KelinaZagXimiya
.pdf
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
2NaOH + H2SO → Na2SO4 + 2H2O,
Na2SO4 – середня сіль, продукт повної нейтралізації.
Принедостатнійдляповноїнейтралізаціїкількостілугуутворюється кисла сіль:
NaOH + H2SO4 → NaНSO4 + H2O,
яка дисоціює за рівнянням
NaHSO4 →← Na+ + HSO4–.
Кислісоліутворюютьсябагатоосновнимикислотами. Перевести кислі солі в середні можна, діючи на них основами:
NaHSO4 + NаOH → Na2SO4 + H2O.
Основні солі є продуктами неповного заміщення гідроксогруп основи на кислотні залишки. Вони утворюються з багатокислотних основ:
Mg(OH)2 + HCl → MgOHCl + H2O.
Основна сіль дисоціює з утворенням катіона MgOH+: MgOHCl →← MgOH+ + Cl–.
Основнісоліможнаперевестивсередні, діючинанихкислотою:
MgOHCl + HCl → MgCl2 + H2O.
Назви середніх солей утворюються з назви катіона металу і назви кислотного залишку. Якщо іон металу може мати різні ступені окиснення, вказується ступінь окиснення металу: Na2CO3 – натрій карбонат, Al2(SO4)3 – алюмінійсульфат, Fe(NO3)2 – ферум(ІІ) нітрат. Назви кислих солей утворюються додаванням до аніона префікса гідроген, а якщо необхідно, то з відповідним множним префіксом: NaHSO4 – натрій гідрогенсульфат, KН2РО4 – калій дигідрогенфосфат. Назвиосновнихсолейутворюють, додаючидоназвикатіона слово "гідроксид": Al(OH)Cl2 – алюміній гідроксид дихлорид, Fe(OH)2NO3 – ферум (ІІІ) дигідроксид нітрат.
21
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Солі одержують взаємодією основ з кислотами (реакція нейтралізації), кислот з основними оксидами, кислот із солями, солей із солями, основ з кислотними оксидами, солей з лугами тощо:
KОН + HNO3 → KNO3 + H2O; H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O; HCl + AgNO3 → AgCl↓ + HNO3; Na2SO4 + BaCl2 → 2NaCl + BaSO4↓; Сa(OH)2 + CO2 → CаСО3↓ + H2O; 3KОН + FeCl3 → 3KCl + Fe(OH)3↓.
Хімічні властивості солей
1. Активні метали витісняють з розчину солі менш активний метал:
Zn + FeSO4 → Fe + ZnSO4. 2. Солі взаємодіють з кислотами:
CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑. 3. Солі взаємодіють з лугами:
CuSO4 + 2KOH → Cu(OH)2↓ + K2SO4. 4. Солі взаємодіють між собою:
CaCl2 + Na2СO3 → CaCO3↓ + 2NaCl.
Три останні типи взаємодій відбуваються у випадку, коли утворюються газоподібні (CO2) або нерозчинні речовини (Cu(OH)2, CaCO3).
22
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
1.3. Розв'язання типових задач з елементарної хімії
Визначення масової частки елементів у сполуках
Приклад 1. Визначити масову частку фосфору в простому і подвійному суперфосфатах.
Розв'язання
1. М(Са3(РО4)2) – ? М(Са(Н2РО4)2) – ?
М(Са3(РО4)2) = 40,1 3 + 31 2 + 16 8 = 120,3 + 62 + 128 = 310,3 г/моль. М(Са(Н2РО4)2) = 40,1 + 1 4 + 31 2 + 16 8 = 234,1 г/моль.
2. ω(Р) у Са3(РО4)2 – ? ω(Р) у Са(Н2РО4)2 – ?
ω(Р) = |
2M(P) |
= |
31 2 |
= 0,20 (20,0 %). |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
М(Ca3 (PO4 )2 ) |
310,3 |
|
|||||||
ω(Р) = |
|
2M(P) |
= |
|
31 2 |
= 0,265 (26,5 %). |
|||
М(Ca(H2PO4 )2 ) |
234,1 |
||||||||
|
|
|
|||||||
Відповідь: ω(Р) уСа3(РО4)2 = 20,0 %; ω(Р) уСа(Н2РО4)2 = 26,5 %.
Визначення масової, об'ємної або мольної частки сполук у сумішах
Приклад2. Єгазовасуміш, масовічасткигазів ω уякійдорівнюють: водню – 35 %, азоту – 65 %. Визначити об'ємні частки ϕ газів у суміші.
