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

1.6. Закон сохранения массы вещества. Химические уравнения

Словарь

В 1748 году русский ученый М.В. Ломоносов теоретически высказал, а в 1756 году экспериментально обосновал один из главных законов природы – закон сохранения массы вещества. В настоящее время он формулируется так:

масса веществ, которые вступают в химическую реакцию, равна массе веществ, которые образуются в результате реакции.

Французский ученый А.Л. Лавуазье, изучив некоторые реакции окисления металлов, пришел к тем же выводам, что и М.В. Ломоносов, и независимо от него в1789 году сформулировал этот закон. Он сделал еще один важный вывод: масса каждого элемента, который участвует в реакции, не изменяется в этой реакции.

С точки зрения атомно-молекулярного учения суть закона сохранения массы вещества заключается в том, что при химических реакциях атомы не исчезают и не возникают из ничего– их количество остается неизменным до и после реакции. Поскольку атомы имеют постоянную массу, и их общее число в результате реакции не изменяется, то масса веществ до и после реакции остается постоянной. Закон сохранения массы вещества применяется для составления химических уравнений, которые используют для записи химических реакций.

21

Химическое уравнение – это выражение химической реакции с помощью химических формул.

В левой части уравнения пишут формулы веществ, которые вступают в реакцию(их еще называют исходные вещества), в правой части – формулы веществ, образующихся в результате реакции (продукты реакции или конечные вещества).

Согласно закону сохранения массы вещества, число атомов каждого элемента в левой и правой части химического уравнения должно быть одинаковым. Чтобы достичь этого, перед формулами расставляют коэффициенты.

Составим, например, химическое уравнение реакции образования оксида алюминия. В левой части уравнения записывают формулы исходных веществ: алюминия Al и кислорода O2; в правой части – формулу продукта реакции – оксида алюминия Al2O3:

Al + O2 → Al2O3.

Так получают схему реакции. Чтобы эта схема стала химическим уравнением, нужно расставить перед формулами веществ коэффициенты:

4Al + 3O2 = 2Al2O3.

В схеме реакции между левой и правой частями ставится стрелка (→), а в химическом уравнении – знак равенства (=).

Вещества вступают в реакции в строго определенных количествах согласно коэффициентам, показывающим число моль.

Уравнение образования оксида алюминия читают так: четыре – алюминий плюс три – о- два равняется два – алюминий – два – о – три.

Пример 1. Определите массу оксида меди (II) CuO, который образуется, если медь массой 64 г вступает в реакцию с кислородом массой 16 г.

22

0,5 моль кислорода, что соответствует условию задачи, отсюда: m(CuO) = m(Cu) + m(O2) = 64 г + 16 г = 80 г.

Ответ: масса оксида меди равна 80 г.

Контрольные задания

1. Определите массу оксида углерода (IV) CO2, которая образуется, если углерод массой 12 г вступает в реакцию с кислородом массой 32 г.

2. Определите массу воды, которая образуется при реакции водорода массой 8 г и кислорода массой 32 г.

3.Какая масса хлорида магния MgCl2 образуется при действии 18,25 г хлороводородной кислоты HCl на 8 г оксида магния?

4.Какая масса оксида углерода (IV) CO2 образовалась при разложении 2,21 г малахита (CuOH)2CO3, если получилось 1,59 г оксида меди (II) CuO и 0,18 г воды H2O?

5.Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

а) Cu + O2 → CuO;

б) C2H2 + O2 → CO2 + H2O;

в) Pb(NO3)2 + Al → Al(NO3)3 + Pb; г) MgO + HCl → MgCl2 + H2O;

д) N2 + H2 → NH3;

е) NH3 + O2 → N2 + H2O; ж) Al + Cl2 → AlCl3.

Контрольные вопросы

1.Как формулируется закон сохранения массы вещества?

2.Изменяется ли масса атомов в химических реакциях?

3.В чем состоит суть закона сохранения массы вещества?

4.Превращаются ли при химических реакциях одни -эле менты в другие?

5.Изменяется ли число атомов в химических реакциях?

6.Что содержит левая и правая части уравнения?

