№1 Основные понятия, законы химии

получил название закон атомов Канниццаро. В основе метода Канниццаро лежит анализ, сопоставление массовых долей одного и того же элемента в как можно более широкой группе его газообразных соединений. Причем сравнивается масса этого элемента, входящая в состав одного и того же объема разных газов. Сравним результаты, получающиеся, исходя из двух основных предположений:

в равных объемах газов при одинаковых условиях находится одинаковое число простых и сложных атомов (Дальтон, Берцелиус и мн. др.);

в равных объемах газов при одинаковых условиях находится одинаковое числомолекул, состоящих из связанных атомов (Авогадро, Канниццаро и мн. др.).

Рассмотримдляначаларядизвестныхнатотмоментводородныхсоединений.Дляэтого

нам потребуется 1гр. водорода (~11.2л) и ~11.2л других взятых для анализа веществ.

Далее необходимо определитьмассы этих веществи с учетом массовыхдолей водорода

рассчитать массу данного элемента в составе взятых объемов газов (табл. №1.3).

Таблица №1.3.

Масса элементарного водорода, содержащегося в 11.2л (в пересчете на н.у.) различных газов и формулы этих веществ,

исходя из атомарного и молекулярного строения водорода

31

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Видно, что предположение атомарного строения водорода приводит к абсурдной атомной доле этого элемента в ряде веществ (циановодород, хлороводород, бромоводород). Если признавать неделимость атомов и атомную массу водорода принять в качестве эталона за единицу, то следует признать водород молекулярным веществом, состоящим, как минимум из двухатомных молекул (другие "четные" по составу молекулы водорода тоже будут давать целочисленный атомный вклад этого элемента в формулы других веществ).

Рассмотрим некоторые кислородные соединения (табл. №1.4).

Таблица №1.4.

Масса элементарного кислорода, содержащегося в 11.2л (в пересчете на н.у.) различных газов и формулы этих веществ,

исходя из атомарного и молекулярного строения кислорода

Анализ полученных результатов позволяет сделать несколько выводов. Вопервых, атомная масса кислорода составляет как минимум 16 относительных единиц (не исключены и другие, кратные 16-ти, значения). Во-вторых, кислород также имеет молекулярное строение и при выборе минимального разумного

32

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

значения атомной массы кислорода (16 атомных единиц) ‒ молекула кислорода

двухатомна. В-третьих, при выборе атомных масс водорода и кислорода (1 и 16)

простейшая формула воды ‒ H2O.

В завершение рассмотрим некоторые соединения углерода (табл. №1.5).

Таблица №1.5.

Масса элементарного углерода, содержащегося в 11.2л (в пересчете на н.у.) различных газов и формулы этих веществ,

исходя из минимального разумного значения атомной массы углерода

относительных единиц, но выбор этого числа в качестве относительной атомной массы углерода приводит в ряде случаев (угарный газ, метанол…) к "дробному" вкладу атомов других элементов (в последних двух строках соответствующие формулы не приведены). Такой проблемы не будет, если предположить атомную массу углерода, равную 12 атомным единицам. Вытекающие из этого

33

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

предположения формулы рассмотренных веществ приведены в последней колонке после косой черты. Истинную формулу можно установить, например, выполняя дополнительно реакции сгорания соответствующих веществ и сравнивая, сколько молекул углекислого газа и воды получается из одной молекулы анализируемого соединения (сравнивая объемы реагентов и продуктов сгорания).

Данный метод применим только к газообразным веществам, поэтому с его помощью трудно определять (уточнять) атомные массы металлов, которые составляют большую часть элементов. Основная ценность работ Канниццаро состояла в возрождении идей А.Авогадро, в строгом, убедительном объединении атомистических и молекулярных представлений, в четком разграничении основополагающих химических понятий.

На конгрессе в Карлсруэ именно под влиянием неоднократных настойчивых и аргументированных выступлений С.Канниццаро были приняты формулировки-определения для атомов, молекул, эквивалента; было достигнуто согласие относительно системы атомных масс и формул веществ.