Розв'язання
1. ν(Н2) – ? ν(N2) – ?
ν(Н2) та ν(N2) – кількості молів водню та азоту в суміші. Нехай m(суміші) дорівнює 100 г. Тоді m(Н2) = 35 г; m(N2) = 65 г.
М(Н2) = 2 г/моль; М(N2) = 28 г/моль. ν(Н2) = m(Н2)/М(Н2) = 35/2 = 17,5 моля. ν(N2) = m(N2)/М(N2) = 65/28 = 2,32 моля.
2. χ(Н2) – ? χ(N2) – ?
23
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
χ(Н2) і χ(N2) – мольні частки газів у суміші.
χ(Н2) = ν(Н2)/[ν(N2) + ν(Н2)] = 17,5/(17,5 + 2,32) = 0,883, або 88,3 %.
χ(N2) = ν(N2)/[ν(N2) + ν(Н2)] = 2,32/(17,5 + 2,32) = 0,117, або 11,7 %.
3. ϕ(Н2) – ? ϕ(N2) – ?
Відомо, що об'ємні частки газів дорівнюють їх мольним часткам (як висновок із закону Авогадро), тобто
ϕ(Н2) = χ(Н2) = 88,3 %; ϕ(N2) = χ(N2) = 11,7 %.
Відповідь: об'ємнічасткигазівусумішіскладають: ϕ(Н2) = 88,3 %;
ϕ(N2) = 11,7 %.
Визначення маси, об'єму, кількості вихідних або кінцевих речовин
Приклад3. Розрахуйтекількістьречовини, масуіоб'ємамоніаку, одержаного в результаті нагрівання суміші 14 г азоту і 14 г водню.
Розв'язання
1. ν(N2) – ?
ν(N2) = m(N2)/M(N2) = 14/28 = 0,5 моля. 2. ν(H2) – ?
ν(H2) = m(H2)/M(H2) = 14/2 = 7 молів.
3. Яка речовина в надлишку – ? Згідно з рівнянням реакції
N2 + 3H2 → 2NH3
стехіометричне співвідношення молів складає ν(N2):ν(H2) = 1:3. Співвідношення згідно з умовами задачі ν(N2):ν(H2) = 0,5:7 =
= 1:14, тобто кількість водню за умовами задачі в надлишку, тому кількістьпродуктуреакціїтребарозраховуватизалежновідкількості азоту.
4. ν(NH3) – ?
ν(NH3) = 2ν(N2) = 0,5 2 = 1 моль.
24
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
5. m(NH3) – ? V(NH3) – ?
m(NH3) = ν(NH3) M(NH3) = 1 17 = 17 г. V(NH3) = ν(NH3) VM(NH3) = 1 22,4 = 22,4 л.
Відповідь: кількість, масатаоб'ємутвореногоамоніакускладають відповідно: 1 моль, 17 г, 22,4 л.
Визначення атомної маси елемента
Приклад 4. При взаємодії 34,25 г двовалентного металу з водою виділилось 5,6 л водню за н.у. Визначити метал.
Розв'язання
1. ν(H2) – ?
ν(H2) = V(H2)/VM(H2) = 5,6/22,4 = 0,25 моля. 2. ν(Ме) – ?
Ме + 2Н2О → Ме(ОН)2 + Н2↑
Стехіометричне співвідношення кількостей сполук згідно з рівнянням реакції ν(Н2):ν(Ме) = 1:1, тому ν(Ме) = ν(Н2) = 0,25 моля.
3. М(Ме) – ?
М(Ме) = m(Me)/ν(Ме) = 34,25/0,25 = 137 г/моль.
Уперіодичній системі знаходимо відповідний елемент зметалевими властивостями. Це – елемент Барій, якому відповідає проста сполука барій.
Відповідь: у реакції брав участь метал барій.
Розрахунковізадачі, вякихвикористовуютьсяречовини, щомістять домішки
Приклад 5. При дії розчину сульфатної кислоти на 1 кг технічного карбонату магнію виділилось 224 л вуглекислого газу за н.у. Визначитимасовучасткудомішокузразкутехнічногомагнійкарбонату.
