Лекция 1: Основные понятия и законы химии

План лекции:

1 - основные положения атомно-молекулярного учения.

2 - относительные Ar и Mr.

3 - массовая доля элемента.

4 - молярная масса.

1в. Химия - наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Все тела в природе состоят из веществ. Веществом в химии называется физическая субстанция со специфическими химическими свойствами.

К физическим свойствам вещества относятся – агрегатное состояние, плотность, растворимость, tпл, tкип, цвет, вкус…

Существуют три агрегатных состояния: -твердое; -жидкое; -газообразное. Изменение агрегатного состояния вещества – это пример физических явлений.

Физические явления – это изменения формы или агрегатного состояния вещества, в результате которого не образуются новые вещества.

Химические свойства вещества – это способность данного вещества превращаться в другое вещество.

Превращения одних веществ в другие называются химическими реакциями или явлениями, в результате которых всегда образуются новые вещества. Исходные вещества, которые вступают в химическую реакцию, называются реагентами, а новые вещества, которые образуются в результате х/р, называются продуктами реакции.

2H₂O = 2H₂ + O₂

исходное вещество продукты реакции

реакции

Признаками химических реакций являются:

-изменение цвета; -образование осадка;

-выделение газа; -выделение теплоты; -выделение света.

Учение о строении вещества из атомов и молекул создали Ломоносов и Дальтон и основными положениями атомно-молекулярного учения являются:

1. Вещества состоят из молекул, то есть из наименьших частиц, которые сохраняют свои свойства.

2. Молекулы состоят из атомов, то есть из наименьших частиц химического элемента, сохраняющих свои свойства и определяющихся строением атома.

Химический элемент – это определенный вид атомов, делящихся на металлы и неметаллы.

3. Вещества, молекулы которых состоят их атомов одного элемента, называются простыми веществами (H₂, O₂, S, Fe)

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами ( H₂O, H₂SO₄, NaCl…)

H - H₂ - H₂SO₄

элемент простое вещество сложное вещество

Многие химические элементы в свободном состоянии могут существовать в виде нескольких простых веществ различных по строению и свойствам. Разные простые вещества, которые образованы одним элементом, называются аллотропными видоизмененными (модификациями).

Аллотропия обусловлена 2 причинами.

- различным числом атомов в молекуле (O₂ и O₃ кислород и озон)

- образованием кристаллов различных модификаций (алмаз и графит)

4. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении, скорость которых зависит от агрегатного состояния.

5. В результате химических реакций молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ.

2в. Атомы элементов имеют массу. Абсолютная масса атома (m_a) – это масса атома, выражающаяся в кг. Т.к. m_a очень малы, например m_{a (Н)} = 1,67·10^-27 кг, вместо них используют относительные атомные массы (A_r). A_r – это число, которое показывает, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 части массы атома углерода.

A_r = m 1 атома элемента .

1/12 m 1 атома углерода

1/12 часть массы атома углерода называется атомной единицей массы (а.е.м.).

1а.е.м. = m_{a (С)} = 19,93·10^-27 = 1,66·10^-27 кг.

12 12

A_r элемента Х можно вычислить по формуле:

A_{r (Х)} = m_{a (Х)} : 1 а.е.м.

Например:

A_{r (С)} = m_{a (С)} = 19,93·10^-27 = 12

1 а.е.м. 1,66·10^-27

A_{r (О)} = m_{a (О)} = 26,67·10^-27 = 16

1 а.е.м. 1,66·10^-27

Значения всех относительных атомных масс всех химических элементов даны в периодической системе элементов Менделеева.

Относительная молекулярная масса вещества (М_r) – это число, которое показывает, во сколько раз масса молекулы этого вещества больше а.е.м.

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс, из которых состоит молекула вещества, с учетом числа атомов каждого элемента:

М_r [ Fe₂(SO₄)₃] = 2 · A_{r (Fe)} + 3· A_{r (S)} + 12· A_{r (O)} = 2·56+3·32+12·16 = 400

Рассчитаем относительную молекулярную массу следующих соединений:

Н₃РО_{4 ;} КОН; К₃РО₄; Н₂О.

