Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
0 0 +3 –2
4Al + 3O2 = 2Al2O
3
Схема электронного баланса
0 окисление +3
Al – 3 Al
0 восстановление –2
2О + 4 2О
0 +3
Al окисляется до Al
4
восстановитель
0 –2
О восстанавливается до О
3
окислитель
Эти найденные коэффициенты (4 — для алюминия и 3 —
для кислорода), записанные в схеме электронного баланса
(средняя колонка), должны быть использованы для наших
рассуждений, которые обычно проводят в уме (мысленно, как
в математике, мы вводим эти коэффициенты в скобку). При
первом объяснении для лучшего понимания и наглядности
мы воспроизведём это действие на доске и в тетради:
0 –3
4Al – 3 4 4Al
0 –2
3 2O + 4 3 3 2O
Эту запись словами можно выразить так: в данной
окислительно-восстановительной реакции 4 атома алюминия
в нулевой степени окисления теряют 12
(3 4) и превращаются в 4 атома алюминия в степени окисления –3 —
эту мысль мы должны отразить в уравнении реакции, поставив
коэффициент 4 перед алюминием в левой части уравнения и
коэффициент 2 перед формулой оксида алюминия в правой
части уравнения; в данной окислительно-восстановительной
реакции 6 атомов кислорода в нулевой степени окисления
приобретают 12
(4 3) и превращаются в 6 атомов кислорода
в степени окисления –2 — эту мысль также отражаем в
уравнении реакции, поставив коэффициет 3 перед формулой
кислорода в левой части уравнения, а поскольку перед
формулой оксида алюминия стоит уже коэффициент 2, то и в
правой части уравнения содержится 6 атомов кислорода.
Вопросы и задания:
1. Что такое степень окисления?
2. Какое состояние атома характеризует степень окисления равная 0?
3. В каком состоянии находится атом, если его степень окисления
равна «–2»?
121
4. В каком состоянии находится атом серы, если его степень окисления равна «+4»?
5. Дайте значение слов «окислить», «окислиться», «восстановить», «восстановиться».
6. Укажите значение суффиксов «-ени», «-ител».
7. Что такое окисление?
8. Что такое восстановление?
9. Что такое окислитель?
10. Что такое восстановитель?
11. Задание: расставьте коэффициенты в окислительновосстановительных реакциях с использованием схемы электронного баланса, обращая внимание на то, что запись формулы аммиака является исключением из правил, так как в ней наиболее
электроотрицательный элемент азот записан на первом месте:
S + O2 S + H2O
а) H
2
S + O2 SO2 + H2O
б) H
2
+ O2 N2 + H2O
в) NH
3
+ O2 NO + H2O
г) NH
3
+ H2 NH
д) N
2
e) P + O2 P2O
3
5
122
Глава 9
Количественные отношения в химии
§ 51. Количество вещества. Моль — единица
измерения количества вещества. Молярная масса
Любую порцию вещества можно охарактеризовать
разными физическими величинами. Например, для харак те-
ристики кусочка (порции) сахара, соли или какого-либо
другого вещества можно использовать массу (m), объём (V),
площадь поверхности (s) и т. д. Однако в химии важно характеризовать ту или иную порцию вещества числом частиц,
составляющих вещество (числом структурных частиц — молекул, атомов, ионов). Есть такая физическая величина —
количество вещества.
Количество вещества (
которая характеризует данную порцию вещества числом
структурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Обычно физическая величина имеет свою единицу измерения. Так, массу измеряют в граммах, в килограммах, тоннах
и т. д. За единицу измерения количества вещества в систе-
ме СИ принят моль. Порция вещества в один моль содержит
примерно 6,02
числами пользоваться неудобно, и поэтому используют моль.
Подобно тому как время, например, можно определять
сутками, не называя общего числа часов, так и количество вещества определяют числом молей этого вещества, не указывая на число структурных частиц, а имея его в виду.
Что же такое моль?
Моль — это единица измерения количества вещества,
которая содержит столько структурных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода.
Вычислено, что в 12 граммах углерода содержится 6,02
атомов углерода. Следовательно, моль любого вещества со-
держит 6,02
Число 6,02
льянского учёного А. Авогадро. Если число атомов (структурных частиц) в любой порции вещества (в нашем примере —
в 12 г углерода) обозначить буквой N, а количество вещества (
в 12 г углерода принято за 1 моль, то поделив число
1023 структурных частиц. Такими большими
1023 структурных частиц.