25
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Розв'язання
1. m(MgCO3), при взаємодії з якою виділилось 224 л СО2 – ? Використовуючи рівняння реакції
MgCO3 + H2SO4 → MgSO4 + Н2О + СО2↑,
де М(MgCO3) = 24 + 12 + 3 16 = 84 г/моль, складаємо пропорцію: 84 г MgCO3 утворюють 22,4 л СО2;
х г MgCO3 утворюють 224 л СО2.
Звідси х = 840 г.
22,4 л – об'єм одного моля газу за н.у. 2. m (домішок) – ?
m (домішок) = m (зразка) – m (MgCO3) = 1000 – 840 =160 г. 3. ω(домішок у технічному зразку) – ?
ω(домішок) = (mдомішок/mзразка) 100 % = (160/1000) 100 % = 16 %.
Відповідь: масова частка домішок у зразку технічного магній карбонату складає 16 %.
Запитання та задачі
1.Що називають оксидом, основою, кислотою, сіллю?
2.Дати класифікацію оксидів, основ, кислот, солей.
3.Написатирівнянняреакційодержанняоксидів, основ, кислот, солей.
4.Які хімічні властивості мають оксиди, кислоти, основи, солі?
5.Указати, до якого класу неорганічних сполук належать такі речови-
ни: MgO, HgS, FeCl3, ZnOHCl, SO3, AlF3, Ca(HCO3)2, H3PO4, Al(OH)3, HBr, Mn2O7, CO, CO2. Дати їм назви.
6.Написатиформулиангідридівкислот: HNO3, H2SiO3, H3PO4, Н3BO3, HMnO4, HNO2.
7.Які оксиди можна одержати нагріванням таких речовин: Pb(NO)3,
H2SiO3, BaCO3, CaSO4?
8.Як дисоціюють середні, кислі, основні солі? Навести приклади.
9.Скласти рівняння реакцій, за допомогою яких можна одержати ос-
26
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
новні та кислі солі: KHCO3, AlOHCl2, (ZnOH)2SO4, NaHSO3, Ca(H2PO4)2.
Записатирівнянняреакційперетворенняїхусереднісолі. Назватисполуки.
10.Написати рівняння реакцій, за допомогою яких, маючи натрій, сірку, кисень і водень, можна одержати три середні солі, три кислі солі
ітри кислоти.
11.Записати реакцїї наступних перетворень:
а) Zn → ZnSO4 → Zn(OH)2 → Na2ZnO2 → ZnCl2 → ZnCO3 → ZnO; б) BaO → BaCl2 → Ba(OH)2 → Ba(NO3)2 → BaSO4.
12.Скільки грамів кислої солі утворюється при взаємодії 10,0 г натрій гідроксиду з 19,6 г сульфатної кислоти?
13.До розчину, який містить 6,8 г цинк хлориду, долили розчин, що містить 5,0 г натрій гідроксиду. Скільки утворилось осаду?
14.Визначити, якамасамідінеобхіднадляреакціїзнадлишкомконцентрованої нітратної кислоти, щоб одержати 2,1 л (н.у.) нітроген (IV) оксиду, якщо об'ємна частка його виходу дорівнює 94 %.
15.Визначити об'єм вуглекислого газу, який виділиться при спалюванні 500 кг вугілля, що містить 8 % негорючих домішок.
16.Визначити масову частину кожного з елементів у СаСО3.
17.Cуміш складається з трьох газів: вуглекислого газу, азоту і аргону. Об'ємні частки газів дорівнюють 20, 50 і 30 %. Визначити масові частки газів.
18.Якийоб'ємкарбон(ІІ) оксидуможнаодержатиз50 гвугілляза н.у.,
уякому масова частка негорючих домішок складає 4 %?
19.Який об'єм повітря необхідний для повного спалювання кам'яного вугілля масою 10 кг, в якому масова частка вуглецю складає 80 %, водню – 6 %, негорючих домішок – 14 %?
27
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Розділ 2. ХІМІЧНІ ЗАКОНИ
2.1. Фундаментальні закони хімії
Хімічна наука базується на фундаментальних законах, тобто на законах, які виконуються при будь-яких умовах. Крім того, є велика кількість основних законів, що мають обмежений характер, тобто виконуються тільки при певних умовах.
До фундаментальних законів належать атомно-молекулярне вчення, періодичний закон Д.І. Менделєєва, закон збереження маси та енергії А. Ейнштейна і теорія хімічної будови О.М. Бутлерова.
Атомно-молекулярне вчення
Основні положення вчення висловив М.В. Ломоносов. Учений розрізняв два ступені будови речовини – елементи (атоми) і корпускули(молекули). Згіднозйоговченням, простіречовинискладаються з атомів одного виду, а складні – з атомів різних видів.