Исходя из современных представлений о строении веществ, необходимо отметить, что закон (гипотеза) Авогадро, строго говоря, применим к газам,

находящимся в условиях пренебрежимо слабого межмолекулярного взаимодействия, т.е. при низком парциальном давлении, а еще надежнее – при высоких температурах, исключающих ассоциацию молекул. Эти же ограничения справедливы и для следствий из закона Авогадро. Абсолютно отсутствует межмолекулярное взаимодействие у, так называемого идеального газа30. Среди реальных газов этим условиям лучше всего удовлетворяют гелий, водород, азот.

30 Идеальным считается газ, объем которого устремляется к нулю, как при сильном повышении давления, так и при приближении температуры к абсолютному нулю (0 К). Оба эти критерия идеальности согласуются с уравнением Клапейрона-Менделеева (с уравнением состояния

(переводав жидкое или твердое агрегатноесостояния).

34

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

В настоящее время общепринятыми следствиями из закона Авогадро

считаются два утверждения:

1. Сформулированная и доказанная самим Авогадро (см.27 на стр.29) возможность расчета молярных масс газов по их относительным плотностям:

плотности любых двух газов пропорциональны их молярным массам или

молярная масса изучаемого газа прямо пропорциональна молярной массе эталона (коэффициентом пропорциональности является относительная

плотность исследуемого газа по газу-эталону):

или 101.3кПа) занимает объем, примерно равный 22.4л (молярный объем

газов при н.у. = 22.4 л/моль)31.

Таблица №1.6.

Молярные объемы некоторых газов при н.у.

31 Если верно утверждение о том, что в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул, то будет справедливо и обратное – если взять равное число молекул разных газов и поместить их в одинаковые условия, то они займут равные объемы. Если теперь молекул взять вполне конкретное число (NA = 6.02∙1023 моль-1), и поместить их во вполне конкретные условия (Т = 273 К, Р = 1атм или 101.3кПа), то и объем окажется не просто одинаковым, а вполне конкретным (22.4л): он легко рассчитывается из уравнения состояния идеального газа, из уравнений молекулярно-кинетической теории газов.

35

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Проектное задание

Сформулируйте закон сохранения массы веществ и стехиометрические законы химии, определите границы их применимости и обоснуйте их справедливость с учетом современных представлений о составе и структуре веществ.

ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ № 1

1.Опыты Р.Бойля и М.Ломоносова отличались тем, что

1.Выполнялись в атмосфере разных газов

2.В опытах Бойля использовались предварительно прокаленные металлы

3.Воздух ретортах находился под разным давлением

4.Методом взвешивания и интерпретацией результатов

2.Утверждения Ж.Л.Пруста и К.Бертолле

1.Справедливы, т.к. были получены при изучении веществ с разной структурной организацией

2.Справедливы, применительно к веществам с разной структурной организацией

3.Есть результат разной строгости в постановке экспериментов

4.Отчасти есть результат удачного и неудачного сочетания выбора объектов исследования и имевшихся на тот момент исследовательских возможностей

3. Атомистическая теория Дальтона и Берцелиуса сформировались в результате… (имеются ли неверные продолжения?)

Тщательного изучения состава веществ и грамотного толкования

1.массовых соотношений Взаимодополняющего применения закона сохранения массы веществ

2.(элементов) и объемных соотношений

Взаимодополняющего применения данных о составе, структуре и

3.тепловых свойствах веществ

4.Применения всех открытых на тот момент химических законов

4.Молекулярная теория А.Авогадро

3.решением первого международного конгресса химиков Совместно с атомистической теорией Дальтона-Берцелиуса и некоторыми

4.другими идеями составили основу атомно-молекулярного учения

36

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Бланк ответа

1(5 баллов)

2(5 баллов)

3(5 баллов)

4(5 баллов)

Критерии для самоконтроля степени усвоения материала модуля:

Оценка при выполнении теста: 6 – 10 баллов – удовлетворительно

11 – 16 баллов – хорошо

17 – 20 баллов - отлично.