7.Что показывает индекс и коэффициент?

23

1.7. Типы химических реакций Словарь

Химические реакции классифицируют по различным признакам. В частности, по изменению числа исходных и конечных веществ реакции подразделяют на следующие типы: соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакции, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество, называются реакциями соединения. Например, взаимодействие хлороводорода с аммиаком:

HCl + NH3 = NH4Cl;

или образование хлорида магния из простых веществ: Mg + Cl2 = MgCl2.

Реакции, в результате которых из одного вещества образуется нескольких новых веществ, называются реакциями разложения. Например, разложение пероксида водорода:

2H2O2 = 2H2O + O2;

или разложение перманганата калия:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.

Реакции между простыми и сложными веществами, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества, называются реакциями замещения. Например, замещение свинца цинком в нитрате свинца (II):

Pb(NO3)2 + Zn = Zn(NO3)2 + Pb;

или вытеснение брома хлором:

2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2.

Реакции, в результате которых два вещества, обмениваясь своими составными частями, образуют два новых вещества,

24

называются реакциями обмена. Например, взаимодействие оксида алюминия с хлороводородной кислотой:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O;

или взаимодействие хлорида кальция с нитратом серебра: CaCl2 + 2AgNO3 = 2AgCl + Ca(NO3)2;

или взаимодействие гидроксида с кислотой:

Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4 + 2H2O.

Контрольные задания

1. Расставьте коэффициенты и выпишите уравнения реак-

Контрольные вопросы

1.Что такое химическая реакция?

2.Какие реакции называются реакциями соединения и разложения? Приведите примеры.

3.Какие реакции называются реакциями замещения и обмена? Приведите примеры.

4.Что происходит с исходными веществами при химических реакциях?

25

1.8. Закон Авогадро. Молярный объем газов Словарь

В 1811 году итальянский ученый А. Авогадро высказал гипотезу, которая впоследствии была подтверждена опытными данными, а потому стала называться законом Авогадро:

в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Авогадро установил, что молекулы газов простых веществ (водорода, кислорода, азота, фтора, хлора и др.) состоят из двух атомов (H2, O2, N2, F2, Cl2).

Закону Авогадро подчиняются только газы, а твердые и жидкие вещества не подчиняются. В газах при малых давлениях расстояние между молекулами в тысячу раз больше, чем размеры самих молекул. Поэтому объем газа определяется, главным образом, числом молекул и расстоянием между ними. Размеры самих молекул роли не играют. При одинаковом давлении и одинаковой температуре расстояния между молекулами для различных газов примерно одинаковые. В жидких и твердых веществах расстояния между молекулами малы, поэтому их объемы определяются не только числом, но и размерами молекул. При низких температурах или высоких давлениях газы не подчиняются закону Авогадро, так как расстояние между молекулами уменьшается и газы становятся сходными с жидкостями.

26

Из закона Авогадро вытекает первое следствие: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем. Этот объем V(X) можно вычислить, если молярную массу газа M(X) разделить на плотность данного газа ρ(X):

V(X) = M(X) / ρ(X).

При нормальных условиях (температура 273,15 К и давление 101,325 кПа) плотность водорода ρ(Н2) = 0,09 кг/дм3. Тогда объем, занимаемый 1 моль водорода, будет равен:

V(Н2) = 0,002 кг/моль / 0,09 кг/м3 = 0,0224 м3/моль.

Объем, занимаемый 1 моль кислорода, будет равен:

V(О2) = 0,032 кг/моль / 1,43 кг/м3 = 0,0224 м3/моль.

Как видно из расчетов, при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 дм3, который называется молярным объемом газа: Vm = 22,4 дм3/моль.

Молярный объем газа Vm – это отношение объема вещества V(X) к количеству этого вещества n(X):

Vm = V(X) / n(X).

Второе следствие из закона Авогадро применяется для расчета относительной плотности газов.

Отношение плотностей двух газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) называется относительной плотностью одного газа по другому (D).

Возьмем два газа X и Y. Найдем относительную плотность первого газа по второму: DY(X) = ρ(X) / ρ(Y).

