Начальный курс химии (Для студентов-иностранцев). В 2 частях. Ч. 1. Учебное пособие

показывает: 1) из каких элементов состоит вещество(качественный состав); 2) сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества (количественный состав); 3) одну молекулу вещества.

Например, формула серной кислоты H2SO4 показывает, что: 1) серная кислота состоит из трех элементов – водорода, серы и кислорода; 2) в молекулу серной кислоты входят два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода; 3) одна молекула серной кислоты – H2SO4. Маленькая цифра, которая стоит ниже химического знака справа (числовой индекс), показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы. Большая цифра, которая стоит перед химическим знаком или формулой (коэффициент), показывает число отдельных атомов или молекул.

Химические формулы следует читать так:

-Al2(SO4)3 – Алюминий–два–эс–о–четыре–трижды;

-Ca(OH)2 – Кальций–о–аш–дважды;

-CH3COOH – Це–аш–три–це–о–о–аш;

-H3PO4 – Аш–три–пэ–о–четыре;

-Вa(HCO3)2 – Барий–аш–це–о–три–дважды.

Относительная молекулярная масса веществаMr(X) –

пример, Mr(H2O) = 2.Ar(H) + Ar(O) = 2.1 + 16 = 18.

Сложные вещества делятся на классы: оксиды, основания, кислоты, соли.

Оксиды – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов кислорода и другого химического элемента(K2O,

CaO, Al2O3, CO2, SO3).

Основания – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов металла и гидроксильных групп – OH (NaOH, Ca(OH)2, Al(OH)3).

11

Кислоты – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода и кислотных остатков (HCl, HNO3,

H2SO4, H3PO4).

Соли – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов металла и кислотных остатков (NaCl, BaSO4, Ca(NO3)2).

Контрольные задания

1.Напишите формулы веществ(химическими знаками): Аргентум – два – эс – о – четыре; Феррум – эн – о – три – трижды; Арсеникум – два – о – три; Кальций – о – аш – дважды; Купрум – два – о; Барий – це – два – о – четыре; Хидраргирум – о; Аш – эн – о – три; Натрий – три – пе – о – четыре.

2.Напишите формулы веществ (словами): LiOH, P2O5, H2S, Hg2SO4, HNO3, BaCl2, K2SO4, HIO4, Mg(HCO3)2, BeF4, Ag2CrO4, CuCN, AsH3, N2O5, CdBr2, H3PO4, CaO, HCl, Ba(OH)2.

3.Из веществ, указанных в задании 2, выпишите отдельно оксиды, основания, кислоты и соли.

4.Выпишите отдельно простые и сложные вещества: ртуть

Hg, кислород O2, вода H2O, хлорид натрия NaCl, серная кислота H2SO4, гелий He, оксид железа (III) Fe2O3, сера S, медь Cu, гидроксид калия KOH, озон O3, хлор Cl2.

5.Вычислите относительные молекулярные массы веществ: Ca(NO3)2, Al2(SO4)3, Fe2O3, Ba(OH)2, H3PO4, HNO3, SO3.

Контрольные вопросы

1.Какие вещества существуют в природе?

2.Что такое химическая формула?

3.Что показывает индекс и коэффициент?

4.Что обозначает химическая формула?

5.На какие группы разделяют простые вещества?

6.Какие вы знаете простые и сложные вещества?

7.На какие классы делятся сложные вещества?

8.Что такое оксиды, основания, кислоты и соли?

12

1.4. Закон постоянства состава. Валентность Словарь

Закон постоянства состава в1808 году впервые сформулировал французский ученый Пруст: всякое чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Например, вода состоит из водорода и кислорода(качественный состав): массовая доля водорода составляет 11,11 %, кислорода – 88,89 % (количественный состав).

Воду можно получить различными способами, например:

1)синтезом из кислорода и водорода: 2H2 + O2 = 2H2O;

2)реакцией нейтрализации: NaOH + HCl = H2O + NaCl;

3)реакцией разложения: Ca(HCO3)2 = H2O + CO2 + CaCO3.

Чистая вода независимо от способа получения имеет при-

веденный выше состав.

Пероксид водорода (H2O2), как и вода, состоит из водорода и кислорода, но его количественный состав отличается от состава воды. В пероксиде водорода массовая доля водорода составляет 5,89 %, кислорода – 94,11 %. Пероксид водорода имеет характерные свойства, которые отличаются от свойств воды, которая является оксидом водорода. Большинство химических процессов осуществляется в водной среде, в то время, как пероксид водоро-

13

да играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах животных организмов.