1023 названо постоянной Авогадро в честь ита-
) — это физическая величина,
1023
)
123
структурных частиц на число молей, содержащихся в данной
порции вещества, получаем производную величину N
—
a
постоянную Авогадро.
N
N
= ; N = Na
a
На практике судить о размере порции вещества удобно по
массе взятой порции вещества, которую можно определить, используя весы. Масса (m) и количество вещества (
) — величины, которые находятся в прямопропорциональной зависимости:
чем больше масса, тем больше количество вещества, и, наоборот, чем меньше масса, тем меньше количество вещества.
Зависимость (связь) между величинами выражают с по-
мощью физических формул. Кроме основных физических ве-
личин используют и производные физические величины. При
делении массы порции вещества на количество вещества, составляющее данную массу, получают производную величину — молярную массу (от слова мужского рода «моль»).
Молярная масса — величина, выражающая зависимость
между массой и количеством вещества, а поэтому позволяю-
щая определять одну величину по известной другой (массу по
количеству вещества и, наоборот, количество вещества по
массе).
m m
M = ;
= ; m = M .
M
Чтобы понять физический смысл «молярной массы», да-
вайте возьмём для сравнения
Углерод Магний
Количество вещества 1 моль (С) 1 моль (Mg)
Число структурных частиц 6,02
Относительная атомная масса
А
(C) = 12 Ar(Mg) =24
r
23
10
атомов 6,02 10
23
атомов
Ответьте на вопрос, учитывая вышеприведённые дан-
ные: во сколько раз масса 1 моль магния будет больше массы
1 моль углерода?
Ответ: масса 1 моль магния будет в 2 раза больше массы
1 моль углерода, так как масса одного атома магния в 2 раза
больше массы одного атома углерода — это видно из сравнения относительных атомных масс (24:12
=2). А так как моль
любого вещества содержит одинаковое число структурных
частиц, а именно 6,02
1023, то масса всех атомов магния
124
(6,02 1023) будет в 2 раза больше массы всех атомов углерода
(6,02
1023). Выше уже говорилось, что масса 1 моль углерода
равна 12 г, следовательно, масса 1 моль магния равна 24 г. По
вышеуказанной формуле вычисляем молярные массы углерода и магния.
Вычислим молярную массу углерода:
— масса порции углерода m
— количество вещества в данной порции углерода
= 12 г
= 1 моль
— молярная масса углерода
m 12 г
M = = = 12 г/моль М(С) = 12 г/моль
1 моль
Вычислим молярную массу магния:
— масса порции магния m
— количество вещества в данной порции магния
= 24 г
= 1 моль
— молярная масса магния
m 24 г
M = = = 24 г/моль М(Mg) = 24 г/моль
1 моль
Обобщим наши вычисления и рассуждения в табл. 12.
Таблица 12
Углерод Магний
Количество вещества (
Число структурных частиц (N) 6,02
Относительная атомная масса ( Аr)12 24
Масса порции вещества (m) 12 г 24 г
Молярная масса (М) 12 г/ моль 24 г/ моль
) 1 моль 1 моль
10
23
6,02 10
23
В таблице наглядно видно, что относительные атомные
массы взятых для сравнения веществ (структурными
частицами которых являются атомы), и массы порций веществ
(в 1 моль), а также молярные массы имеют одинаковые
цифровые значения. Данный факт позволяет использовать
таблицу значений атомных масс при необходимости найти
молярные массы. Но физический смысл указанных выше
величин, несмотря на одинаковые цифровые значения,
разный. Обратите внимание на то, что единицы измерения
массы и молярной массы тоже разные, а относительная
атомная масса и относительная молекулярная масса — это
безразмерные величины.
Что же такое молярная масса?
125
Молярная масса (М) — это физическая величина,
численно (по цифровым значениям) равная массе порции
вещества, взятой в количестве 1 моль.
Совпадают только цифровые значения. Единица измерения молярной массы — г/моль.
Чтобы найти молярную массу сложного вещества,
достаточно вычислить относительную молекулярную массу
данного вещества — цифровые значения у них будут
одинаковые — и подписать единицу измерения молярной
массы, т. е. г/моль. Например, чтобы найти молярную массу
серной кислоты, сначала вычисляем относительную молекулярную массу серной кислоты:
М
r (H2SO4
) = 2Ar(H) + Ar(S) +4Ar(O) = 2 1 +32 +16 4 = 98,
а затем записываем молярную массу серной кислоты:
M (H
) = 98 г/моль.
2SO4
Что же показывает или что характеризует молярная масса?