Из закона Авогадро следует, что плотность газов можно рассчитать по формулам ρ(X) = M(Х) / Vm и ρ(Y) = M(Y) / Vm.

Тогда: DY(X) = M(X) / M(Y).

Относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных или относительных молекулярных масс (так как M(X) и Mr(X) численно равны).

Относительная плотность – величина безразмерная – показывает во сколько раз один газ тяжелее другого.

Часто определяют относительную плотность газов по вододу (DH2 (X)) и воздуху (Dв (X)) по формулам

DH2(X) = Mr(X) / Mr(H2) = Mr(X) / 2;

Dв (X) = Mr(X) / Mr(воздуха) = Mr(X) / 29.

27

Воздух – это смесь газов, средняя относительная молекулярная масса воздуха равна 29.

Например, относительная плотность сероводорода по воз-

духу равна: Dв(H2S) = Mr(H2S) / Mr(воздуха) = 34 / 29 = 1,17. Это значит, что сероводород тяжелее воздуха в 1,17 раза.

Пример 1. Какой объем занимают 7 г азота при н. у.?

Ответ: m(H2) = 0,250 г.

Контрольные задания

1.Чему равна молекулярная масса газа, если масса 2 дм3 его при н. у. равна 2,50 г?

2.Определите плотность по кислороду газов: азота (N2), хлора (Cl2), криптона (Kr).

3.Какой объем при н. у. занимают 34 г аммиака (NH3), 132 г диоксида углерода (СО2), 32 г триоксида серы (SO2)?

28

4.Найдите объем, который занимают 1,505 ∙1022 молекул любого газа.

5.Определите массу 3 дм3 кислорода при н. у.

6.Найдите молекулярные массы газов, если их плотности по воздуху равны: 0,96; 1,38; 1,52.

7.Плотность газа по водороду равна14. Определите молекулярную массу газа. Какой это газ?

Контрольные вопросы

1.Как формулируется закон Авогадро?

2.От чего зависит объем газа?

3.Подчиняются ли закону Авогадро жидкие и твердые вещества? Почему?

4.При каких условиях газы не подчиняются закону Авогадро? Почему?

5.Что называется молярным объемом газа?

6.Что такое плотность вещества и относительная плотность одного газа по другому?

1.9. Расчеты по химическим формулам и уравнениям

Для правильного проведения химической реакции, улучшения качества и увеличения количества химической продукции нужно знать количество исходных веществ и продуктов реакций, их качественный и количественный состав. Для этого проводят расчеты по химическим формулам и уравнениям.

По химическим формулам можно вычислить:

-относительную молекулярную массу вещества;

-массовую долю каждого компонента в веществе;

-массу вещества, если известна масса одного из элемента, который входит в состав вещества;

-массу всех элементов, которые входят в состав вещества, если известна масса вещества.

При расчетах по химическим формулам нужно помнить, что химическая формула обозначает не только одну молекулу вещества, но и один моль этого вещества.

29

При расчетах по химическим уравнениям нужно помнить следующее. Массы веществ можно выражать в граммах, килограммах, тоннах и .т д. При химических реакциях пропорциональность масс веществ, которые вступают в реакцию и образуются в результате реакции, не зависят от единиц массы.

Коэффициенты в химических уравнениях показывают не только число молекул веществ, но и число моль этих веществ. Например, 3Н2 – это 3 молекулы водорода или 3 моль водорода, 2Si – это два атома кремния или два моля кремния.

В уравнении реакции коэффициенты, которые стоят перед газообразными веществами, показывают не только отношения молей, но и отношения их объемов.

Уравнения реакций показывают, что исходные вещества вступают в реакции в определенных количественных соотношениях. Если одно из исходных веществ находится в большем -ко личестве, чем необходимо по уравнению реакции, то говорят, это вещество находится в избытке.

Избыток – это количество вещества, которое остается после реакции, так как не вступает в реакцию. Поэтому расчет количества продукта реакции следует проводить по другому исходному веществу.

Пример 1. Определите массу оксида железа(III) Fe2O3, в

30