Чтобы правильно написать формулу вещества, нужно знать важное свойство химических элементов – валентность.

Валентность – это способность атомов данного элемента присоединять определенное число атомов другого элемента. Валентность обозначается римскими цифрами от одного до восьми (I – VIII). Это связано со специфическим строением внешнего электронного слоя определенных атомов данного элемента. Атом водорода никогда не присоединяет больше одного атома другого элемента. Поэтому валентность водорода принята за единицу измерения валентности элементов.

Некоторые элементы имеют постоянную валентность. Например, элементы водород Н, фтор F, щелочные металлы (литий Li, натрий Na, калий K и др.) всегда одновалентны (присоединяют только один атом водорода). Щелочноземельные металлы (бериллий Be, кальций Ca, магний Mg и др.), а также кислород О, цинк Zn и кадмий Cd всегда двухвалентны, бор В, алюминий Al, галлий Ga и индий In – трехвалентны. Металлы главных подгрупп периодической системы элементов Д. И. Менделеева имеют постоянную валентность. Лантаноиды в большинстве случаев, также как и скандий Sc, иттрий Y имеют валентность равную трем.

Многие элементы (неметаллы и металлы побочных подгрупп периодической системы элементов) имеют переменную валентность (табл. 2). У неметаллов, как правило, высшая валентность равна номеру группы, в которой находится элемент, а низшая – разности между числом 8 и номером группы. Например, сера имеет валентность два в соединениях с водородом H2S и металлами Na2S, валентность четыре и шесть – в соединениях с кислородом SO2, SO3.

Для металлов побочных подгрупп переменная валентность может иметь два и три значения. Например, железо может иметь валентность два (в веществе FeO) и три (в веществе Fe2O3), а хром валентность два (CrCl2), три (CrCl3) и шесть (CrO3).

Переменная валентность элемента обычноуказывается римской цифрой в скобках после названия формулы вещества: Cu2O – оксид меди (I), CuO – оксид меди (II).

14

* - в скобках обозначены более редкие валентности элементов

Для определения валентности элементов применяется правило: в молекуле бинарного соединения произведение валентности на число атомов одного элемента равно произведениюва лентности на число атомов другого элемента.

Например, молекула оксида алюминияAl2O3 состоит из двух атомов алюминия (валентность алюминия 3) и трех атомов кислорода (валентность кислорода 2). Согласно правилу: 3·2 = 2·3. Используя правило валентности можно составлять формулы бинарных соединений. Например, формула соединения, состоящего из марганца Mn (VII) и кислорода О (II), будет иметь вид Mn2O7.

15

Зная химическую формулу вещества, можно вычислить массовую долю каждого элемента в веществе (в долях единицы или в процентах).

Массовая доля вещества ω(X) – это величина, равная от-

ношению массы веществаm(X) в системе к общей массе всей системы m: ω(X) = m(X) / m.

Пример 1. Определите массовую долю каждого элемента, входящего в состав серной кислоты H2S4.

ω(S) Мr – относительная молекулярная масса вещества

ω(O) (серной кислоты).

Относительная молекулярная масса серной кислоты равна:

Mr(H2SO4) = 2∙Ar(H) + Ar(S) + 4∙Ar(O) = 2∙1 + 32 + 4·16 = 98.

Тогда массовые доли элементов будут равны:

ω(H) = 2∙Ar(H) / Mr(H2SO4) = 2∙1 / 98 = 0,020 (или 2,0 %);

ω(S) = Ar(S) / Mr(H2SO4) = 32 / 98 = 0,327 (или 32,7 %); ω(O) = 4∙Ar(O) / Mr(H2SO4) = 4∙16 / 98 = 0,653 (или 65,3 %).

Ответ: ω(H) = 0,020; ω(S) = 0,327; ω(O) = 0,653.

Зная массовые доли каждого элемента, входящего в состав вещества, можно определить формулу вещества, т. е. решить обратную задачу примера 1.

Пример 2. Определите формулу вещества, в котором массовая доля натрия составляет 0,346, массовая доля фосфора – 0,233, массовая доля кислорода – 0,421.

16

Ответ: Na4P2O7.

Контрольные задания

1.Вычислите массовые доли каждого элемента, входящего

всостав веществ: Ca(NO3)2, Fe2O3, Ba(OH)2, H3PO4.

2.Определите формулу вещества, в состав которого входят водород (массовая доля составляет0,016), азот (массовая доля составляет 0,222) и кислород.

3.Найдите формулу вещества, в котором массовая доля меди составляет 0,40, массовая доля серы – 0,20, массовая доля кислорода – 0,40.

