Основные понятия и законы в курсе химии учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ П.П. СЕМЕНОВА-ТЯН-ШАНСКОГО» ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ, МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

КАФЕДРА ГЕОГРАФИИ, БИОЛОГИИ И ХИМИИ

Е.О. Емельянова

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ В КУРСЕ ХИМИИ

Учебное пособие

Липецк - 2018

Емельянова, Е.О.

Основные понятия и законы в курсе химии: учебное пособие /

Е.О. Емельянова. – Липецк: ЛГПУ имени П.П. Семенова-Тян-Шанского, 2018.

–31 с.

Впособии раскрывается содержание ранее изученных понятий и их определения в соответствии с программными требованиями к изучению основных понятий и законов курсе химии на разных этапах обучения.

Разнообразные задачи, тестовые задания позволят студентам подготовиться к выполнению заданий, направленных на организацию самостоятельной работы. Это поможет повысить их мотивацию к изучению основных понятий и законов химии.

Пособие предназначено для студентов, изучающих курс химии по направлениям подготовки «Ландшафтный дизайн» и «Экология».

УДК 544.01/.07

ББК 24.1я73 Е 601

Рецензенты: Г.Ю. Андреева, канд. пед. наук, доцент, ФГБОУ ВО

«ЛГПУ имени П.П. Семенова-Тян-Шанского» Н.Ф. Ельчанинова, канд. пед. наук, директор МАОУ «Лицей 44» г. Липецка

©Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Липецкий государственный педагогический университет имени П.П. Семенова-Тян-Шанского», 2018

©Е.О. Емельянова, 201

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение понятий складывается из двух этапов: формирования и развития. Изученные теории позволяют расширить и углубить ранее сформированные понятия. Важно при этом уделить внимание их систематизации вокруг содержательных линий “Вещество” и “Химическая реакция”.

В теоретической части пособия материал сгруппирован с учётом названных содержательных линий. Сведения об эквиваленте, молярной массе эквивалента и закон эквивалентов вынесены в отдельный параграф.

Особое внимание уделено количественным характеристикам изучаемых понятий: количество вещества; масса молекулы, атома; молярная масса; атомная единица массы и др. Студентам необходимо уяснить размерность основных величин, уметь выразить их в единицах Международной системы единиц (СИ), узнать, какие из указанных величин являются безразмерными.

Усвоение понятий происходит более успешно при решении студентами расчётных задач, позволяющих применять теоретические знания на практике. Любая задача формулируется как задание, вопрос или проблема, требующие ответа в форме рассуждений: умозаключения и определённым образом построенного доказательства. Для успешной организации познавательной деятельности студентов при решении расчётных задач на первых порах важно выработать умение правильно записывать условие задачи в кратком виде, вводить дополнительные данные, оформлять ход решения задачи с выделением последовательности действий и формулировать ответ. Это позволит студентам перейти от решения задач по образцу к самостоятельному поиску и нахождению способа решения предложенной задачи. В связи со сказанным пособие содержит комплекты задач для самостоятельного решения. Одним из главных структурных компонентов познавательной деятельности студентов является контроль и самоконтроль, который может осуществляться с помощью различных средств. С этой целью в пособии представлен тест.

3

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Химия относится к числу естественных наук. Основными естественными науками являются физика, химия, биология, география. Между ними есть сходство и различие.

Сходство всех естественных наук в том, что они изучают окружающий мир, природу во всём многообразии форм существования материи и движения, т.е. объект изучения естественных наук один и тот же.

Но эти науки имеют различный предмет изучения. Предмет изучения химии: а) вещество (состав, строение, свойства, их взаимосвязь, применение веществ, нахождение в природе и получение); б) химические реакции, или превращения веществ (условия возникновения и протекания реакций, их признаки, закономерности, сущность и механизм, типы химических реакций и др.) (рис. 1).

Химия как естественная наука

•Нахождение в природе

•Получение

Рис. 1 Химия как естественная наука.

Химия – веществоведческая наука, т.е. это наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Химия, как и другие науки, обособленно существовать не может, тем более развиваться. Очень многие исследования идут на стыке различных наук. Важно учитывать взаимосвязь и интеграцию химии с другими науками. Так, исследования в химии невозможны без количественных методов, следовательно, без математики.

4

Очень велика связь химии с физикой: периодический закон помогает физикам в изучении строения атомов, в то же время сведения о строении атома, полученные учёными-физиками, помогают глубже понять физический смысл периодического закона. При количественных расчётах в химии используются законы, формулы зависимости, открытые в физике: газовые законы, расчёт плотности веществ, закон Кулона и др.

На стыке биологии и химии возникла новая наука – биохимия. Органическая химия позволяет понять, познать процессы, идущие в организме на клеточном уровне, установить взаимосвязь живой и неживой природы, зарождение жизни на Земле и др.

