1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ. АТОМНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ. МОЛЬ
Химический элемент определяется как вид атомов, характеризующихся определенной совокупностью свойств. Простое вещество состоит из атомов или молекул одного и того же элемента. При соединении атомов различных элементов образуется сложное вещество (химическое соединение).
Закон постоянства состава. Соотношения между массами элементов, входящих в состав соединения» постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.
Закон Авогадро. В равных объемах любых газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул.
1/12 часть изотопа 12С называется атомной единицей массы (а.е.м.). Относительная атомная масса элемента рассчитывается как отношение массы атома элемента к 1/12 части массы атома 12С,
Относительная молекулярная масса (Mr) простого или сложного вещества определяется как отношение массы его молекулы к а.е.м.
Моль - количество вещества, содержащее столько атомов, молекул, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа 12С. Применяя понятие "моль", следует конкретно указывать, что имеется в виду. Например, моль атомов О, моль молекул O2? В одном моле содержится 6,02•1023 (постоянная Авогадро, моль -1) структурных единиц. Отношение массы m(г) вещества к его количеству n(моль) называют мольной массой вещества (M). M= m/n (г/моль).
Из закона Авогадро и определения понятия «моль вещества» следует, что при определенных температуре и давлении 1 моль любого газообразного вещества занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (н.у.), т.е. при Р = 101,323 кПа или 760 мм р.ст., и Т = 273 К один моль любого газа занимает объем 22,4 л.
Пример 1. Рассчитайте число молей, соответствующих 56 г N2. Сколько молекул содержится в этом количестве азота?
Решение. Молекулярная масса (Mr) азота N2равна 28 а.е.м. Масса 1 моля N2 (M) 28 г. Число молей азота можно найти как отношение массы к молярной массе, т. е. N = m/М= 56/28 = 2 (моль). Один моль любого вещества содержат 6,02•102 структурных единиц, следовательно, 2 моля N2 содержат 2•6,02•1023 = 12,04•1023 молекул азота.
Пример 2. Вычислите массу 1 л хлора и объем 1 г хлора (при н.у.). Сколько молекул С12 содержится в 1 л (при н.у.)?
Решение, Молярная масса хлора равна 71 г/моль. При н.у. 1 моль С12 занимает объем 22,4 л, Отсюда:
а) 22,4 л хлора имеют массу 71 г; 1 л хлора имеет массу х г; х - 71/22,4 = 3,17 (г),
б) 71 г хлора занимает объем 22,4 л; 1 г хлора занимает объем х л; х= 22,4/71 = 0,32 л.
в) 22,4 л содержат при н.у. 6,02•1023 молекул С12; 1 л содержит х молекул С12 ; х = 6,02•1023 /22,4 = 0,28•1023 молекул С12.
ЗАДАЧИ
1. Сколько молей и молекул содержится в 8,4 л газа при н.у.?
2. С целью получения сульфида алюминия смесь, состоящую из 27 г алюминия и 60 г серы, нагревали на воздухе и получили 75 г продукта. Противоречит ли этот факт закону сохранения массы вещества?
3. Какое число молей и молекул содержится в 38,4 г оксида серы (IV)? Какой объем при н.у. занимает это число молекул?
4. Сколько молекул CO2 получится при сгорании 0,6 г углерода? Какой объем займет это число молекул при н.y.?
5. Сравните число молекул, содержащихся в 5 г серной кислоты, с числом молекул, содержащихся в 5 г азотной кислоты. В каком случае число молекул больше?
6. Молекула некоторого вещества имеет массу, равную 1,2•10-25 кг. Определите молекулярную массу вещества.
7. В какой массе воды содержится столько же молекул, сколько их в 1 кг хлорида натрия?
Сопоставить числа молекул, содержащихся в 1 г NH3 и в 1 г N2. В каком случае и во сколько раз число молекул больше?
9. Выразить в граммах массу одной молекулы диоксида серы.
10. Одинаково ли число молекул в 0,001 кг Н2 и в 0,001 кг О2? В 1 моле Н2 и в 1 моле О2? В 1 л Н2 и в 1 л O2 при одинаковых условиях?
11. Сколько молекул содержится в 1,00 мл водорода при нормальных условиях?
12. Какой объем при нормальных условиях занимают 27•1021 молекул газа?
13. Каково соотношение объемов, занимаемых 1 молем О2 и 1 молем О3 (условия одинаковые)?
14. Взяты равные массы кислорода, водорода и метана при одинаковых условиях. Найти отношение объемов взятых газов.
2. Классы неорганических соединений
СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ
Состав химических соединений выражается химическими формулами. При анализе (и составлении) химических формул удобно пользоваться понятием "степень окисления элемента в соединении". Сумма степеней окисления всех элементов соединения принимается равной нулю. Обычно степень окисления водорода принимается +1, а степень окисления кислорода, равной -2. Степени окисления других элементов соединений рассчитывают, исходя из этих предположений.