Зная атомные массы элементов A_{r (Н)} = 1; A_{r (Р)} = 31; A_{r (O)} = 16; A_{r (К)} = 39

выясняем, что она составляет Н₃РО₄ = 98; КОН = 56; К₃РО₄ = 212; Н₂О =18.

Закон постоянства состава гласит, что каждое чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав, который не зависит от способа получения вещества и, следовательно, каждое вещество имеет свою химическую формулу.

Химическая формула – это обозначение качественного и количественного состава вещества при помощи символов химических элементов. Цифры в формулах называются индексами и показывают число атомов каждого элемента в молекуле вещества.

Например, формула Н₂О показывает, что молекула воды состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Существуют вещества, которые имеют одинаковый качественный, но различный количественный состав. Например, Н₂О и Н₂О₂.

Химические формулы, которые показывают качественный и количественный состав вещества, называются молекулярными формулами. По формуле вещества можно рассчитать массовую долю каждого химического элемента, который входит в состав вещества.

3в. Массовая доля элемента в данном веществе – это отношение относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его атомов в молекуле, к его относительной молекулярной массе вещества. Массовую долю обычно выражают в %.

ɷ _(Х) = A_{r (Х)} · n ·100%, где

M_r

ɷ _(Х) – массовая доля элемента Х;

A_{r (Х)} – относительная атомная масса элемента Х;

n - число атомов элемента в молекуле вещества;

M_r – относительная молекулярная масса вещества.

Количество вещества – это физико-химическая величина, которая показывает число структурных единиц (молекул, атомов, ионов …), образовавших это вещество. Единицей количества вещества является моль.

Моль – это количество вещества, которое содержит столько структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 гр. изотопа углерода.

Абсолютная атомная масса 1 атома углерода = 19,93 ·10 ^-27 кг.

Число атомов в 12 гр. С (0,012 кг) = 0,012 кг/моль = 6,02·10 ²³ моль ^-1

19,93 ·10 ^-27 кг

Это число называется постоянной Авогадро и обозначается N_A.

N_A = 6,02·10 ²³ моль ^-1 , т.е. один моль любого вещества содержит 6,02·10 ²³

молекул или атомов (N).

Например, 1 моль воды содержит 6,02·10 ²³ молекул воды;

1 моль алюминия содержит 6,02·10 ²³ атомов алюминия.

4в. Масса одного моля вещества называется молярной массой, обозначается символом М и выражается в кг/моль или в г/моль.

Молярная масса равна отношению массы вещества к его количеству:

М = m / n.

Числовое значение молярной массы вещества в г/моль равно относительной молекулярной массе вещества M_r, если вещество состоит из молекул, или относительной атомной массе A_r, если вещество состоит из атомов.

Например: Na: A_r = 23; М = 23 г/моль.

O: M_r = 32; М = 32 г/моль.

NaCI: M_r = 58,5; М = 58,5 г/моль.

Т. о., в 23 г. Na содержится 6,02·10 ²³ атомов натрия; в 58,5 г. хлорида натрия содержится 6,02·10 ²³ молекул соли.

Исходя из молярной массы и числа Авогадро можно рассчитать абсолютные массы атомов и молекул по формуле: m_a = M / N_A.

Например: m_{a (Na)} = M_(Na) / N_A = 23 г / моль = 3, 28 · 10 ^-26 кг

6,02·10 ²³ моль ^-1

5в. Одной из важнейших характеристик элемента является валентность, которая определяет количественные соотношения атомов элементов в химических соединениях. Валентность – это способность атомов элементов образовывать определенное число химических связей, она определяется числом связей, которые образует данный атом с другими атомами в молекуле.

Атом водорода образует только одну связь, поэтому его валентность принята за 1, т.е. он всегда одновалентен. Валентность элемента в водородном соединении равна числу атомов водорода, которое присоединяет атом данного элемента.

