещество с и^а = 0,274, и>н = 0,012, и>с = 0,143 и и>0 = 0,571. Подтвердился ли данный закон?

18

2.3г Укажите, одинаковыми или разными являются продукты двух реакций с общей формулой ИахНу РгОр, если у первого продукта отношение х:у:г:р равно 1:2:1:4, а у второго-2:1:1:4.

2.4. Пользуясь сводкой катионов и анионов, данной в начале этого раздела, составьте молекулярные формулы следующих ве­ ществ:

а) фторид натрия, гидроксид кальция, оксид алюминия, суль- . фит калия, ортофосфат серебра®, карбонат бария, хлорид хрома(Ш);

б) хлорид калия, нитрит магния, оксид хрома(1П), сульфат серебра®, перманганат натрия, нитрат аммония, гидроксид же­ леза®);

в) бромид аммония, гидроксид свинца®), сульфид железа®), сульфат марганца(П), карбонат калия, нитрат цинка®),* ортоси­ ликат кальция;

г) иодид серебра®, нитрат бария, оксид железа(Ш), сульфат свинца®), карбонат натрия, бромид меди®), ортофосфат стронция.~ 2.5. Пользуясь сводкой катионов и анионов, назовите следую­

щие вещества:

а) А1С13, 2л (ОН)2, Ва(Ж)2)2, ИН4Ж )3 , А§20, Ка2803, К3Р04 б) СгР3, Си(ОН)2, Са(М03)2, Иа20, А1283, К2СОэ, Ка48Ю4, РеС12 в) РеВг3, Мп(ОН)2, М§(М03)2, К20, Сг283, СазСРО^, А§2803 г) Ре12, РЬ(ОН)2, МН4№ )2, А§Ы03, Ре2Оэ, КМпО* Са28Ю4.

2.6. Составьте названия следующих молекулярных двухэле­ ментных веществ, используя как числовые приставки, так и степени окисления условных катионов:

2.7. Составьте формулы следующих молекулярных веществ: а) тетрабромид кремния, пентаоксид дифосфора, сульфид мышья­ ка®!); б) трифторид фосфора, диоксид серы, бромид кремния(ГУ);

в) трииодид бора, диоксид селена, фторид фосфора(У); г) тетраиодид кремния, триоксид диазота, сульфид мышьяка(У);

д) тетрахлорид углерода, оксид мышьяка(У), оксид серы(У1).

2.8. Не прибегая к вычислениям, укажите, одинаковое или разное число молекул содержится в 1 л 0 2, 1 л Оэ, 1 л Н2 и 1 л С02 (при н.у.). Ответ обоснуйте.,

2.9. Не прибегая к вычислениям, укажите, какой объем-одина­ ковый или разный (при н.у.) будут иметь 2,24 моль С12 и 2,24,моль ИН3. Ответ обоснуйте.

2.10. Получено (отдельно) 11,2 г И2 и 11,2 г СО. Не прибегая к вычислениям, укажите, какой объем-одинаковый илц разный (при н.у.) занимают эти газы. Ответ обоснуйте.

2.11. Составьте выражения, аналогичные уравнениям (5) и (6), используя плотность некоторого газа В: а) по неону, б) по озону.

2.12. Плотность некоторого газа по вод9роду равна 29. Не прибегая к вычислениям, укажите, чему равна плотность того же газа по воздуху.

19