1. Основні поняття хімії Короткі теоретичні відомості

Атоми та молекули мають дуже малі абсолютні маси, які неможливо вимірити ніякими технічними пристроями. Тому в хімії та фізиці використовують так звані відносні атомні та молекулярні маси  А_r(Х) і М_r(Х) відповідно (Х – хімічна формула речовини). За одиницю вимірювання при цьому береться маса 1/12 атома Карбону (ізотопу С¹²). Отже, відносна атомна або молекулярна маса показує, у скільки разів абсолютна маса даної частинки m₀ більша за масу 1/12 атома Карбону:

A_r(X) або M_r(X) =.

Наприклад, A_r(С) = 12, A_r(О) = 16, A_r(Н) = 1 тощо.

Відносні атомні та молекулярні маси розмірності не мають. Відносна молекулярна маса дорівнює сумі відносних атомних мас елементів з урахуванням кількості атомів цих елементів у молекулі, наприклад:

M_r(О₂) = 2  16 = 32;

M_r(СО) = 12 + 16 = 28;

M_r(СО₂) = 12 + 2  16 = 44;

M_r(CH₄) = 12 + 4  1 = 16.

Речовина вимірюється її кількістю. Під кількістю речовини розуміють певне число окремих частинок цієї речовини (атомів, молекул, іонів тощо)  N, або N(X). Але так робити кількісні розрахунки незручно, тому введено спеціальну одиницю кількості  1 моль, який містить так зване число Авогадро частинок  N_А  6,02  10²³ моль^1. Абсолютна маса числа Авогадро (тобто одного моля) атомів Карбону дорівнює 12 грамам. Тоді маси одного моля атомів Оксигену, молекул O₂, СО, СО₂ і CH₄ дорівнюють 16, 32, 28, 44 і 16 грамам відповідно.

Маса одного моля речовини називається молярною масою. Вона позначається літерою М, або М(Х), і має розмірність г/моль. Чисельно молярна маса дорівнює відносній молекулярній масі. Кількість молів (або просто кількість) речовини позначають n, або n(X). Для певної маси будь-якої речовини m(X) кількість речовини дорівнює:

n(x) = = ,

а абсолютна маса однієї молекули цієї речовини

m₀(Х) = .

Наприклад, для Карбону m₀(С) = 12/(6,02  10²³)  1,99  10^23 г.

При розв’язанні типових задач за цією темою потрібно знати універсальний закон, що діє для газів – закон Авогадро: у рівних об’ємах різних газів, взятих за однакових умов (тиск р і температура Т), міститься однакова кількість молекул.

Наслідки з цього закону:

1. 1 моль будь-якого газу за нормальних умов (р = 1,013  10⁵ Па; Т = 273 К) займає об’єм 22,4 літри. Цей об’єм називають молярним об’ємом газу. Він позначається V_М, або V_М(Х), і має розмірність л/моль. Кількість газоподібної речовини через молярний об’єм дорівнює:

n(x) = .

2. Відносна густина одного газу (Х) за іншим (Y), D_Y(X),  це відношення мас рівних об’ємів цих газів, взятих за однакових умов, або відношення їх молярних мас:

D_Y(X) = .

Приклад 1. Маса 5,6 л (н. у.) деякого газу дорівнює 10 г. Обчисліть для цього газу молярну та відносну молекулярну маси, масу однієї молекули у грамах, кількість речовини та кількість молекул у цьому об’ємі.

Розв’язання. Складаємо пропорцію та знаходимо кількість молів газу:

V_М  1 моль

V  х,

звідки х = n = = = 0,25 (моль).

Знаючи кількість речовини, розраховуємо молярну масу:

М = = 40 (г/моль).

Відносна молекулярна маса газу чисельно дорівнює молярній масі:

М_r = 40.

Абсолютна маса однієї молекули:

m₀ = = 6,66  10^23 (г).

Кількість молекул:

N = nN_A = 0,25  6,02  10²³ = 1,505  10²³.

При розв’язанні багатьох задач треба вміти робити розрахунки згідно з рівняннями хімічних реакцій. При цьому необхідно знати, що коефіцієнти перед формулами речовин у рівнянні (т. з. стехіометричні коефіцієнти) дають кількісні (мольні) співвідношення реагентів і продуктів реакції. Наприклад, у реакції 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂ на кожні 2 моль Al витрачається 6 моль HCl. При цьому утворюється 2 моль AlCl₃ і 3 моль H₂.

Приклад 2. Для наведеної вище реакції розрахувати масу хлориду алюмінію AlCl₃ і об’єм водню Н₂ (н. у.), якщо у реакції беруть участь 5,4 г алюмінію.

Розв’язання. A_r(Al) = 27, M_r(AlCl₃) = 106,5. Згідно з рівнянням реакції 1 моль (тобто 27 г) Al відповідає 1 моль (або 133,5 г) AlCl₃. Тому складаємо пропорцію:

27 г Al  133,5 г AlCl₃

5,4 г  х,

звідки х = m(AlCl₃) = = 26,7 (г).

Також діємо при розрахунку об’єму водню:

2  27 г Al  3  22,4 л H₂

5,4 г  у,

звідки у = V(H₂) = = 6,72 (л).

Задачі

1. Маса молекули деякої речовини становить 1,210^25 кг. Чому дорівнюють відносна молекулярна та молярна маси цієї речовини? Яку кількість містить 1 кг цієї речовини?

2. Маса 110^3 м³ газу (н.у.) дорівнює 1,17510^3 кг. Розрахуйте молекулярну масу газу і масу однієї його молекули. Яке число молекул газу знаходиться у даному об’ємі?

