1. Основные понятия химии

Химический элемент – вид (совокупность^9) атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Химический знак (символ) обозначает название химического элемента, 1 его атом, 1 моль атомов этого элемента.

Атом – это микрочастица, наименьшая часть химического элемента – носитель его свойств. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Обозначение атомов элемента , гдеZ – атомный номер – число протонов в ядре атомов элемента, которое соответствует числу электронов в электронейтральных атомах данного элемента и его положению в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.

Массовое число атома – это число нуклидов^, или суммы протонов и нейтронов. Масса нуклидов измеряют при помощи масс-спектрометра.

Нуклид	Относиткльная нуклидная масса	Относительное обогащение природного хлора
35Cl	35	75%
37Cl	37	25%

Относительная атомная масса = = 35,5 (а.е.м.)

Ядро, в свою очередь состоит из нуклонов – протонов (р) и нейтронов (n). Атомы являются как электронейтральными частицами (например, H•, He:, Li•, :Cl:), так и положительно- и отрицательно заряженными (простые катионы, например, Н⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺, или простые анионы, например, F^–, S^2–, N^3–).

Молекула – микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Обладает свойствами, отличающими её от других молекул. Эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества.

Массу атомов измеряют в относительных (безразмерных) единицах. За атомную единицу массы (а. е. м.) принимают углеродную единицу – 1/12 массы атома углерода с массовым числом 12 (атома нуклида угерода-12, или ¹²С):

A_r = ,

где A_r – относительная атомная масса (r – от лат. relative – относительный);

m – масса атома, кг;

а. е. м. – атомная единица массы, равная 1,66 ∙ 10^-27 кг.

Обычно молекулами называют электронейтральные частицы (например Н₂, Н₂О, Н₂SO₄); если молекула несёт электрический заряд (положительный или отрицательный), то говорят о молекулярных ионах – катионах или анионах соответственно (например Na⁺, NH₄⁺, Ba²⁺, NO₃^–, CH₃COO^–, SO₄^2–). В химическом соединении положительные ионы существуют вместе с свободно-отрицательными ионами. Молекулами также являются радикалы (например, •NO₂, •ОН, •СН₃).

Ионы – заряженные частицы, возникающие при потере или присоединении электронов электронейтральными атомами (простые ионы) или группами химически связанных атомов (сложные ионы).

Радикалы – это атомы или группы атомов, имеющие один или несколько неспаренных электронов.

Изотопы^– разновидности атомов химического элемента с разными массовыми числами А.

Изотопы имеют практически одинаковые химические, но разные физические свойства (например, массы атомных ядер).

Относительная атомная масса химического элемента (A_r) или просто атомная масса (она приводится в таблице Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева) – величина, показывающая отношение средней массы атома природной изотопной смеси элемента к 1/12 массы атома углерода ¹²С; является одной из основных характеристик химического элемента.

Относительная молекулярная масса (М_r) или просто молекулярная масса – безразмерная величина, показывающая во сколько раз масса молекулы (формульной единицы^) данного химического соединения больше атомной единицы массы.

М_r =

Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс формульного состава данного химического соединения:

М_r = A_r(Х_i),

где Х – атомы химических элементов, входящих в состав данной молекулы (формульной единицы);

i – число атомов каждого химического элемента в данной молекуле (формульной единице).

Например, М_r (Н₃РО₄) = 3 ∙ 1 + 31 + 4 ∙ 16 = 98.

Если вещество немолекулярного, а, например, ионного строения, то для него также используют понятие относительной молекулярной массы, рассчитывая её по формульной единице этого вещества.

К таким единицам условно относят как реально существующие частицы: молекулы (H₂, O₂, H₂O, CH₄), атомы (H, O, C, Na), катионы (Na⁺, Al³⁺, NH₄⁺), анионы (Cl^-, SO₄^2-, PO₄^3-) и радикалы (HO•, H₃C•), так и определённое сочетание атомов в веществах немолекулярного строения – «условные молекулы» солей [NaCl, CaCl₂, Al₂(SO₄)₃], гидроксидов, оксидов и пероксидов металлов [NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃, Na₂O, CaO, Al₂O₃, Na₂O₂, CaO₂], а также некоторых других соединений (диоксида кремния SiO₂, карбида кремния SiC).

Стехиометрия^ – раздел химии, в котором изучаются количественный состав веществ и соотношения между количествами веществ, вступающих в химическую реакцию и образующихся в результате реакции.

В практике имеют дело не с отдельными атомами или молекулами, а с их молярными количествами.

Установление количественных соотношений в стехиометрии производится на основе понятия моль^.

Моль (n) – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг или в 12 г нуклида углерода с массовым числом 12 (нуклида ¹²С).

Структурными единицами могут быть электроны, протоны, атомы, молекулы, ионы, радикалы и другие частицы. Число атомов в 0,012 кг нуклида ¹²С определяется следующим образом:

N = = 6,021 ∙ 10²³,

где 1,993 ∙ 10^-26 кг – масса атома нуклида углерода-12.