4.Определите валентность элементов в соединениях: NH3, SO3, P2O5, CH4, Cu2O, ZnS, N2O3, CaCl2, H2O, PH3.

5.Напишите формулы соединений и их графическое изо-

бражение: а) углерода (IV) с бромом (I), б) железа (III) с серой (II), в) алюминия с хлором (I), г) кислорода с азотом (III), д) натрия с кислородом, е) кальция с водородом.

Контрольные вопросы

1.Как выражают состав вещества?

2.Что называется валентностью?

3.Почему необходимо знать валентность элементов?

4.С помощью какого правила можно составить формулу вещества по валентности элементов?

17

1.5.Количество вещества. Моль. Молярная масса вещества

Словарь

В химии наряду с физическими величинами– массой, объемом, плотностью и другими применяется количество вещества (n), которое определяется числом структурных единиц этого вещества (атомов, молекул и др.). За единицу количества вещества принят моль.

Моль – это количество вещества, которое содержит столько частиц (атомов, молекул и других частиц), сколько атомов содержится в изотопе углерода 12C массой 0,012 кг.

Зная массу одного атома углерода 12C (1,993.10-26 кг), можно вычислить число атомов (NA) в 0,012 кг углерода:

6,02.1023 молекул воды, один моль атомарного кислорода содержит 6,02.1023 атомов кислорода, один моль железа содержит 6,02.1023 атомов железа.

Определенному количеству вещества соответствует определенная масса этого вещества.

Отношение массы вещества (m) к его количеству вещества

(n) называется молярной массой вещества: M = m/n, которая имеет единицы измерения кг/моль или г/моль.

Молярная масса вещества численно равна относительной молекулярной массе вещества: M = Mr·10-3 кг/моль или

M = Mr г/моль.

18

Пример 1. Определите массу атомарного кислорода количеством вещества 3 моль.

Дано: Решение n(O)=3 моль

Массу вещества определяют по формуле

Найти: m(O) = n(O) ∙ M(O) = 3 моль ∙ 16 г/моль = 48 г. m(O)

Ответ: масса атомарного кислорода количеством вещества 3 моль равна 48 г.

Пример 2. Какое количество вещества содержится в оксиде серы (IV) SO2 массой 16 г?

Ответ: оксид серы (IV) массой 16 г составляет 0,25 моль.

Пример 3. Сколько молекул и атомов всех элементов содержится в воде массой 4,5 г?

2. Число молекул воды рассчитывают по формуле

N(H2O) = n(H2O) ∙ NA = 0,25 моль ∙ 6,02∙1023 моль-1 =

=1,505∙1023 молекул.

3.Число атомов рассчитывают исходя из того, что одна молекула

воды содержит два атома водорода и один атом кислорода

N(атомов) = N(H2O) ∙ (2 + 1) = 1,505∙1023 ∙ 3 = 4,515∙1023 атомов.

Ответ: в воде массой 4,5 г содержится 1,505.1023 молекул воды и 4,515.1023 атомов всех элементов.

19

Пример 4. Какая масса оксида азота(III) N2O3 содержит столько молекул, сколько их содержится в 34 г аммиака NH3?

3. m(N2O3) = n(N2O3) ∙ M(N2O3) = 2 моль ∙ 76 г/моль = 152 г.

Ответ: масса оксид азота (III) равна 152 г.

Контрольные задания

1.Какое количество вещества составляет: а) азотная кислота HNO3 массой 189 г; б) гидроксид калия KOH массой 14 г; в) оксид алюминия Al2O3 массой 51 г.

2.Какая масса фосфора содержит столько атомов, сколько их в молекулярном водороде массой 6 г?

3. Определите массу: а) 0,25 моль хлорида натрия NaCl; б) 3 моль гидроксида кальция Ca(OH)2; в) 0,2 моль оксида железа

(III)Fe2O3; г) 2 моль хлороводородной кислоты HCl.

4.Даны 10 г MgO и 10 г NH4NO3. Во сколько раз число молекул MgO в данной массе больше числа молекул NH4NO3 в такой же массе?

5.Сколько атомов кислорода содержится в оксиде серы(VI) массой 400 г?

6.Какая масса алюминия содержится в оксиде алюминия массой 306 г?

Контрольные вопросы

1.Что такое количество вещества, что такое моль?

2.В каких единицах выражают количество вещества?

3.Что такое молярная масса вещества?

4.Чему равна молярная масса любого вещества?

5.В каких единицах выражают молярную массу вещества?

6.Что называется числом Авогадро?

7.Сколько частиц содержит один моль вещества?

20