3. Чому дорівнюють молекулярна, молярна маси та маса однієї молекули СО₂? Який об’єм СО₂ (н.у.) утвориться при згорянні 1,210^2 кг вуглецю? Яке число молекул цього газу буде знаходитись у цьому об’ємі?

4. Порівняйте число молекул, які містяться у 4 кг кожного з газів: СО₂ і NO₂. Визначте кількості цих речовин і об’єми, що займають гази за н.у.

5. Маса 8,710^5 м³ газу при 62 С і тиску 1,0110⁵ Па дорівнює 2,410^4 кг. Розрахуйте молекулярну масу речовини і масу однієї його молекули.

6. Які об’єм і маса оксиду нітрогену (II) утворюються при взаємодії 510²⁰ молекул азоту з киснем? Чому дорівнюють молекулярна і молярна маси, маса однієї молекули NO?

7. Яка кількість речовини і скільки молекул містяться: а) 0,1 м³ водню (н.у.); б) 0,1 кг водню? Чому дорівнює маса однієї молекули Н₂?

8. В якій масі СО₂ міститься стільки ж молекул, скільки їх у 2,810^3 кг СО? Які кількості речовин містяться у цих масах?

9. При розпіканні СаСО₃ масою 1 кг одержані СаО масою 0,56 кг і СО₂ об’ємом 0,224 м³ (н.у.). Чи підтверджують ці дані закон збереження маси речовин? Визначте число молекул і кількість речовини СО₂ у наведеному об’ємі?

10. Чому дорівнюють молярна маса та маса однієї молекули метану (СН₄)? Складіть рівняння реакції горіння метану на повітрі і розрахуйте об’єм і масу цього газу, якщо на його згоряння витрачено 112 л кисню.

11. Визначте масову частку домішок (%) у технічному цинку, якщо його наважка масою 20,4 г витісняє з соляної кислоти, взятої у надлишку, водень об’ємом 6,272 л (н.у.)? Яку кількість речовини становить указаний об’єм водню? Скільки молекул газу містяться у ньому?

12. Змішано рівні за масою (10 г) кількості газів: водню Н₂, метану СН₄ і азоту N₂. Розрахуйте об’єм (н.у.) газової суміші, масу одного її літру (н.у.), загальне число молекул усіх газів у 1 л суміші.

13. Для газоподібних азоту N₂ і оксиду карбону (II) CО визначити: а) співвідношення об’ємів рівних мас цих газів; б) маси 1 л газів; в) молярні маси і маси однієї молекули кожного з цих газів.

14. Маси 1 л наведених газів дорівнюють: а) ацетиленy  1,17 г; б) гелію  0,17 г; в) етану  1,36 г. Визначте молекулярні, молярні маси і маси однієї молекули кожного газу. Використовуючи величину відносної густини одного газу за іншим, визначте, який газ важчий, а який  легший за повітря?

15. У три склянки з водою опущено по 1 граму металів: у першу  натрію, у другу  калію, у третю  кальцію. В якому випадку виділиться найбільша кількість водню? Розрахуйте кількість, масу та об’єм водню у цій реакції. Чому дорівнює маса однієї молекули Н₂?

16. Розрахуйте об’ємну частку оксиду карбону (II) СО у газовій суміші складу 3СО + 5N₂ + 2СО₂? Яка густина цієї суміші за повітрям?

17. Визначте масу 1 л газової суміші складу (н.у.): СО + 2N₂ (генераторний газ). Яка кількість молів і яке число молекул кожного газу знаходяться у цьому об’ємі?

18. Дана газова суміш складу 3СО + 7СО₂. Розрахуйте: а) середню молекулярну масу суміші; б) масу 1 л суміші (за н.у.); в) густину суміші за воднем; г) масу 10 л суміші (н.у.); д) об’єм 1 кг суміші (н.у.).

19. Газоподібна речовина масою 0,08 г займає об’єм 11,2 мл за н.у. Розрахуйте молярну, молекулярну маси та масу однієї молекули цього газу. Яка кількість молів речовини і яке число молекул знаходяться у цій масі газу?

20. Яка і в якому об’ємі (н.у.) знаходиться кількість молекулярного азоту (моль), якщо вона містить 1,2  10²² молекул? Розрахуйте масу цієї кількості газу.

21. В ємності змішано гази: СО₂, О₂ і N₂, маси яких відповідно становлять 11, 16 і 21 г. В яких об’ємних співвідношеннях змішано ці гази? Розрахуйте середню молекулярну масу цієї газової суміші та її густину за киснем.

22. При згорянні аміаку в кисні у присутності платинового каталізатора утворюються газоподібний оксид нітрогену (II) NO і водяний пар. У яких об’ємних і масових співвідношеннях реагують аміак і кисень? Розрахуйте кількість, масу та об’єм (н.у.) NO, який утворився, якщо прореагувало 10 л (н.у.) NH₃.

23. Відносна густина газу за воднем становить 8,5. Чому дорівнює молекулярна, молярна маси цього газу, маса однієї його молекули? Визначте кількість речовини (моль) і об’єм (н.у.), який займає 1,7 кг газу.

24. Двохвалентний метал масою 2 г витісняє з розчину хлоридної кислоти 1,12 л (н.у.) водню. Визначте, який це метал. Чому дорівнює маса водню, який утворився, скільки його молекул містяться у цьому об’ємі?

25. Маса молекули деякої речовини дорівнює 210^22 г. Чому дорівнюють молекулярна та молярна маси цієї речовини? Скільки молекул містяться у 10 г речовини? Яку кількість молів це складає?