В химии обычно оперируют не отдельными атомами или молекулами, а используют понятие «количество вещества».

Количество вещества показывает число структурных единиц (атомов, молекул, ионов). Единица количества вещества – моль.

Величина N_A, равная 6,021∙10²³ моль^–1, является фундаментальной физической постоянной, или постоянной (числом) Авогадро. Один моль любого вещества с молекулярной структурой содержит 6,021 ∙ 10²³ молекул.

Если известно число структурных единиц N какого-либо вещества, то количество этого вещества n определяется по формуле:

n = .

Масса 1 моля называется молярной массой и обозначается М. Она определяется как отношение массы вещества к его количеству:

М = .

В соответствии с Международной системой единиц (СИ) молярная масса измеряется в кг/моль, но для химических расчётов удобнее использовать молярные массы, выраженные в г/моль; иногда в мг/м, моль.

Например, М (Н₂О) = 0,018 кг/моль, или 18 г/моль.

Молярная масса, выраженная в г/моль, численно равна относительной молекулярной массе, или относительной атомной массе:

М = М_r или М = А_r.

Чтобы рассчитать молярную массу вещества, необходимо вычислить его относительную молекулярную массу, сложив относительные атомные массы всех химических элементов, входящих в состав молекулы (формульной единицы) вещества, а затем выразить молярную массу в соответствующих единицах.

Например: M_r (CuSO₄∙5H₂O) = 64 + 32 + 4∙16 + 5(2∙1 + 16) = 250.

Следовательно, молярная масса кристаллогидрата сульфата меди(II) равна 250 г/моль и, чтобы взять 0,1 моль данного вещества, необходимо взвесить 25 г этого вещества.

Зная относительную атомную или молекулярную массу, можно выразить молярную массу атома или молекулы в граммах или килограммах.

Например, относительная атомная масса A_r фтора равна 19. а.е.м. Следовательно, молярная масса атомов фтора равна 19 г/моль. Зная, что 1 моль содержит 6,02∙10²³ атомов, найдём массу одного атома фтора: m(F) = M(F) / N_A=19 г/моль : 6,02∙10²³ моль^-1 = 3,16∙10^-23 г = 3,16∙10^-26 кг.

Стехиометрические коэффициенты – числа, стоящие перед химическими формулами и сиволами веществ в уравнении химической реакции. Они определяют соотношение количеств исходных веществ (реагентов) и конечных веществ (продуктов реакции).

Стехиометрические индексы – числа, стоящие в химических формулах веществ справа внизу при символах химических элементов. Они определяют соотношение количеств атомов элементов в молекулах (формульных единицах) веществ.

Пример 1. Выразите в граммах массу:

а) одной молекулы брома;

б) двух атомов кальция.

Решение.

Масса 1 моль вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной молекулярной (или атомной) массе (М = M_r или A_r). Следовательно, молярная масса Вr₂ равна 160 г/моль, а Cа – 40 г/моль. Используя постоянную Авогадро, которая показывает число молекул, атомов или других структурных единиц в одном моле какого-либо вещества, найдём массу одной молекулы брома:

m(Br₂) = = 2,66 · 10^–22 г;

и массу двух атомов кальция:

m (Ca) = = 1,33 · 10^–22 г.

Ответ: а) 2,66 · 10^–22 г; б) 1,33 · 10^–22 г.

Пример 2. Вычислите (в г) массу 400 мл водорода, содержащегося в сосуде при давлении 102 кПа и температуре 293 К.

Решение.

Условия задачи выразим в единицах СИ:

р(H2) = 102 кПа = 1,02 105 Па; V(H2) = 400 мл = 0,4 л; M(H2) = 2 10-3 кг/моль.

Затем, воспользуюсь уравнением Менделеева-Клапейрона:

Р V =

где R = 8,314 Дж / (моль ∙ К), или [кПа ∙ л / (моль ∙ К)], получим:

=

= = 3,35 ∙ 10^-2 (кг).

Ответ: 3,35 ∙ 10^-2 кг.

Пример 3. Какова эмпирическая формула оксида, содержащего 68,4 % (по массе) хрома.

Решение.

Обозначим числа атомов хрома и кислорода в формульной единице данного оксида соответственно через х и y. Поскольку относительные атомные массы этих элементов равны 52 и 16, то массы хрома и кислорода в составе данного оксида будут относиться как 52х к 16y; из условия задачи – 68,4 : 31,6. Следовательно,

52х : 16y = 68,4 : 31,6,

или

х : y = := 1,32 : 1,98.

Так как в химических формулах веществ отношение атомов элементов выражается целыми числами, то разделив значения полученного отношения на меньшее из них:

х : y = := 1 : 1,5

и умножив на 2, получим искомые значения стехиометрических индексов

х : y = 2 : 3.

Ответ: Cr₂О₃.