Очевидна связь химии с географией: выветривание горных пород, их разрушение, образование горных массивов, сталактитов и сталагмитов и пр.

Современная химия представляет собой систему научных дисциплин: общей и неорганической химии, физической и коллоидной химии, аналитической химии, геохимии, биохимии, космохимии, экологической химии и др.

Определение понятия “вещество” на разных этапах обучения химии формулируется по-разному.

●Вещество – это то, из чего состоит тело (гвоздь – железо, стакан – стекло, проволока – медь и др.).

Это определение не очень удачное и не очень точное. В нём не раскрывается уровень организации вещества, т.е. из совокупности каких частиц состоит вещество, изучаемое химией.

●Вещество – это любой вид материи, обладающей собственной массой, или массой покоя.

Для химии это определение является слишком широким. Массой покоя

обладают электроны, протоны, мезоны и др. элементарные частицы.

Химия изучает вещества на микроскопическом уровне, но связывает состав вещества и превращения веществ с такими частицами, как атом, молекула, ион, радикал. Т.е. в химии понятие “вещество” более узкое, чем дано в определении. Но эти и другие элементарные частицы изучает физика элементарных частиц.

● Вещество – это любая совокупность частиц (молекул, атомов, ионов, радикалов), находящаяся в определённом агрегатном состоянии.

Отдельно взятая молекула (единственная молекула) физическими свойствами вещества не обладает, но современная экспериментальная техника позволяет установить, что даже единственная молекула проявляет химические свойства вещества.

●Молекула – мельчайшая частица вещества, которая обладает его химическими свойствами.

●Атом – реальная, устойчивая (химически неделимая частица), наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и

сложных веществ (CO2, HCl, Cl2) и веществ немолекулярного строения (SiO2, C и др.). Это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов.

5

●Химический элемент – определённый вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

●Изотопы – разновидность атомов одного и того же химического элемента, имеющих одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов) и разную массу (разное число нейтронов).

●Аллотропия – способность химического элемента образовывать несколько простых веществ, различных по строению и свойствам.

●Простые вещества – вещества, образованные из атомов одного химического элемента.

●Сложные вещества – вещества, образованные атомами разных химических элементов.

●Закон постоянства состава веществ – состав вещества не зависит от способа получения и имеет всегда постоянный качественный и количественный состав (Ж. Пруст).

2H2 + O2 = 2H2O

NaOH + HCl = NaCl + H2O

NH4Cl + NaOH = tNaCl + NH3↑ + H2O

CuSO4 5H2O = CuSO4 + 5H2O

Следовательно, в H2O на 1 весовую часть водорода приходится

8 весовых частей кислорода, где w(H)=11,11%; w(O)=88,89%

Современные достижения химии показали, что это утверждение справедливо только для веществ молекулярного состава (дальтонидов).

Отметим, что среди веществ молекулярного строения не обладают постоянным составом полимеры. Их степень полимеризации зависит от условий и способа осуществления реакции. Наряду с дальтонидами существуют вещества с переменным составом (бертоллиды), их состав изменяется в зависимости от условий проведения реакции и не отвечает целочисленным, стехиометрическим отношениям. Как правило, такие вещества имеют атомную, ионную или металлическую кристаллическую решётку.

Зависимость состава, структуры и свойств вещества от способа получения является теоретической основой получения материалов с заданными свойствами.

●Химическая формула отражает состав вещества с помощью символов химических элементов и индексов, указывающих число атомов данного элемента в составе молекулы. Различают несколько видов химических формул, примеры которых представлены в таблице 1.

●Молекулярная формула отражает число атомов каждого химического элемента в молекуле. Молекулярная формула описывает состав вещества только с молекулярным строением.

●Эмпирическая формула (простейшая) отражает простейшее соотношение между числом атомов разных химических элементов в веществах немолекулярного строения (с атомной или ионной структурой).

6

Эмпирическими формулами можно отобразить состав веществ и молекулярного строения. Отметим, что эмпирическая формула таких веществ может совпадать с их молекулярной формулой.

●Структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами. В структурных формулах каждая черточка – это пара электронов, обеспечивающая ковалентную связь между атомами.

●Графическая формула, как и структурная, отражает порядок соединения частиц в формуле вещества немолекулярного строения и число связей между

ними.

Количественные характеристики вещества, используемые в расчётах, таковы.

● Количество вещества (ν или n, выражается в молях) определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.) этого вещества.

● Моль – это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, состоящего только из изотопа 12С. Любое вещество количеством 1 моль содержит 6,02·1023моль–1 структурных единиц данного вещества. Число частиц 6,02·1023моль–1 называется числом Авогадро и обозначается NA: NA = 6,02·1023моль–1.