37

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Модуль №2 Основные положения атомно-молекулярного учения

Комплексная цель

В результате изучения данного модуля предстоит познакомиться с современными положениями атомно-молекулярного учения и их краткой аргументацией, с

кратким изложением основных принципов строения веществ.

2.1 Положение об атомном составе веществ

Все вещества, изучаемые химией, свойства которых подчиняются химическим законам, в конечном итоге состоят из атомов. Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса, и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размеры атомов ничтожно малы (d ≈ 1Å = 10‒10м), но современными методами прецизионной микроскопии очертания крупных малоподвижных атомов (на поверхности твердых тел) удается наблюдать. В обычном состоянии атом нейтрален. Его принадлежность тому или иному элементу определяется зарядом ядра. В химических превращениях с ядрами атомов никаких изменений не происходит, таким образом, атомы в химических реакциях не разрушаются, а

лишь по-новому перегруппировываются. При этом часто, но незначительно меняется их электронное строение, и образуются одноатомные или многоатомные ионы. Положительные ионы (катионы) получаются за счет потери атомом части своих электронов (K+, NH4+, Ва2+), отрицательные ионы (анионы) получаются за счет присоединения дополнительных, избыточных электронов: S2‒, PO43‒.

2.2 Положение о самопроизвольном связывании атомов

Все атомы (за исключением атомов инертных/благородных газов) склонны к самопроизвольному связыванию и существуют в виде двухатомных и более сложных группировок или многоатомных полимерных структур. Взаимодействие

38

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

изолированных атомов всегда проходит экзотермично. Чтобы вызвать распад

межатомных (межионных) связей, необходимо затратить энергию извне

(тепловую – нагрев, электромагнитную – облучение, электрическую – электрические разряды, механическую – истирание, взрывные воздействия). Тот факт, что связывание атомов энергетически выгодно означает, что система связанных атомов имеет меньший запас энергии, чем система изолированных атомов. Тогда сближение атомов должно сопровождаться понижением их суммарной энергии. Схематично, без детализации зависимость энергии от расстояния между атомами показана на рис.2.1. Принципиальным элементом графика является минимум. Его координаты имеют важный химический смысл: rO – самое энергетически выгодное межатомное расстояние, длина химической связи; ЕО – минимально достижимое значение энергии, энергия межатомной

39

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

2.3 Положение о молекулах и молекулярном строении веществ

Если атомы связываются в небольшие группы, то состоящие из них вещества принято называть молекулярными. Молекула – это нейтральная группировка, состоящая из небольшого числа связанных атомов и участвующая во всех формах теплового движения как единое целое. В

соответствие с молекулярно-кинетической теорией такими формами движения являются поступательное (диффузия, броуновское движение), колебательное и вращательное. Атомы в составе молекулы, а также ионы в ионных кристаллах могут участвовать только в колебательном и, зачастую, во вращательном движении друг относительно друга. При плавлении ионного кристалла подвижность ионов резко возрастает, становится возможной диффузия в объеме расплава.

В первом международно-согласованном определении (г.Карлсруэ, 1860г.)

молекулы рассматривались как носители и физических, и химических свойств веществ. Однако вскоре стало ясно, что большинство физических (физико-

химических) свойств (плотность, агрегатное состояние, температуры их изменения, тепло-, электропроводность и т.д.) формируются коллективом

(ансамблем) взаимодействующих, связанных молекул. Например, агрегатное состояние (Тпл, Ткип, плотность) молекулярных веществ зависят исключительно от межмолекулярного притяжения. В отличие от полимерных соединений (которые всегда имеют при комнатной температуре твердое агрегатное состояние, причем обычно весьма тугоплавки) молекулярные вещества очень часто представляют собой жидкости или даже газы32.

32 Такие агрегатные состояния, бесспорно, указывают на молекулярную природу вещества и достаточно слабое межмолекулярное связывание (особенно в случае газов). При более сильном межмолекулярном притяжении такие вещества могут оказаться в обычных условиях и твердыми, но тогда обязательно легкоплавкими, порой легковозгоняющимися, т.е. перевести их в другие агрегатные состояния, заметно повысить подвижность молекул, нетрудно.

40

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)