постоянная и является индивидуальной характеристикой для каждого отдельно взятого вещества, а количество
вещества (
) — это физическая величина, которая
является характеристикой данной порции вещества.
Так, если возьмём 1 моль, например, серной кислоты, то,
вычислив по формуле m = M
m (H
) = 98 г/моль 1 моль = 98 г, получаем то же число
2SO4
, массу 1 моль серной кислоты
98, но единицы измерения у этих величин разные. 98 г — это
масса 6,02
1023 молекул серной кислоты, а поскольку число
молекул в одном моле — это величина постоянная и масса
одной молекулы серной кислоты — это тоже величина постоянная, то и сумма масс числа молекул, содержащихся в одном
моле вещества, будет величиной постоянной и характерной
только для данного вещества и зависящей от массы молекулы
взятого вещества.
§ 52. Закон Авогадро. Молярный объём газов
Обращаем внимание на то, что понятие «молярный объём»
относится к любому веществу независимо от его агрегатного
состояния. Сейчас же будем рассматривать только газообразные вещества. Газообразное состояние вещества отличается
от жидкого и от твёрдого величиной расстояния между структурными частицами. В жидкостях и в твёрдых веществах величина расстояния между структурными частицами очень
126
маленькое в сравнении с величиной (с размерами) структурных частиц, а поэтому объём как жидкого, так и твёрдого веществ зависит, главным образом, от размеров структурных
частиц. В газах величина расстояния между структурными
частицами очень большое и особенно в сравнении с размерами
структурных частиц, так что размер частиц не влияет на объём, занимаемый газообразным веществом. Объём газов зависит от расстояния между структурными частицами (между
молекулами), а расстояние между молекулами, в свою очередь, зависит от температуры и от давления. Следовательно,
при одинаковой температуре и одинаковом давлении расстояния между молекулами различных газов будут приблизительно одинаковыми. Принимая во внимание вышесказан-
ное, можно сделать и другой вывод: одинаковые объёмы га-
зов при одинаковых условиях (т. е. при одинаковых
температуре и давлении) содержат одинаковое число молекул. Этот вывод получил название закон Авогадро.
А из закона Авогадро можно сделать ещё один вывод, ко-
торый называется следствием из закона Авогадро: одинако-
вое число молекул разных газов при одинаковых условиях занимают один и тот же объём (табл. 13).
Таблица 13
Одинаковые давление (р)
и температура (t)
Формулы газов О
Количество вещества ( ) 1 моль 1 моль 1 моль
Число молекул (N) 6,02
Объём (V) n л n л n л
Нормальные
условия (н.у.)
Объём газов при н. у. (V) 22,4 л 22,4 л 22,4 л
Молярный объём газов
при н. у.
V 22,4 л
=
V =
1 моль
p, t p, t p, t
2
23
10
p
=760 мм рт. ст.
t
=0 °C
22,4 л/моль 22,4 л/моль 22,4 л/моль
СО
2
6,02 10
p
t
23
=760 мм рт. ст.
=0 °C
Н
2
6,02 10
p
t
=0 °C
23
=760 мм рт. ст.
В верхней части таблицы для примера рассматриваем три
газа: кислород, углекислый газ и водород, все взятые в количестве вещества один моль при одинаковых условиях, т. е.
при каких-то произвольно взятых, но одинаковых температуре и давлении; поскольку моль любого вещества содержит
одинаковое число молекул (6,02
1023), то это число молекул
указанных газов будут занимать одинаковый объём (n л).
127
В нижней части таблицы рассматриваем то же количество
вещества указанных газов (1 моль) при нормальных условиях (н.у.), т. е. при температуре 0
°С и давлении 760 мм
ртутного столба; оказалось, что объём, занимаемый кисло-
родом, углекислым газом и водородом при нормальных условиях, будет одинаковым и равным 22,4 л.
Естественно существует прямо пропорциональная зависимость между объёмом газа и количеством вещества данной
порции газа: так при нормальных условиях 2 моль любого
газа будут занимать объём в 2 раза больший, чем объём 1 моль
газа, т. е. 44,8 л. Используя эту зависимость, при делении
объёма газа (V) (при н.у.), занимаемого данной порцией газа,
на количество вещества (
новая производная величина — молярный объём газов (V
V 44,8 л
V
= = = 22,4 л/моль.
m
2 моль
) данной порции газа, получается
).
m
Единицей измерения молярного объёма газов является
л/моль или можно сказать, что молярный объём газов
выражают в л/моль.
Молярный объём любого газа при н. у. равен 22,4 л/моль.
