7 Краткие теоретические положения

Тема 1. Основные понятия в химии

Сведения об атомах и молекулах объединяются в атомно-молекулярное учение. Атомно-молекулярное учение — это первое учение о строении вещества, основные положения которого были разработаны М.В.Ломоносовым и в дальнейшем развиты в работах Джона Дальтона и Амедео Авогадро. Атомно-молекулярное учение дает объяснение основным понятиям и законам химии.

Атом — электронейтральная система, состоящая из элементарных частиц.

Химический элемент — вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра.

Молекула — устойчивая совокупность атомов, удерживаемых силами притяжения (химическими связями).

Масса атома (m_а(Х)) выражается в килограммах, граммах:

m_а(Н) = 1,67·10^-27 кг, или 1,67·10^-24 г;

m_а(О) = 2,67·10^-26 кг, или 2,67·10^-23 г.

Пользоваться такими числами при расчетах неудобно. Поэтому применяют не абсолютные значения масс атомов, а относитель­ные. За единицу атомной массы в химии и физике принята атомная единица массы.

Атомная единица массы (а.е.м.) — 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С:

1 а.е.м.. = 1/12=1,667·10^-24 г

Относительная атомная масса (А_r) — величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава (m_а(Х)) к атомной единице массы (а.е.м.):

A_r(X) = ;A_r(O) =

Относительная молекулярная масса (М_r(Х)) — величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к атомной единице массы:

М_r(Х) = ; М_r(H₂O) = =18

Таким образом, относительная атомная и молекулярная массы показывают, во сколько раз масса атома данного элемента и масса молекулы данного вещества больше одной а.е.м.

Моль (v) — количество вещества, содержащее столько структурных частиц атомов, молекул, ионов и других частиц, сколько атомов содержится в углероде ¹²С массой 0,012 кг.

Количество вещества системы, содержащей 6,02·10²³ атомов или 6,02·10²³ молекул (или других структурных частиц), пред­ставляет собой моль этой системы. Число частиц в моле любого вещества называется постоянной Авогадро и обозначается N_A: N_A = 6,02·10²³структурных единиц/моль.

Молярная масса (М) вещества X равна отношению массы (m) вещества к соответствующему количеству вещества (v):

М(Х) =

Молярная масса устанавливает связь между количеством вещест­ва и его массой и обозначается кг/моль или г/моль. Например,

M(NaOH) == = = 40 г/моль

Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе. Например,

М(О₂) = 32 г/моль; М_r(О₂) = 32.

Молярный объем (V_m) — это отношение объема газообраз­ного вещества к количеству вещества в этом объеме при любых условиях:

При нормальных условиях (н.у.) объем 1 моль любого газа равен 22,4 дм³. Постоянная , равная 22,4 л/моль, называется молярным объемом газа при нормальных условиях.

Относительная плотность газов (D) — это отношение масс равных объемов различных газов при одинаковых условиях (Р, Т одинаковы для обоих газов):

при

При этих условиях, согласно закону Авогадро, в данных газах содержится одинаковое число молекул. Но массы взятых газов окажутся неодинаковыми, следовательно, они будут относиться друг к другу как их молярные массы:

и

Если плотность измерена по водороду :, то. Если плотность измерена по воздуху (D_возд): , то , где 29 — средняя молекулярная масса воздуха.

Пример 1. Какое количество вещества оксида меди (II) содержится в 120 г его массы?

Решение: Относительная молекулярная масса M_r(CuO) = 64 + 16 = 80, следовательно, молярная масса M(CuO) = 80 г/моль.

Пользуясь соотношением М = m/v, находим количество вещества:

Пример 2. Сколько молекул содержится в оксиде железа (III) массой 80 г?

Решение. Молярная масса вещества равна M(Fe₂O₃) = 2·56 + 3·16 = 160 г/моль. Определяем количество вещества Fe₂O₃ в 80 г оксида:

Исходя из того, что 1 моль любого вещества содержит 6·10²³ структурных единиц, находим число молекул в 0,5 моль оксида железа (III): 0,5·6·10²³ = 3·10²³.

Для расчетов объемов газов используются закон Авогадро и следствия из него. Закон Авогадро формулируется следующим образом:

В равных объемах газов при одних и тех же условиях содержится одинаковое число молекул.

Для определения объема газообразных веществ используют молярный объем V_m.

Пример 3. Определите объем сернистого газа SO₂ массой 16 г при нормальных условиях.

Решение. Молярная масса M(SO₂) = 64 г/моль, что составляет 16 г : 64 г/моль = 0,25 моль

V = V_mv, откуда V = 22,4 л/моль·0,25 моль = 5,6 л.

Пример 4. Масса азота объемом 1 дм³ при нормальных условиях равна 1,25 г. Определите относительную молекулярную массу азота.

Решение. На основании следствия из закона Авогадро находим массу 22,4 л N₂:

1 л N₂ — 1,25 г 22,4 » N₂ — х »

Молярная масса азота составляет

Пример 5. Относительная плотность хлора по воздуху равна 2,448. Рассчитайте молярную массу хлора.

Решение. М(возд) = 29 г/моль; D_ВОЗД(Сl₂) = 2,448; М(С1₂) = 29 г/моль·2,448 = 71 г/моль