Например: 1 моль атомов меди = 6,02·1023 атомов Cu;

1 моль молекул Cl2 = 6,02·1023 молекул Cl2;

1 моль ионов SO42– = 6,02·1023 ионов SO42– и т.д. Для расчёта количества вещества используются формулы:

7

● Масса вещества (m) определяется взвешиванием, измеряется в

●Относительная атомная масса химического элемента (Ar) – величина,

равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода 12С. Относительная атомная

масса – безразмерная величина. Значения Ar химических элементов указаны в периодической системе.

●Относительная молекулярная масса вещества (Mr) – величина, равная отношению средней массы молекулы вещества к 1/12 массы атома углерода 12С. Численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов,

входящих в состав молекулы.

1а.е.м. = N1A ; Mr(A) = DA/B Mr(B)

●Молярная масса (М) – величина, равная отношению массы вещества к его количеству. Её размерность – кг/моль или г/моль. Молярная масса вещества

численно равна его относительной атомной или молекулярной массе: Ar(O)= 16; M(O)=16г/моль; Mr(O2)=32; M(O2)=32г/моль.

Для расчёта молярной массы используются следующие формулы:

M = mν ; /M/ = Mr; M(газ) = Vm ρ; Μ = m0 ΝΑ

● Число частиц (N) рассчитывается по формулам:

● Объём вещества (V, выражается в м3, л) рассчитывается по формулам:

ρ

8

●Плотность вещества (ρ, выражается в кг/м3; г/м3; г/мл) рассчитывается по формуле:

m

ρ = V

● Массовая доля элемента в веществе и вещества в системе (w) –

безразмерная величина – отношение: а) массы атомов химического элемента в веществе к массе вещества; б) массы вещества в растворе, смеси, кристаллогидрате к массе раствора, смеси, кристаллогидрата.

●Объёмная доля газообразного вещества (φ) – отношение объёма данного газа в смеси к объёму всей смеси:

ϕ= V(газа)

V(смеси)

●Мольная доля вещества или химического элемента (χ) – безразмерная величина, показывающая отношение: а) количества атомов химического элемента к суммарному количеству атомов химических элементов в веществе; б) количества вещества в смеси к количеству смеси:

(Например, χ=(O в HNO3) = 53 мольмоль = 53 ) ;

Химические явления (химические превращения или химические реакции)

– это явления, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом не происходит изменение состава ядер атомов (природа химических элементов остаётся неизменной).

Физические явления – явления, при которых изменяется форма или агрегатное состояние вещества. Возможно образование и новых веществ за счёт изменения состава ядер атомов.

Химическое уравнение – это условная запись химической реакции с помощью математических знаков, химических формул и стехиометрических коэффициентов.

Стехиометрические коэффициенты – коэффициенты перед формулами веществ в уравнениях химических реакций.

Стехиометрические расчёты – вычисления по химическим формулам и уравнениям, вывод формул веществ и составление уравнений реакций.

На начальных этапах изучения химии для расчёта по химическим уравнениям используются следующие зависимости.

9

●Закон сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (М.В. Ломоносов, А. Лавуазье): m(в-в до р-ции)= m(в-в после р-ции).

В1905 г основоположник современной физики Эйнштейн выразил взаимосвязь между массой и энергией уравнением: E=mc2, где с – скорость света в вакууме, равная 2,997925·108 м/сек (≈3·108 м/сек).

Так как при химических реакциях происходит изменение энергии (ΔЕ), то должна изменяться и масса (Δm):

∆m = ∆E c2

Но в химических реакциях изменение массы, вызванное поглощением или выделением энергии, очень мало (лежит за пределом чувствительности самых совершенных весов), т.е. точность взвешивания является значительно меньшей, чем изменение в массе. Для химической реакции эти практически ничтожные изменения в массе не учитываются.

В ядерных реакциях (распад ядер урана и других радиоактивных элементов) выделение большого количества энергии происходит вследствие даже незначительного изменения массы.

●Закон объёмных отношений Ж.Л. Гей-Люссака: объёмы вступивших и образующихся в реакции газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как коэффициенты перед формулами

газообразных веществ в уравнении реакции. Например,

H2 + Cl2 = 2HCl 1V : 1V : 2V

●Масса раствора после реакции равна массе раствора до реакции за вычетом массы газообразных веществ и веществ, выпавших в осадок:

2. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

Наиболее важными условиями, определяющими состояние газообразных веществ, являются объём V, занимаемый газом, давление газа P и температура Т. Эти величины связаны между собой определёнными зависимостями – газовыми законами, установленными в работах многих учёных.

При изучении газообразного состояния было введено понятие об идеальном газе, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом. Поведение идеальных газов полно и точно отражается математическими соотношениями между температурой, объёмом и давлением газов. Но идеального газа в действительности не существует. Реальные газы подчиняются газовым законам при низких давлениях и высоких температурах.

Единицы измерения температуры, давления и объёма.

10