Напершихетапахрозвиткухіміївважали, щовсіречовинискладаються з молекул. У сучасному розумінні речовини можуть мати як молекулярну, так і немолекулярну будову. Більшість твердих неорганічних речовин (основні оксиди, луги, солі) належать до немолекулярних сполук. Вони мають іонні, металеві або атомні решітки і складаються з іонів або поляризованих атомів, наприклад NaCl, KOH, K2SO4. Носієм хімічних властивостей таких речовин є фаза – сукупність частинок, однакових за складом і властивостями та відокремлених від оточуючого середовища поверхнею поділу. Формули немолекулярних сполук базуються на результатах дослідів елементного аналізу та показують якісний і кількісний склад сукупності частинок, що утворюють фазу. Наприклад, речовина калій карбонат складається з сукупності атомів Калію, Карбону та Оксигену у співвідношенні 2:1:3, тому формула буде K2СО3.
У світлі сучасних поглядів простою речовиною називається най-
більш стабільна гомосполука даного елемента в стандартному (при
Р = 1,03 105 Па) стані.
Закон збереження маси та енергії
Історично склалося так, що спочатку були сформульовані два закони: збереження маси (в хімії) та збереження енергії (у фізиці –
28
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
Ломоносов, 1760 р.). У 1905 році Ейнштейн довів зв′язок між масою та енергією, який кількісно виражається співвідношенням
Е = mc2,
де с = 3 108 м/с – швидкість світла у вакуумі; m – маса матерії.
Узвичайних хімічних процесах кількість енергії коливається
вмежах 100…1000 кДж. Цій зміні відповідає дуже мала зміна маси, яку неможливо виміряти сучасними приладами, тому вважають, що в хімічних реакціях маса речовин залишається сталою. У ядерних реакціях зміни енергії складають мільйони та мільярди кілоджоулів, тому зміну маси можна зафіксувати, що підтверджує цей закон.
Періодичний закон
Періодичний закон – найбільше узагальнення в хімії. Його табличний вираз – періодична система. Закон був сформульований Д.І. Менделєєвим у 1869 р. Сучасне формулювання його таке:
властивості елементів та їх сполук знаходяться в періодичній залежності від заряду ядра їх атомів.
Теорія хімічної будови
Теорія була запропонована в 1861 році видатним російським ученим-хіміком О.М. Бутлеровим. До нього вважали, що властивості сполук визначаються тільки їх кількісним та якісним складом. Спочатку ця теорія була використана в органічній хімії, але потім сталазагальнохімічною теорією. Відповідно дотеоріїхімічноїбудови, властивості сполук залежать не тільки від якісного і кількісного складу, але й від хімічної будови речовин, тобто взаємного розташування атомів у молекулі, їх впливу один на одного, хімічного зв′язку між ними.
2.2. Газові та стехіометричні закони
Багатохімічнихпроцесіввідбуваютьсявгазовійфазі, томубільшість методів визначення молярних мас сполук засновані на використанні газових законів.
Стан газу характеризується його параметрами: тиском Р, тем-
29
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
пературою Т та об'ємом V. Зв'язок між ними встановлюють закони ідеальних газів. Ідеальним називають газ, між частинками якого немає взаємодії і розмірами частинок якого можна нехтувати. До цих систем наближаються газоподібні кисень, водень, повітря, вуглекислий газ тощо.
Закон Бойля – Маріотта:
PV = const (m = const, T = const).
Закон Гей-Люсака:
V/T = const (m = const, P = const).
Закон Шарля:
P/T = const (m = const, V = const).
Закон Дальтона:
приоднаковійтемпературікомпонентівгазовоїсумішізагальнийтискгазовоїсумішіР дорівнюєсуміпарціальнихтисківокремих газів: Р = р1 + р2 + … + рі .
Закон Авогадро:
в рівних об'ємах різних газів за однакових умов (тиску і температури) міститься однакова кількість молекул.
Закон Авогадро має два висновки:
1. Молярнамасагазуабопаридорівнюєдобуткувідносноїгустини даного газу за іншим та молярної маси іншого газу. Відносною густиною першого газу за другим D2(1) називається відношення мас однакових об'ємів першого і другого газів за однакових умов, тобто
D2(1) = m1/m2 = nМ1/nМ2 = M1/M2;
M1 = D2(1) M2.
30