Молярный объём газов — это физическая величина, чис-
ленно равная объёму, который занимает один моль любого
газа при нормальных условиях (при н.у.).
V V
V
= ; V = Vm ; v = .
m
Ещё раз обращаем внимание на то, что если молярная
масса — это величина постоянная и характерная для любого индивидуального вещества, то молярный объём газов
при н. у. — это величина постоянная и характерная для всех
газов.
§ 53. Относительная плотность газов
Относительная плотность газов — это величина, которая показывает, во сколько раз один газ легче или тяжелее
другого.
Чтобы узнать, во сколько раз, например, железо тяжелее
алюминия, мы должны сравнить их плотности.
Что касается газов, то мы также должны сравнить их плотности. Плотность газа — это производная физическая вели-
128
чина, которую получают в результате деления массы на объём
и которая численно, т. е. в цифровом выражении, равна массе
1 литра газа при н.у.
Формула плотности газов:
= г/л.
Для примера рассмотрим два газа, например, кислород и
водород, взятых в объёме одного литра при одинаковых условиях. Одинаковые объёмы газов при одинаковых условиях
содержат одинаковое число молекул.
Кислород О
Водород Н
2
2
1 л 1 л
число молекул (N)
масса m
(О2) масса m2 (Н2)
1
= число молекул (N)
При одинаковом числе молекул (N) в обеих массах масса
одного литра кислорода будет во столько раз больше массы
одного литра водорода, во сколько раз масса одной молекулы
кислорода будет больше массы одной молекулы водорода. Для
сравнения масс молекул газов используем их относительные
молекулярные массы (M
).
r
Эту мысль мы можем выразить так:
m
m
) Mr (O2)
1(O2
= . (1)
) Mr (H2)
2(H2
Отношение масс одного литра кислорода и одного литра
водорода заменяем отношением их плотностей, так как численно они равны и получаем следующую запись:
(O
) Mr (O2)
2
= . (2)
(H2) Mr (H2)
Из данной записи делаем вывод: отношение плотностей
газов равно отношению их относительных молекулярных
масс или плотности газов относятся как их относитель-
ные молекулярные массы. Отношение плотностей газов даёт
новую величину, которую и называют относительной плот-
ностью газа (D
раз один газ легче или тяжелее другого газа. Заменив во вто-
), которая как раз и показывает, во сколько
H
2
рой записи (2) отношение плотностей газов на относительную
плотность газа (D
M(O
D
= .
H
2
M(H
), получаем формулу:
H
2
)
2
(3)
)
2
Рассмотрим, как пример, вышеуказанные газы кислород
и водород. Чтобы узнать, во сколько раз кислород тяжелее водорода, нужно сравнить их относительные молекулярные
129
массы. Mr(O2) = 32, Mr(H2) = 2. Подставив значения относительных молекулярных масс газов в формулу (3), получаем
относительную плотность кислорода по водороду D
= 16,
H2
т. е. число, которое показывает, что кислород тяжелее
водорода в 16 раз.
D
32
= = 16.
H
2
2
Формула (3) даёт возможность определить относительную
молекулярную массу неизвестного газа, если известна
относительная плотность этого газа и относительная молекулярная масса другого газа, по отношению к которому и
вычислялась относительная плотность. Например, необхо димо вычислить относительную молекулярную массу газа, если
известно, что его относительная плотность по водороду
D
=22.
H2
M(?)
D
чаем: M
= ; Mr(?) = D
H
2
M(H
)
2
Подставив значения D
(?) = 22 2 = 44.
r
H
=22 и M
H2
Mr(H2).
2
r(H2
) = 2 в формулу, полу-
§ 54. Объёмные отношения газов
при химических реакциях
Рассмотрим для примера уравнение реакции взаимодействия водорода с азотом, в результате которого образуется
аммиак:
N
+ 3H
2
1 : 3 : 2 — отношение числа молекул веществ, исходя из коэффициентов уравнения реакции. Увеличив число
молекул в 6,02
моль любого вещества, получаем соответствующее отношение
числа молекул: 1
но заменив 6,02
шение: 1
о газообразных веществах (азот, водород и аммиак — газы),
то от молей можно перейти к объёмам, используя понятие
«молярный объём газов». По формуле V
2NH
2 =
3
1023, т. е. во столько раз, сколько содержит
6,02 1023 : 3 6,02 1023 : 2 6,02 1023,
1023 на выражение 1 моль, получаем отно-
1 моль : 3 1 моль : 2 1 моль. А так как речь идёт
= V
130
находим объ-
m
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]