Например: HF H₂O CH₄ PH₃

I I I II IV I III I

Существуют элементы с постоянной и переменной валентностью. Элемент с постоянной валентностью – это элемент, который во всех соединениях имеет одинаковую валентность. К таковым относятся:

- водород, фтор и элементы I группы ПСЭМ (Li, Na, R, Rb, Cs);

- кислород и элементы II группы ПСЭМ (Mg, Ca, Sr, Ba, Zn);

- бор и алюминий.

Все остальные элементы имеют переменную валентность, т.е. они в разных соединениях имеют различную валентность.

Например: N₂O NO N₂O₃ NO₂

I II II II III II IV II

Соединения, которые состоят из атомов 2 элементов, называются бинарными и для них существует правило валентности: произведение валентности (Х) на число атомов (m) одного элемента равно произведению валентности (у) на число атомов другого элемента (n) : Хm = уn

Правило валентности позволяет:

- определять валентность элементов по формуле их соединений;

- составлять формулы бинарных соединений по валентности элементов.

Например:

а) определим валентность марганца в его оксиде Mn₂O₇.

Пусть валентность Mn = Х, а О₂ = 2. Тогда х·2 = 2·7, отсюда х = 7, следовательно, валентность марганца в его оксиде Mn₂O₇ = 7

б) составим формулу соединения, которое состоит из фосфора (V) и кислорода (II). Наименьшее кратное чисел 2 и 5 = 10. Делим его на валентность фосфора (10:5 = 2) и получаем число атомов фосфора. Затем делим его на валентность кислорода (10:2 =5) и получаем число атомов кислорода. Т.о. получаем формулу оксида фосфора Р₂О₅.

Зная валентность элементов и правило валентности, можно составлять графические формулы веществ. Графические формулы веществ – это формулы веществ, которые показывают порядок соединения атомов в молекуле и валентность каждого элемента. Валентность в графических формулах обозначают черточкой. Одна черточка в графической формуле обозначает валентность каждого из 2 атомов, которые соединены друг с другом.

H O O

I II II

Н – О – Н Н – N – Н О = Mn – O –Mn = O

Согласно закону сохранения массы веществ масса исходных веществ равна массе продуктов реакции: m₁+m_{2 =} m₃ + m₄. Данное равенство объясняется тем, что при протекании реакции происходит только перегруппировка атомов, а число и масса каждого атома остаются постоянными. Любая химическая реакция выражается химическим уравнением. Химическое уравнение – это выражение химической реакции с помощью химических формул веществ. Химическое уравнение составляют на основе закона сохранения массы веществ, т.е. число атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения должно быть одинаковым. Для этого перед формулами веществ ставят коэффициенты, которые показывают число молекул или молей каждого вещества, которое участвует в реакции.

Н₃РО₄ + 3КОН = К₃РО₄ + 3 Н₂О

1 молекула 3 молекулы 1молекула 3 молекулы

1 моль 3 моль 1моль 3моль

98г + 168г = 212г + 54г

266г = 266г

Т.о., по химическим реакциям производят количественные расчеты.

Согласно закону Авогадро – в равных объемах различных газов при одинаковых физических условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул (N). Если V₁ = V₂; Т₁ = Т₂; Р₁ = Р₂; то N₁ = N₂.

Из этого можно вывести 1 следствие из закона Авогадро: одинаковое число молекул различных газов при одинаковых физических условиях занимают одинаковый объем. Т.е., если N₁ = N₂; Т₁ = Т₂; Р₁ = Р₂, то V₁ = V₂. Если число молекул равно числу Авогадро 6,02·10 ²³ (1 моль газа), то при нормальных условиях они занимают объем 22,4 л. Нормальными условиями (н.у.) считаются: t = O⁰ C; P = 760 мм ртутного столба или 1 атм.

Объем 1 моля газа называется молярным объемом и равен отношению объема газа к количеству вещества: V_м = V/ n , где V_м – молярный объем.

Итак, молярный объем любого газа при н.у. равен 22,4. V_м = 22,4 л/моль

Согласно 2 следствию из закона Авогадро – плотность любого газа можно рассчитать по формуле: ρ = М / V_{м ;} где

М – молярная масса;

V_м – молярный объем.