Пример 1. Какие степени окисления имеют элементы в следующих соединениях: СО2, P2O5, HCl, H2S?
Решение. В соединении СО2 сумма степеней окисления двух атомов кислорода составляв (-2)•2=-4. Сумма степеней окисления всего соединения равна нулю. Следовательно, степень окисления углерода равна +4.
В соединении P2O5 каждые пять атомов кислорода характеризуются суммой степеней окисления, равной -10, Следовательно, каждые два атома фосфора, имеют сумму степеней окисления, равную +10, а степень окисления фосфора в соединении P2O5 равна +5.
В соединении НС1 степень окисления водорода +1; следовательно, степень окисления хлора -1.
В соединении H2S степени окисления водорода и серы соответственно равны +1 и -2.
Пример 2. Какие степени окисления имеют элементы в соединениях FeCl2, FeCl3, Sb2S3?
Решение. Перечисленные соединения являются солями хлороводородной и сероводородной кислот, Степень окисления хлора в хлороводородной кислоте равна -1 (см. пример 1); следовательно, степень окисления железа равна+2 в FeCl2 и +3 в FeCl3.
Степень окисления серы в H2S равна -2 (см. пример 1). Следовательно, степень окисления сурьмы в Sb2S3 равна +3.
Для соединений, состоящих из трех элементов и более расчет степеней окисления усложняется. Существенную помощь при определении степеней окисления сложных соединений, а также при составлении эмпирических формул оказывает тот факт, что элементы главных и некоторых побочных подгрупп имеют характерные для них степени окисления, зависящие от номера группы.
Так, элементы главных подгрупп I - III групп таблицы Д.И. Менделеева имеют единственные характерные степени окисления - положительные и численно равные номеру группы.
Пример 3. Какие степени окисления в соединениях имеют стронций и галлий?
Решение. Элемент стронций находится в главной подгруппе II группы; следовательно, в соединениях он имеет одну степень окисления +2. Галлий находится в главной подгруппе III группы, следовательно, в соединениях он имеет степень окисления +3.
Элементы главных подгрупп IV-VI групп (кроме кислорода) имеют следующие степени окисления: положительные, численно равные номеру группы и на две единицы меньшие, и отрицательные, равные номеру группы минус число 8.
Элементы главной подгруппы седьмой группы (за исключением фтора) имеют характерные нечетные степени окисления от +7 до -1, т.е. +7, +5, +3, +1, -1.
Пример 4. Какие степени окисления имеют в соединениях элементы германий, селен и бром?
Решение. Германий находится в главной подгруппе IV группы; следовательно, в соединениях он имеет степени окисления +4, +2, +4.
Селен - элемент главной подгруппы VI группы, его степени окисления в соединениях +6, +4, -2.
Бром- элемент главной подгруппы VII группы, в соединениях он может иметь степени окисления +7, + 5, +3, + 1, -1.
Если известно, какие степени окисления может иметь элемент, то можно написать эмпирические формулы его соединений с кислородом и водородом.
Пример 5. Напишите эмпирические формулы соединений с кислородом и водородом элементов; а)мышьяка, б) индия.
Решение, а) Мышьяк - элемент главной подгруппы V группы. Следовательно, он имеет степени окисления +5, +3, -3. Эмпирические формулы его оксидов As2O5 и As2O7. Эмпирическая формула соединения с водородом AsH3.
б) Индий - элемент главной подгруппы III группы. В соединениях индий имеет единственную степень окисления +3. Индий имеет один оксид In2O3.
Для элементов побочных подгрупп (d- и f-элементов) не существует такой определенной взаимосвязи между степенями окисления и номером группы, какая наблюдается для элементов главных подгрупп. Можно отметить, что d-элементы II-VII групп имеют высшие степени окисления, соответствующие номеру группы, и в обычных соединениях элементы побочных подгрупп не проявляют отрицательных степеней окисления.
Степени окисления тех элементов побочных подгрупп, соединения которых наиболее часто применяются в химической практике, следует запомнить. К таким элементам относятся хром (степени окисления +6 и +3), марганец (+7, +6, +4, +2), железо (+3, +2), кобальт, никель (+2, гораздо реже +3), медь (+2, +1), цинк (+2), серебро (+1), кадмий (+2), золото (+3, +1) и ртуть (+2,+1).
Пример 6. Определите степени окисления элементов в соединениях; a) FeAsO3; б)AgPO3.
Решение. а) В соли FeAsO3 сумма степеней окисления кислорода –6. Железо может иметь степени окисления +2 и +3, а мышьяк - степени +5 и +3. Сумма степеней окисления в эмпирической формуле FeAsO3 равна нулю, если степень окисления железа будет +3 и степень окисления мышьяка +3.
б) В соединении AgPO3 степени окисления серебра (+1) и кислорода (-2) определяют степень окисления фосфора (+5).