Основные законы и понятия химии

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

 

Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

 

Атомно - молекулярное учение.

 

1.      Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

 

2.      Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

 

3.      Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

 

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 110 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

 

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

 

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.

 

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

 

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает,  атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

 

Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.

Cложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.

 

Международная единица атомных масс равна ¹/₁₂ массы изотопа  ¹²C - основного изотопа природного углерода.

 

1 а.е.м = ¹/₁₂ • m (¹²C) = 1,66057 • 10^-24 г

 

Относительная атомная масса (A_r) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к ¹/₁₂ массы атома ¹²C.

 

Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

 

A_r(Mg) = 24,312

m _(Mg) = 24,312 • 1,66057 • 10^-24 = 4,037 • 10^-23 г

 

Относительная молекулярная масса (M_r) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше ¹/₁₂ массы атома углерода ¹²C.

 

M_г = m_г / (¹/₁₂ m_а(¹²C))

m_r - масса молекулы данного вещества;

m_а(¹²C) - масса атома углерода ¹²C.

 

M_г = S A_г(э). Относительная молекулярная масса вещества равна  сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

 

Примеры.

 

M_г(B₂O₃) = 2 • A_r(B) + 3 • A_r(O) = 2 • 11 + 3 • 16 = 70

 

M_г(KAl(SO₄)₂) = 1 • A_r(K) + 1 • A_r(Al) + 1 • 2 • A_r(S) + 2 • 4 • A_r(O) = 
= 1 • 39 + 1 • 27 + 1 • 2 • 32 + 2 • 4 • 16 = 258

 

Абсолютная масса молекулы  равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

 

Количество вещества, моль.  Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n, измеряется в моль.  Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

 

Число Авогадро ди Кваренья (N_A). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 • 10²³. (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль^-1).

 

Пример.

Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?

Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:

 

n(s) = m(s) / M(s) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль

 

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N_A

 

N(s) = n_(s) • N_A = 0,2 • 6,02 • 10²³ = 1,2 • 10²³

 

Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).

 

M = m / n

 

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

 

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

 

M = N_A • m_{(1 молекула)}  = N_A • M_г • 1 а.е.м. = (N_A • 1 а.е.м.) • M_г = M_г

 

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO₃), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2Na + Cl₂ ® 2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

 

Закон сохранения массы веществ

(М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.)

 

Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в  результате  химических  реакций  атомы  не исчезают и не возникают, а  происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс  разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате  чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась  пересмотру в связи с появлением теории относительности (А.Эйнштейн, 1905 г.), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение.  Полученная телом энергия DE связана с увеличением его массы Dm соотношением DE = Dm • c² , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению  массы на ~10^-11 г и Dm практически не может  быть  измерено. В ядерных  реакциях, где DЕ в ~10⁶ раз больше, чем в химических реакциях, Dm следует учитывать.

Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.

 

Составление химических уравнений

 

Включает три этапа:

 

1.      Запись формул веществ, вступивших в реакцию (слева) и продуктов реакции (справа), соединив их по смыслу знаками "+" и "®" :

 

HgO ® Hg + O₂

 

2.      Подбор коэффициентов для каждого вещества так, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаково:

 

2HgO ® 2Hg + O₂

 

3.      Проверка числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения.

 

Расчеты по химическим уравнениям

 

Расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические расчеты) основаны на законе сохранения массы веществ. В реальных химических процессах из-за неполного протекания реакций и потерь масса продуктов обычно меньше теоретически рассчитаной. Выходом реакции (h) называют отношение реальной массы продукта (m_p) к теоретически возможной (m_т), выраженное в долях единицы или в процентах.